悬挂式单轨列车与轨道梁桥系统动力性能试验研究

何庆烈，蔡成标，翟婉明，朱胜阳，王明昃

(西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031)

面对我国大城市日益严峻的地面交通拥堵问题，大力发展城市轨道交通是缓解城市拥堵的最有效的手段[1-2]。相比传统的地铁、轻轨等轨道交通形式，悬挂式单轨交通系统能满足短距离和中小客流量的运输任务，并且具有爬坡能力强、曲线通过半径小、低成本、低噪声、建设周期短、占地面积少等优点。因此，悬挂式单轨交通系统不仅能作为大城市轨道交通的一个补充，也与地铁、轻轨、汽车等交通工具共同构建成为地下、地面、空中的立体化交通网络。

列车与桥梁动力相互作用问题日益受到重视，一方面列车对桥梁会产生动力冲击作用，直接影响桥梁的工作状态和疲劳损伤，另一方面桥梁振动会对车辆运行安全性和舒适性产生影响。因此，桥梁结构参数和车辆动力设计参数匹配与否直接影响车桥动力相互作用。当前，国内外在研究车桥耦合振动特性时，均采用理论分析和现场试验相结合的方法[3-6]。与传统铁路轮轨交通系统相比，悬挂式单轨交通车辆和轨道梁桥均为新型结构体系，其轮轨关系完全不同，铺设线路条件及列车运动状态控制也有较大差别。国内外学者对悬挂式单轨系统及其车桥动力学问题展开了研究工作。文献[7]综述了德国多特蒙德空轨系统的组成、运行方式和主要特点。文献[8-9]建立了悬挂式单轨车辆的4自由度模型，通过频响分析和数值仿真研究了车体在直线上受到周期性轨道激励下的动态响应，研究认为当激励频率高于系统固有频率时抗横摆阻尼采用无阻尼方式更优。文献[10-11]简述了悬挂式单轨的发展历程，总结悬挂式单轨车的技术特点，并对比跨坐式单轨，分析了悬挂式单轨的优缺点，展望了悬挂式单轨交通在我国的应用前景。文献[12-13]分别借鉴德国杜塞尔多夫机场线及日本千叶线悬挂式单轨系统车辆、轨道梁桥的结构特点和技术参数，参考我国城市轨道交通、铁路桥梁及桥梁钢结构等设计规范，尝试设计了悬挂式单轨轨道梁桥截面结构，并提出了轨道梁桥结构的优化方法。文献[14-15]基于ADAMS软件从车辆通过直线型轨道梁桥和曲线型轨道梁桥两个方面，分析了侧风对悬挂式单轨车辆运行平稳性和安全性的影响，并制定了侧风情况下车辆运行规则。文献[16-17]对悬挂单轨交通限界计算方法进行了研究，分别以偏移量方法和动力学仿真方法对悬挂式单轨交通和车辆限界进行了计算分析。文献[18]以日本千叶线为参考建立了悬挂式单轨桥梁模型，利用有限元软件ANSYS获取桥梁结构的质量、刚度、模态及外形等信息，并将桥梁有限元模型导入到多体动力学软件SIMPACK中，实现了车桥联合动力仿真分析，研究了行车速度、轨道不平顺和列车编组等因素对车辆和桥梁动力响应的影响。文献[19-23]基于传统多刚体动力学软件，建立了悬挂式单轨列车动力学模型，系统研究了悬挂式单轨列车系统的动力特性，同时揭示了车辆结构参数、悬挂参数、超高以及导向轮预压力等重要参数对列车运行稳定性、安全性和舒适性的影响规律。

目前国内对悬挂式单轨交通系统以理论研究为主，且均为跟踪研究，即以德国或日本的车辆及轨道梁桥为原型开展研究工作，由于没有实际线路和运营车辆，理论研究成果无法得到试验验证。为了掌握悬挂式单轨系统的动力性能，并为悬挂式单轨列车和轨道梁桥的科学设计、运营管理、养护维修以及相关标准的制定提供基础数据，西南交通大学与中唐空铁集团有限公司合作，在悬挂式单轨试验线进行了行车动力学试验研究。

1 试验线概况

悬挂式单轨试验线由中唐空铁集团有限公司投资兴建。线路采用U形布置，设车站一座，道岔1处，静调库1处，出入库线通过道岔与正线连接。试验线全长1.41 km，轨道梁和桥墩均采用钢结构，单线桥墩为倒L形，双线桥墩为Y形，基础采用钻孔灌注桩。试验线最小曲线半径30 m，最大坡度60‰，最高运行速度60 km/h。在试验线上可以完成列车加减速、小曲线通过性能、爬坡能力、过岔能力、应急救援等试验，并且试验线技术指标完全适用于以后的实际商业运营线。图1为试验线场址，其桥梁标准跨距为25 m，轨道梁横截面尺寸为0.780 m×1.100 m，轨道梁加强筋间距为1.6 m，桥墩高度为10.8 m。

