探讨地铁车辆在轨道不平顺状态下的运行性能

【摘要】地铁车辆在轨道不平顺的状态下会在瞬间产生强烈的振动、摇摆等不良响应，在以直线感应电机为驱动电机的地铁车辆架构之中，途径线路的随意型不平顺、高低不平顺、交点及隆起不平顺等状态，会造成地铁车辆的动力性能发生较大的改变，大幅降低地铁车辆的运行稳定性。

【关键词】地铁车辆；轨道；不平顺；运行性能

一、直线电机地铁车辆及轨道不平顺概述

直线电机地铁车辆以扁平结构的感应电机为驱动，其转向架结构采用架悬挂式、轴悬式和副构架式，它们表现出不同的特性，各有利弊。總体来说，直线电机地铁车辆的优势性能体现于以下方面：（1）良好的动力性能。直线电机地铁车辆以直线感应电动机为牵引驱动，轮轨与电机间的垂向间隙处于1.0-1.2cm时可以较好地保证地铁车辆的平稳运行。（2）实现径向转向架。直线电机地铁车辆通过柔性定位的方式，缩减转向架的轴距，降低径向转向架的横向刚度，增强地铁车辆的曲线通过能力，确保地铁车辆运行的稳定性。（3）降低振动及噪声干扰。直线电机地铁车辆中没有齿轮箱，有效减少和降低过曲线时轮轨的齿合振动及噪音。（4）良好稳定的运行适应性。直线电机地铁车辆采用非粘着驱动方式，以直线电机替代旋转电机，能够良好地适应爬坡、加减速、曲线通过等不同状态，具有极高的线路自由选择度，体现出良好的运行适应性。

轨道不平顺主要是钢轨与轨道板在纵横方向的振动变形状态，如：垂直方向的位移、弯曲、翘曲等变形。其中：（1）轨道垂向不平顺由轨面磨耗不均匀、接头不平、路基及道床弹性不均而生成，引发地铁车辆的垂向振动。（2）轨道水平不平顺。这是由车辆左右两轨的高差而引发的，导致地铁车辆出现侧滚的问题。（3）轨道方向不平顺。轨道铺设时的初始弯曲、养护使用的累积弯曲会导致轨道方向的不平顺，引发地铁车辆出现横向摇摆或侧滚振动。（4）轨距不平顺。这是由左右两轨的方向不平顺而导致的，极大地影响了轮轨磨耗和运行稳定性。

二、地铁车辆在轨道不平顺状态下的运行性能分析

（一）地铁车辆的动力学参数分析

直线电机地铁车辆转向架在传统轴箱轴承之中，新增两个轴承及箱体，实现直线电机的纵横向定位以及电机相对轮对应的垂向定位。其动力模型的主要内容包括以下方面：（1）轴箱定位。直线电机地铁车辆轴箱两侧有一个橡胶金属件，用于保证轮对的纵横向定位刚度和垂向支承刚度。同时，在轴箱的正上方还有一个用于支承直线电机的均衡梁。（2）直线电机的悬挂定位。地铁车辆的直线电机与架构之间设置具有一定长度的横向牵引支承杆，悬吊于转向架的前后两根均衡梁上。（3）地铁车辆的磁轨关系。直根据地铁车辆承受直线电机作用力的不同，会产生不同的磁轨关系，直线电机与反力板之间会生成牵引力、垂向力和横向力，其垂向电磁力并非处于均布荷载状态，当磁轨气隙发生变化时会发生变化，一般来说，直线电机与反力板之间的垂向电磁力与磁轨气隙成反比例关系，可以通过二次曲线进行拟和，获取相关函数。（4）地铁车辆的轮轨关系。地铁车辆子系统与轨道子系统在几何相容条件和力平衡条件下进行耦合，在充分考虑钢轨的垂向和横向位移的条件下，利用迭代计算法获取轮轨空间接触几何关系。

（二）地铁车辆在轨道局部不平顺状态下的运行性能分析

1.随机不平顺状态下的车辆运行性能分析

轨道随机不平顺状态下的地铁车辆会产生振动响应，并主要表现为车轮和轨道共同变形的耦合振动现象。当车轮与轨道共同变形的耦合振动处于中频段的不平顺状态时，会产生极大的轮轨垂向力；当车轮与轨道共同变形的耦合振动处于低频段的不平顺状态时，会产生极大的轮轨横向力。

2.高低不平顺状态下的车辆运行性能分析

当地铁车辆运行速度为90km/h、幅值低于1.0cm的条件下，车辆垂向振动加速度、轮轨垂向力都会发生较大的改变，并在不平顺幅值增大的条件下相应增大。

3.交点及隆起不平顺状态下的车辆运行性能分析

交点型轨道局部不平顺、隆起型不平顺对地铁车辆带来极大的轮轨横向力的瞬时响应，当地铁车辆以50-80km/h的运行速度时，交点型轨道、隆起型轨道局部不平顺尖峰附近的轮轨横向力、垂向力最大。同时，在交点不平顺、隆起型轨道局部不平顺的状态下，随着地铁车辆运行速度的增大，车辆的脱轨系数、轮重减载率、横向振动加速度、垂向振动加速度也越大。

三、结语

综上所述，地铁车辆在轨道不平顺的状态下获得车辆振动的外部激励，引发地铁车辆强烈的瞬时振动和响应，要全面分析和把握地铁车辆的动力学相关模型和参数，获悉轨道局部不平顺状态下的运行响应特性，分析地铁车辆在速度逐渐增大条件下的动力学响应参数及运行性能。未来还要着眼于对其他不同的局部轨道不平顺现象进行分析，并将研究视角拓宽到轨道不平顺对地铁车辆的敏感频率、不利波长的影响，充分考虑直线电机法向力、启动牵引及制动工况下的运行动力学性能。

参考文献

[1]白雪.踏面形状对地铁车辆动力学性能及轮轨磨耗影响研究[D].成都：西南交通大学，2015.

[2]邱国栋.基于轨道随机不平顺的列车振动响应研究[D].广州：华南理工大学，2014.

作者简介：张东辉（1989.02—），男，汉族，江苏盐城人，本科，研究方向：地铁生产制造。