李 朋 張勝龍 羅 鵬 楊立偉 王文斌 劉 暢

(1.北京城市快軌建設(shè)管理有限公司, 100027, 北京; 2.鐵科院(北京)工程咨詢有限公司, 100081, 北京;3.天津智能軌道交通研究院有限公司, 301700, 天津∥第一作者, 高級(jí)工程師)

1 城市軌道交通輪軌力測(cè)量方法

列車輪對(duì)和軌道滾動(dòng)接觸所產(chǎn)生的輪軌關(guān)系是城市軌道交通最重要的研究對(duì)象之一。輪軌力是輪軌關(guān)系的基礎(chǔ),輪軌力的正常與否關(guān)系到車輛行駛的安全性。異常的輪軌力不僅會(huì)造成軌道變形和磨損,極端條件下可能還會(huì)造成車輛失穩(wěn)引起車輛脫軌或傾覆[1]。車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括平穩(wěn)性、脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力,其中脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪軸橫向力等指標(biāo)均需要通過輪軌力計(jì)算得到。

輪軌關(guān)系中的力學(xué)問題極為復(fù)雜,輪軌型式的軌道交通列車運(yùn)行均依靠輪軌之間的接觸實(shí)現(xiàn)。輪軌間的作用力在空間上可分為輪軌垂向力、橫向力及縱向力。其中:輪軌垂向力主要由靜態(tài)自重和輪軌間動(dòng)態(tài)的沖擊力組成,靜態(tài)自重基本維持不變,輪軌間動(dòng)態(tài)的沖擊力隨線路狀態(tài)變化產(chǎn)生的沖擊變化而改變[2];輪軌橫向力和垂向力影響著列車的脫軌可能性和輪對(duì)疲勞度,還影響著軌道的變形和磨損[3]。因此,對(duì)于車輛運(yùn)行安全性的研究重點(diǎn)主要圍繞輪軌垂向力和橫向力展開。

采用測(cè)力輪對(duì)測(cè)量輪軌力的直接方法主要包括軸測(cè)法和輪測(cè)法兩種方式:軸測(cè)法是通過將應(yīng)變片粘貼在車軸的某個(gè)特定位置上來測(cè)量動(dòng)態(tài)應(yīng)變以得到輪軌力,而輪測(cè)法是通過將應(yīng)變片粘貼在車輪的輻條或輻板上來測(cè)量某個(gè)特定部位變形以得到輪軌力。目前國外典型輪軌力的測(cè)量方法[4-6]見表1。

表1 國外典型輪軌力的測(cè)量方法

軸測(cè)法因其測(cè)量點(diǎn)所在位置距被測(cè)試點(diǎn)(輪軌接觸點(diǎn))較遠(yuǎn),需對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理才能變?yōu)樾枰男畔4];輪測(cè)法因其測(cè)量點(diǎn)所在位置距被測(cè)試點(diǎn)(輪軌接觸點(diǎn))更近,雖較軸測(cè)法制作復(fù)雜,但其精度更高,測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確[5-6]。就現(xiàn)階段而言,輪測(cè)法是所有測(cè)量輪軌力方法中最直接、準(zhǔn)確的方法。

2 車輛運(yùn)行平穩(wěn)性測(cè)試方法與評(píng)價(jià)

2.1 車輛運(yùn)行穩(wěn)定性測(cè)試方法

在車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)-運(yùn)行穩(wěn)定性測(cè)試中,采用輪測(cè)法對(duì)車輛運(yùn)行安全性特征參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)力輪對(duì)的原始輪對(duì)采用與車輛同型號(hào)的曲輻板輪對(duì),測(cè)力橋路采用GB/T 5599—2019《機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》中的離散橋。在第1節(jié)車廂的1軸安裝測(cè)力輪對(duì),測(cè)力輪對(duì)的兩側(cè)軸向端部分別安裝滑環(huán)式集流裝置,通過該裝置將輪軌力信號(hào)引至車內(nèi)數(shù)據(jù)采集單元;在第1節(jié)車廂的3軸上安裝速度傳感器獲取車輛速度信號(hào)。測(cè)力輪對(duì)及速度傳感器安裝位置如圖1所示。