图1 悬挂式单轨试验线

2 测试方法和测点布置

现场动力试验包括桥梁自振特性的测试和列车在不同速度运行条件下的车桥动力测试。

2.1 桥梁模态测试

桥梁自振特性采用德国m+p国际公司VibRunner数据采集与分析系统进行测试。其具体测试方式为，沿桥梁纵向布置好信号采集点和激振点，采用锤击法给桥梁提供外界激励，通过各激振点位置和信号采集点位置的传递函数，最终得到桥梁结构的自振频率和阻尼比等参数。

2.2 桥梁动力测试

桥梁的动力测试主要包括桥梁位移和振动加速度。图2为试验梁跨的测点布置位置，其动态位移和加速度测试点均布置于墩顶截面和桥梁跨中截面。其中桥梁位移测试采用免标靶桥梁挠度仪，该挠度仪是一个非接触式测量挠度的电子设备，装备有一个高清摄像机来捕捉测试目标点的实时动态位移，该测试装置可以单点或多点同时测量，并且可同时测试目标点垂向和横向的动态位移。试验梁跨动态位移目标点分别设置在墩顶位置和桥梁跨中截面外表面，在正常测试工况下，桥梁动态位移精确度可达0.02 mm，最高采样频率为117 Hz。桥梁加速度测点布置于墩顶上表面和跨中走行轨面下表面，加速度测量采用美国DYTRAN公司的3273A2型三向加速度传感器，可同时测试测点垂向、横向以及纵向的振动加速度信号，其量程为50g，灵敏度为105 mV/g。

图2 桥梁测点布置(单位：mm)

2.3 车辆振动测试

试验列车为中车南京浦镇有限公司自行设计研发的基于锂电池驱动的悬挂式单轨列车。列车采用两节车编组形式(2节均为动车)，在单节车辆中，两个转向架之间安装有一辆电池小车为列车提供动力，运行最高速度60 km/h，其主要参数见表1。在桥梁动力测试中，列车运行速度范围为0～60 km/h，列车工况分别为空车和超载两种工况。

表1 试验列车主要技术参数

车辆垂向和横向振动加速度测量采用三向加速度传感器，并参照铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范[24]，测点布置于车体两侧地板面上，距转向架中心1 m。

3 测试结果与分析

3.1 桥梁自振特性

为了研究悬挂式单轨桥梁的自振特性，基于有限元ANSYS软件，建立桥梁有限元模型，通过模态分析，得到桥梁垂向和横向的前2阶自振频率，并利用实测结果进行了验证。鉴于悬挂式单轨桥梁由钢板焊接而成，有限元模型中采用SHELL181壳单元模拟桥梁，轨道梁与桥墩间采用简支约束，桥墩底部固定约束。图3～图6仅给出了桥梁的垂向一阶和横向一阶振型的计算结果和实测结果，轨道梁前两阶模态的具体计算结果见表2。

图3 桥梁垂向一阶模态仿真结果

图4 桥梁横向一阶模态仿真结果

图5 桥梁垂向一阶模态振型实测结果

图6 桥梁横向一阶模态振型

模态振型计算值/Hz实测值/Hz阻尼比实测值箱梁垂向一阶弯曲5.365.600.017箱梁横向一阶弯曲2.332.270.020箱梁垂向二阶弯曲14.8815.19—箱梁横向二阶弯曲9.269.55—桥墩纵向一阶弯曲2.88——桥墩横向一阶弯曲3.60——

由表2可知，桥梁垂向和横向一阶自振频率的实测值分别为5.60和2.27 Hz，桥梁前两阶自振频率计算值与实测值基本相符，由于轨道梁下部开口，其横向基频小于传统铁路桥梁检定规范通用限值。实测桥跨结构垂向和横向一阶阻尼比为0.017和0.020，基本符合钢桥结构实际情况。

3.2 桥梁动力响应

3.2.1 桥梁结构动态位移

图7、图8给出了列车空载并以速度50 km/h通过桥梁时，跨中和墩顶的垂向与横向动态位移的时程曲线。

图7 桥梁跨中动态位移时程曲线

图8 墩顶动态位移时程曲线

为了进一步揭示行车速度对桥梁动态位移的影响，测试列车空载并以不同速度通过桥梁时，桥梁的动态位移随行车速度变化规律，结果如图9、图10所示。此外，将列车超载并以不同速度通过桥梁时的桥梁位移测试结果汇总于表3。

图9 桥梁跨中位移与车速关系

图10 墩顶位移与车速关系

速度/(km·h-1)桥梁位移桥梁加速度跨中位移/mm墩顶位移/mm垂向横向垂向横向冲击系数跨中加速度/g墩顶加速度/g垂向横向垂向横向1026.517.714.728.61.040.0750.0300.0630.0472026.617.514.729.31.040.0980.0370.0460.0523026.317.615.130.11.030.1450.0780.0730.0774027.617.215.329.61.080.1780.0960.0820.0815027.217.915.629.91.070.1900.0910.1430.101

