地铁小半径曲线对轨道状态及车体振动影响研究

吴晨恺　程志全

摘 要：地铁小半径曲线与车体振动、舒适度及轨道状态关系密切，文章通过对广州地铁各曲线进行长期试验研究，分析小半径曲线与轨道状态、车体振动、行车舒适度的关系以及演变规律。研究结果表明，车辆通过小半径曲线时，行车速度越大，车体横向加速度越大，乘客舒适度越差;曲线半径越小，乘客舒适度越差;通过小半径曲线与其他曲线、直线的轨道质量指数（ TQI ）对比发现，曲线的半径越小， TQI越大，轨道状态、轮轨接触关系越差。最后提出通过小曲线的速度建议。

关键词：地铁;小半径曲线;轨道状态;车体振动;舒适度

中图分类号：U211.8

0 引言

地铁作为大中城市公共交通的骨干，承担大量客运任务，随着近年地铁线网的扩张，小半径曲线在线路规划设计中运用的更为广泛。曲线、道岔、钢轨接头为线路三大薄弱环节，而小半径曲线又是曲线中危害最大、维护最难的最薄弱一环，大量的小半径曲线对于地铁的轨道养护维修、行车舒适度、车辆运行速度以及运营成本等都有很大影响。

根据广州地铁各线路晃车情况长期跟踪研究报告及乘客乘车舒适度、满意度调查发现，在列车通过小半径曲线区段，晃车和噪声现象严重。为此，本文选择广州地铁2条典型线路的小半径曲线进行试验研究，分析在地铁中以不同速度通过小半径曲线及不同半径曲线对车体振动、行车舒适度的影响，并通过小半径曲线与直线、正常半径曲线的轨道状态对比，研究小半径曲线对轨道质量和车体振动、舒适度的影响程度，为地铁运营的行车维护保养提供参考。

1 评价指标及试验方法

1.1 舒适度评价指标

行车舒适度指地铁车辆运行时产生的振动对乘客的影响，即振动舒适度或运行平稳性。我国早期舒适度采用最一般的评价指标 —— 车体振动加速度进行评价。随着研究深入，我国已编制GB 5599-85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》，并参考欧洲铁路联盟的UIC513《铁路车辆内旅客振动舒适性评价准则》进行综合评价。

根据广州地铁乘客舒适度情况反馈及长期车体振动数据分析，行车过程中主要为横向晃动，垂向加速度影响较小。因此，本文直接采用车体横向加速度作为舒适度评价指标。

1.2 轨道状态评价指标

轨道状态决定车辆运行的安全性和舒适性，而轨道几何尺寸是轨道状态的直接体现。轨道几何尺寸检测项目主要含轨距、轨向、高低、水平、三角坑5项，考虑到列车运行时对轨道几何尺寸的综合影响，本文采用轨道质量指数（TQI）指标来评价轨道动态不平顺。

根据《铁路线路修理规则》（铁运[2006]146号）规定，线路动态不平顺是指线路不平顺的动态质量反映，主要通过轨道检查车进行检测。轨道检查車对轨道动态局部不平顺（峰值管理）检查的项目为轨距、水平、高低、轨向、三角坑、车体垂向加速度和横向加速度7 项。各项管理等级划分为4级：Ⅰ级为保养标准，Ⅱ 级为舒适度标准，Ⅲ级为临时补修标准，Ⅳ级为限速标准。

轨道检查车检查线路区段整体不平顺（均值管理）的动态质量用TQI评定，TQI管理值包括左高低、右高低、左轨向、右轨向、轨距、水平、三角坑7项，《铁路线路修理规则》（铁运[2006]146号）对于V <160 km/h线路等级允许的TQI值为不超过15。

1.3 试验方法

本文采用网轨检测车对轨道状态等进行长期综合性检测，检测内容及数据包括轨道几何尺寸、车体横向加速度、车体垂向加速度、钢轨磨耗、TQI、轨道缺陷巡检等。

通过长期跟踪试验及对各项数据的深入分析，并结合所有线路小半径曲线状况、晃车地段报告，开展小半径曲线对轨道状态及车体振动的影响研究。

2 小半径曲线对车体振动、舒适度影响

2.1 不同速度下车体横向加速度

2.1.1 试验区段及条件

广州地铁3号线全长70 km，其中在支线3 km范围内存在多条小半径曲线，根据线路情况反馈，该区段轨道状态较差。因此，本节选择位于广州地铁3号线支线上行线上的小半径曲线A，曲线A半径350 m，曲线长度915 m。根据《铁路线路修理规则》（铁运[2006]146号）规定，车体横向加速度管理值Ⅰ级（保养标准）为0.06 g，Ⅱ级（舒适度标准）为0.1 g。

2.1.2 试验分析

在对轨道状态进行长期跟踪所获得的试验数据中，本节只给出2次典型试验数据分析结果，如图1、图2所示。由图1、图2分析如下：

（1）在小半径曲线上，车体横向加速度随着速度的增大而增大;横向加速度在速度为53 km/h时开始明显增大;较大的横向加速度值基本分布在速度较高的速度段上;之后横向加速度随速度非线性递增。

（2）第1次试验车体横向加速度最大值为0.083 g，第2次试验车体横向加速度最大值为0.084 g，超过保养标准，但未超过舒适度标准，满足舒适度要求。其中，较大及最大横向加速度出现在行车速度高于62 km/h时。

2.2 不同曲线半径下车体横向加速度

2.2.1 试验区段及条件

本节选择的第1条小半径曲线仍为位于广州地铁3 号线支线上行线上的半径350 m、长915 m的曲线A，选择的第2条为临近曲线A的半径1 000 m、长653 m的曲线B。