注:為測(cè)力輪對(duì);為裝有速度傳感器的輪對(duì)。

根據(jù)測(cè)得的輪軌垂向力和橫向力數(shù)據(jù),依據(jù)交辦運(yùn)[2019]17號(hào)《城市軌道交通初期運(yùn)營(yíng)前安全評(píng)估技術(shù)規(guī)范第1部分:地鐵和輕軌》(以下簡(jiǎn)為“交辦運(yùn)[2019]17號(hào)文”)車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)-運(yùn)行穩(wěn)定性測(cè)試,對(duì)脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力等安全性特征參數(shù)進(jìn)行評(píng)判。交辦運(yùn)[2019]17號(hào)文中相關(guān)安全性特征參數(shù)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 交辦運(yùn)[2019]17號(hào)文中相關(guān)安全性特征參數(shù)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

2.2 車輛運(yùn)行平穩(wěn)性評(píng)價(jià)

車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)-平穩(wěn)性測(cè)試參照GB/T 5599—2019的相關(guān)要求,采用振動(dòng)加速度傳感器,將其布置于第1節(jié)車廂1、2位轉(zhuǎn)向架中心偏向車體一側(cè)1 000 mm 的車內(nèi)地板上。

車輛運(yùn)行平穩(wěn)性評(píng)價(jià)依據(jù)交辦運(yùn)[2019]17號(hào)文的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。車輛運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)W見式(1),該指標(biāo)應(yīng)小于2.5。

(1)

式中:

A——振動(dòng)加速度,單位g;

f——振動(dòng)頻率,單位Hz;

F(f)——頻率修正系數(shù),見表3。

表3 頻率修正系數(shù)

3 車輛運(yùn)行平穩(wěn)性測(cè)試結(jié)果分析

本次測(cè)試選取北京某地鐵線路的三期工程,測(cè)試段線路均為地下線,設(shè)計(jì)速度為80 km/h。測(cè)試時(shí)間為2021年11月20日,處于該段線路正式開通運(yùn)營(yíng)之前。測(cè)試列車為6輛編組的3動(dòng)3拖B1型車輛,實(shí)際靜軸重約45 kN,采用ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)模式。

將與測(cè)試列車車輛同型號(hào)的原始曲輻板輪對(duì)改裝為測(cè)力輪對(duì),并對(duì)測(cè)試列車進(jìn)行運(yùn)行平穩(wěn)性測(cè)試。車輛輪軌垂向力、橫向力隨里程變化曲線如圖2—圖3所示。由圖2—圖3可見:

注:代表曲線段,代表直線段,圖3—圖7同。

圖3 車輛輪軌橫向力隨里程變化曲線

1) 在直線段車輛加、減速過程中車輛輪軌垂向力和橫向力均無明顯變化,其中輪軌垂向力基本上保持在42.5～50.0 kN范圍內(nèi),兩側(cè)輪軌垂向力平均值基本保持在46.5 kN左右,這與車輛靜軸重為45.0 kN時(shí)接近,輪軌橫向力基本保持在6.0 kN以下,說明直線段列車運(yùn)行速度對(duì)輪軌力影響較小。

2) 當(dāng)列車運(yùn)行經(jīng)過曲線段時(shí),輪軌垂向力變化較為明顯;曲線內(nèi)、外兩側(cè)輪軌垂向力變化規(guī)律基本相反,且均具有先驟變而后略微回落保持穩(wěn)定的特征。其中:曲線外側(cè)輪軌垂向力逐漸上升,最大值約為60.0 kN;曲線內(nèi)側(cè)輪軌垂向力明顯降低,最小值約為37.5 kN;曲線內(nèi)、外兩側(cè)輪軌垂向力最值均處于進(jìn)入曲線的初始區(qū)域;曲線兩側(cè)輪軌垂向力平均值在經(jīng)過曲線段時(shí)無明顯變化,仍處于車輛靜軸重45.0 kN附近。