由图9、图10和表3可知，随着行车速度的增加，桥梁跨中和墩顶的动态位移变化不明显，表明列车对桥梁的动力冲击作用受速度影响较小。列车超载工况下的桥梁动态位移也有类似规律。

此外，各种工况下，桥梁跨中截面最大垂向位移和横向位移幅值分别为27.6和17.9 mm，桥墩最大垂向位移和横向位移幅值分别为15.6 mm和30.1mm。经计算分析可知，所有测试工况下，桥梁结构挠跨比小于1/1 100，动力冲击系数小于1.10，桥梁梁端最大竖向和水平转角分别约1.8‰和1‰。以上动力指标均满足铁路桥梁检定规范相关限值要求[25]，表明试验线桥梁具有足够的垂向刚度。桥梁墩顶横向位移明显大于其垂向位移，这可能是由于桥墩高度较高，且为空心截面，导致其横向弯曲较大。此外，悬挂式单轨列车对桥梁的动力冲击系数较小，这可能是由于空载列车行车速度相对较低，并且采用橡胶轮走行，从而降低了对桥梁的动力冲击。

3.2.2 桥梁振动加速度

图11～图13给出了列车空载以50 km/h速度通过桥梁时，桥梁跨中振动加速度时程曲线以及空载列车以不同速度通过轨道梁时的桥梁跨中加速度测试结果。另外，将超载列车作用下的桥梁加速度测试结果列于表3中。

图11 桥梁跨中垂向加速度

图12 桥梁跨中横向加速度

图13 桥梁跨中加速度与车速关系

由图11～图13和表3可知，桥梁跨中垂向和横向加速度均随着行车速度增加而逐渐增大。此外，除个别行车速度外，列车在超载工况下的桥梁跨中垂向加速度和横向加速度较列车空载工况下大，表明超载列车对桥梁的动力作用更大。在所有测试工况中，桥梁跨中最大垂向和横向加速度分别为0.19g和0.11g，满足文献[25]相关限值，表明试验线桥梁动力性能满足行车要求。

3.3 车辆振动加速度

列车空载以40 km/h通过直线桥梁时，列车垂向和横向加速度时程曲线如图14、图15所示。

图14 车体垂向加速度时程曲线

图15 车体横向加速度时程曲线

为了分析车速对车体振动特性的影响，图16、图17分别给出了车体振动加速度和Sperling平稳性指标随行车速度的变化规律。各工况具体测试结果见表4。

图16 车体振动加速度与车速关系

图17 车体平稳性指标随行车速度变化规律

运行速度/(km·h-1)车体振动加速度/g垂向横向Sperling指标垂向横向100.0410.0381.351.48200.0820.0761.812.10300.1120.1002.012.25400.1410.1312.122.30500.1820.1442.302.48600.2000.1782.702.74

由图16可知，车体垂向加速度和横向加速均随着行车速度的增加而增大，在列车60 km/h时车体垂向和横向加速度达到最大值，分别为0.200g和0.178g。

由图17可知，列车垂向平稳性和横向平稳性指标均随着行车速度的增加而增大，表明列车平稳性随着车速增加而逐渐降低。在每个速度工况下，悬挂式单轨列车横向平稳性较垂向平稳性差，这可能是由悬挂式单轨列车系统特殊的结构形式造成的。

由表4可知，当列车速度为60 km/h时，车体垂向和横向平稳性Sperling指标最大值分别为2.70和2.74，两者均小于2.75；当列车速度在0～50 km/h范围运行时，列车垂向和横向平稳性Sperling指标均小于2.5。结果表明，悬挂式单轨列车运行平稳性优良。

4 结论

针对我国第一条悬挂式单轨交通试验线进行不同工况的行车动力学试验，得到以下结论：

(1)试验线轨道梁桥垂向和横向一阶自振频率分别为5.60、2.27 Hz，满足行车对桥梁的刚度要求。

(2)轨道梁桥垂、横动态位移随着行车速度的增加而无明显变化，表明列车动载荷对桥梁结构的动力冲击作用受车速影响较小。在所有测试工况中，轨道梁桥动力冲击系数小于1.1，挠跨比小于1/1 100，梁端垂向和横向转角分别小于1.8‰和1‰。

(3)轨道梁桥振动加速度有随着车速增加而逐渐增大的趋势，其中轨道梁桥跨中垂向和横向加速度最大值分别为0.19g和0.11g，满足铁路桥梁相关规范限制要求。

(4)列车速度在0～50 km/h时，列车垂向和横向平稳性指标均小于2.5，列车速度为60 km/h时，列车垂向和横向平稳性指标均小于2.75，表明运行列车具有优良的平稳性。

悬挂式单轨交通试验线开展行车动力学试验在国内尚属首次，动力性能试验评定缺乏相关规范，本文研究成果可为悬挂式单轨系统研究提供一定的参考。并有利于进一步在国内推广应用该交通制式。