地铁车辆动力学响应稳定性和平稳性测试方法

赵宗耀，罗曦春

（1.北京城建设计发展集团股份有限公司，云南昆明 650500；2.云南京建轨道交通投资建设有限公司，云南昆明 650500）

0 引言

根据交通运输部2019 年第1 号文的要求，在城市轨道交通工程初期运营前需进行安全评估工作，其中车辆动力学响应测试是安全评估工作的重点，车辆动力学响应的测试结果将作为安全评估工作的重要依据。

车辆动力学响应测试又分为运行稳定性试验和运行平稳性试验，根据设计和相关技术标准在规定速度范围内对系统功能、动态性能和系统状态进行测试，验证轨道、车辆等系统的功能或性能，检查、复验工程质量，指导轨道、车辆等相关子系统调整和优化，减少线路轮轨系统缺陷，保障新建线路运营安全性和舒适性。

1 车辆运行稳定性测试

1.1 测试内容

根据相关标准及文件要求，对车辆动力学响应—车辆运行稳定性进行测试，主要测试参数包含脱轨系数D、轮重减载率U、轮轴横向力H 等，检验其结果是否满足标准要求。

（1）脱轨系数D。车辆运行时，在线路状况、运用条件、车辆结构参数和装载等因素最不利的组合条件下可能导致车轮脱轨。评定防止车轮脱轨稳定性的指标用“脱轨系数”，为作用在车轮上的横向力Q 和作用在车轮上的垂向力P 的比值。

在整条线路区段上划分多个样本区段，每个区段的长度为200 m，使用轮轨力检测系统对每个样本区段进行检测，取每个区段的最大值作为该区段的脱轨系数值，整条线路区段的脱轨系数以散点图的方式呈现，即可评估整条线路区段的质量情况。

（2）轮重减载率U。轮重减载率定义为减载侧车轮的轮重减载量与减载和增载侧车轮的平均静轮重之比。车辆在高速运动过程中，车轮在振动过程上下运动，轮对间的轮重会发生增减变化，轮重减小一侧即使横向力很小（甚至没有），也有可能与车轮发生横向相对位移而发生脱轨，轮重减载率是判断脱轨风险的另一个指标。

轮重减载率的检测和输出方式与脱轨系数相同，都可以评价车载在轨道上运行的稳定性。

（3）轮轴横向力H。轮轴横向力为左右两侧轮轨横向力的矢量和，用于评定车辆在运行过程中是否会因为过大的横向力而导致轨距扩宽或线路出现严重变形等。轮轴横向力的大小与轨道的几何尺寸状态有密切关系。

1.2 测试方法及设备安装方式

在Tc 车上安装一条测力轮对。采用测力轮对方法，需对轴端和辐板进行加工，轮对与采集系统之间信号传输通过集流环完成（图1、图2）。

图1 测力轮对

图2 测试结构示意

测力轮对需要进行测力标定。根据GB 5599—1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》和TB/T 2360—1993《铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准》中的间断测试标准。在标定台上，利用仿轨面加力头，在车轮踏面范围，依次施加垂向与横向力，统计测试结果，得到测力轮对的垂向力比例系数为Kpp、垂向力对横向力桥的干扰系数为Kqp、横向力比例系数为Kqq、横向力对垂向力桥的干扰系数为Kpq，代入实测系数间断点的计算方程，实现测试信号与轮轨接触力的换算方法。

如图3 所示，两条测力轮对分别换装在被试车辆Tc 和Mp的1 位轴位置，用于轮轨力的测量。

图3 测力轮对位置

1.3 判定标准

车辆运行稳定性评判标准见表1。

表1 车辆运行稳定性评判标准

2 车辆运行平稳性测试

2.1 测试内容

测试车辆运行平稳性指标及转向架构架、轴箱振动加速度，检验评估其指标是否符合标准的要求，验证轨道状态能否满足乘客乘坐舒适性要求。

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使用加速度传感器对车辆运行平稳性进行检测，将线路总区段按每200 m 进行划分，划分为一个个的样本检测区段，计算出平稳性指标，以散点图或数据表的形式输出样本报表，并可根据里程准确定位。

2.2 测试方法及设备安装方式

按照GB 5599—2019《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》，分别在电客车的Tc 和Mp 车转向架上方一侧1 m 的车体地板面上安装共计4 只两相加速度传感器，具体安装位置如图4 所示。

图4 加速度传感器安装位置

2.3 判定标准

垂向及横向平稳性指标（W）按分类如下：

车辆悬挂系统正常下平稳性指标规定为：新造车（经5×103～8×103km 运用）运行平稳性指标W<2.5。

车辆平稳性指标按以下公式计算：

式中 W——平稳性指标

A——振动加速度，g

f——振动频率，Hz

F（f）——频率修正系数（表2）

表2 频率修正系数

3 测试条件

（1）线路工程（包括线路、路基、隧道、桥梁、轨道等）、检测车辆、供电、接触网、通信、信号、环境保护等系统的工程及其配套工程（包括外部配套工程及设备安装）已按设计文件建成，承包商或集成商对工程质量和系统功能自检合格，具备运营车上线条件。

（2）试验列车能提供机车数据（速度、里程等），用于试验设备检测定位。

（3）试验设备安装完成，完成动静态通电通信测试，达到预期调试效果，具备上线正式试验条件。

4 测试案例

使用本文的测试方法对昆明某地铁线路上行进行了测试，该线路刚进行过初期运营前安全评估，通过了运行稳定性和平稳性测试。在被试车辆处于空车（AW0）载荷下、正常状态下，在线路最高限速条件下进行试验。被试车辆运行稳定性和平稳性指标最大值以及最大值出现时的速度见表3、表4。

表3 运行稳定性指标测试结果

表4 运行平稳性指标测试结果

由以上数据可知，运行稳定性和平稳性指标满足评定标准要求，且与初期运营前安全评估时的数据基本一致。

5 结论

根据测试结果，所测试验段车辆运行稳定性和平稳性指标符合交办运［2019］17 号《城市轨道交通初期运营前安全评估技术规范 第1 部分：地铁和轻轨》要求，且测试数据与初期运营前安全评估时的数据基本一致，所以该方法能有效测试地铁车辆运行稳定性和平稳性，并作为城市轨道交通初期运营前安全评估的依据。