3) 當(dāng)列車運(yùn)行經(jīng)過曲線段時(shí),輪軌橫向力變化明顯;曲線內(nèi)外兩側(cè)輪軌橫向力明顯上升且變化規(guī)律基本一致,均具有先驟變而后保持穩(wěn)定的特征。其中:曲線外側(cè)輪軌橫向力最大,約為30 kN;而曲線內(nèi)側(cè)輪軌橫向力略低于外側(cè),其最大值約為20 kN;曲線內(nèi)、外兩側(cè)輪軌橫向力最值均處于進(jìn)入曲線的最大超高區(qū)域。

圖4—圖6為車輛脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力隨里程變化曲線。由圖4—圖6可見:

圖4 車輛脫軌系數(shù)隨里程變化曲線

圖5 車輛輪重減載率隨里程變化曲線

圖6 車輛輪軸橫向力隨里程變化曲線

1) 直線段列車加、減速過程中脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪軸橫向力均未明顯變化,脫軌系數(shù)保持在0.1以內(nèi),輪重減載率保持在0.15以下,輪軸橫向力保持在3 kN以內(nèi)。這說明直線段列車運(yùn)行速度對(duì)脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪軸橫向力影響較小,即列車在設(shè)計(jì)速度內(nèi)運(yùn)行對(duì)其安全性特征參數(shù)無明顯影響。

2) 列車運(yùn)行經(jīng)過曲線段時(shí),兩側(cè)車輪脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪軸橫向力均明顯上升;曲線內(nèi)、外兩側(cè)車輛脫軌系數(shù)大小及其變化規(guī)律基本一致,且具有先驟變而后保持穩(wěn)定的特征,車輛最大脫軌系數(shù)達(dá)到0.55左右,且均位于進(jìn)入曲線段的最大超高區(qū)域。車輛輪重減載率和輪軸橫向力具有先驟變而后在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的特征,且波動(dòng)范圍均較大,其中輪重減載率波動(dòng)到達(dá)了0.15左右,輪軸橫向力波動(dòng)到達(dá)了8.0 kN左右。曲線段內(nèi)車輛輪重減載率最高達(dá)到0.45,且在進(jìn)入曲線的初始區(qū)域到達(dá)。輪軸橫向力最高可達(dá)到13.5 kN,且無明顯區(qū)域特征。由此可見,列車在整個(gè)行駛過程中脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪軸橫向力等安全性特征參數(shù)均保持在規(guī)范要求范圍內(nèi)。

圖7為列車運(yùn)行過程中W隨里程變化曲線。由圖7可見:在直線段列車加、減速過程中W存在明顯變化,隨著列車運(yùn)行速度的提升,W會(huì)迅速增大,這說明直線段列車運(yùn)行速度對(duì)平穩(wěn)性影響較大。

圖7 W隨里程變化曲線

列車運(yùn)行經(jīng)過部分曲線段時(shí),其運(yùn)行速度并非穩(wěn)定,但在K30+000—K31+000范圍內(nèi)速度基本穩(wěn)定,且在經(jīng)過曲線線路的過程中存在進(jìn)出曲線段平穩(wěn)性指標(biāo)驟變的現(xiàn)象。列車在K31+500—K32+800范圍內(nèi)速度基本穩(wěn)定,且其由曲線段進(jìn)入直線段的過程中平穩(wěn)性指標(biāo)存在驟變現(xiàn)象。由此可見,列車在整個(gè)行駛過程中平穩(wěn)性指標(biāo)均保持在規(guī)范要求范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

1) 車輛運(yùn)行安全性特征參數(shù)與線路的線型關(guān)系較大。列車通過直線段時(shí),其安全性特征參數(shù)與速度關(guān)系不大,其數(shù)值較小且較為穩(wěn)定;列車通過曲線段時(shí),其安全性特征參數(shù)均會(huì)增大,且其最大值出現(xiàn)在列車出入曲線段附近。

2) 車輛運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)與速度關(guān)系較大,隨著速度逐漸上升,車輛平穩(wěn)性指標(biāo)增加。在速度基本穩(wěn)定的前提下,車輛運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)與線型也有一定關(guān)系,且在列車進(jìn)出曲線段時(shí)會(huì)有些許突變。

3) 在北京某地鐵線路三期工程測(cè)得的脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪軸橫向力等車輛運(yùn)行安全性特征參數(shù),以及車輛運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)等車輛動(dòng)力學(xué)整體性能均滿足規(guī)范要求。