2.2.2 试验分析

同2.1.2节，在对轨道状态进行长期跟踪所获得的试验数据中，本节只给出2次典型试验数据分析结果，如图3、图4所示。由图3、图4分析如下：

（1）车体横向加速度随着曲线半径的减小而增大，曲线半径越小，对车体振动、舒适度的影响越大。

（2）第3次试验曲线A车体横向加速度最大值为0.102 g，曲线B车体横向加速度最大值为0.065 g;第 4 次试验曲线A车体横向加速度最大值为0.096 g，曲线B车体横向加速度最大值为0.066 g。

3 小半径曲线对 TQI的影响

3.1 小半径曲线与直线 TQI对比分析

3.1.1 试验区段及条件

广州地铁7号线全长38 km，其中的小半径曲线区段存在晃车现象，并且乘客乘车舒适度较差。因此，本节选择广州地铁7号线下行小半径曲线C，其半径为350m，长度为660 m，TQI统计里程为K17～K17.8，单元区段200 m;对比的直线区段D长度1000m，TQI统计里程为K18～K19，单元区段200 m。

3.1.2 试验分析

表1给出了小半径曲线C与直线D经过10次试验得到的TQI最大值及10次平均值对比分析结果，由表1可见，小半径曲线C的TQI最大值为8.7，10次TQI最大值的平均值为8.43，该区段高低最大值为6.37 mm，轨向最大值为6.56 mm;直线D的TQI最大值为5.67，10次TQI最大值的平均值为5.3，该区段高低最大值为5.22 mm，轨向最大值为5.07 mm。

图5给出了小半径曲线C和直线D的TQI分布对比，由图5可见，小半径曲线C在列车速度40～55km/h区段，TQI分布在4.4～8.7之间;直线D在列车速度55 ～75 km/h区段，TQI分布在4.4～5.7之间;小半径曲线C的TQI值明显较直线D的TQI值大，表明小半径曲线C轨道状态较直线D差，同时表现出小半径曲线C轨道状态对列车振动影响较直线D大。

3.2 小半径曲线与正常曲线TQI对比分析

3.2.1 试验区段及条件

本节选择的线路与2.2.1节相同，小半径曲线A，半径350 m、长915 m，TQI统计里程为K6～K7.4，单元区段200 m;正常半径曲线B，半径1 000 m、长653m，TQI统计里程为K1～K3，单元区段200 m。

3.2.2 试验分析

表2给出了小半径曲线A与正常半径曲线B经过10次试验得到的TQI最大值及10次平均值对比分析结果，由表2可见，小半径曲线A段TQI最大值为13.85，10 次 TQI最大值的平均值为12.97，该区段高低最大值为-7.55 mm，轨向最大值为6.96 mm;正常半径曲线B的TQI最大值为11.28，10 次TQI最大值的平均值为10.73，该区段高低最大值为-6.39 mm，轨向最大值为-6.36 mm。

图6给出了小半径曲线A和正常半径曲线B的TQI分布对比，由图6可见，小半径曲线A在列车速度35～65 km/h区段，TQI分布在5.4～13.85之间;正常半径曲线B在列车速度45～75 km/h区段，TQI分布在5.4～11.28之间;小半径曲线A的TQI值明显较正常半径曲线B的TQI值大，表明随着曲线半径减小TQI值增大，同时表现出小半径曲线A轨道状态对列车振动影响较正常半径曲线B大。

4 结论

本文选择广州地铁3号线支线和7号线为研究对象，对该线路进行长期检测跟踪试验。根据不同速度下车体振动加速度、不同曲线半径下车体振动加速度，及小半径曲线与直线、正常半径曲线的TQI对比结果，得出以下结论。

（1）在小半径曲线上，车体横向加速度随着速度的增大而增大，在速度为53 km/h时有明显增大，最大值基本集中分布在较高的速度区段上，表明列车通过小曲线时，速度越大，行车舒适度越差。

（2）在小半径曲线上，车体横向加速度随着曲线半径的减小而增大，即曲线半径越小，对舒适度的影响越大，行车舒适度越差。

（3）通过小半徑曲线与直线的TQI对比可知，小半径曲线轨道状态较直线明显较差，其轨道几何尺寸亦较大。

（4）通过小半径曲线与正常半径曲线的TQI对比可得知，随着曲线半径减小，TQI值增大，轨道状态变差，其轨道几何尺寸亦较大。

（5）根据以上结论，建议列车通过小半径曲线时，速度应控制在50km/h以下。

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收稿日期 2019-03-26

责任编辑 朱开明

Study on influence of metro small radius curve on track state and vehicle body vibration

Wu Chenkai， Cheng Zhiquan

Abstract： The small radius curve of metro is closely related to the car body vibration， riding comfort and track state. Through the long-term test and research on the curves of Guangzhou metro， this paper studies and analyzes the relationship and evolution pattern between the small radius curve and track state， car body vibration and riding comfort. The research results show that when the vehicle negotiates a small radius curve， the greater the running speed， the greater the lateral acceleration of the vehicle body， and the worse the passenger riding comfort. While the smaller the curve radius， the worse the passenger riding comfort. Through the comparison of the small radius curve with the track quality index TQI of other curves and straight lines， it is identified that the smaller the curve radius， the greater the TQI， the worse the track status and the wheel rail contact interface. It is recommended to negotiate the small radius curves at proposed speeds for different curves.

Keywords： subway， small radius curve， track state， vehicle body vibration， riding comfort

作者簡介：吴晨恺（1992—），男，硕士