城市轨道交通车辆运行平稳性测试方法与评价*

李 朋 张胜龙 罗 鹏 杨立伟 王文斌 刘 畅

(1.北京城市快轨建设管理有限公司, 100027, 北京; 2.铁科院(北京)工程咨询有限公司, 100081, 北京;3.天津智能轨道交通研究院有限公司, 301700, 天津∥第一作者, 高级工程师)

1 城市轨道交通轮轨力测量方法

列车轮对和轨道滚动接触所产生的轮轨关系是城市轨道交通最重要的研究对象之一。轮轨力是轮轨关系的基础,轮轨力的正常与否关系到车辆行驶的安全性。异常的轮轨力不仅会造成轨道变形和磨损,极端条件下可能还会造成车辆失稳引起车辆脱轨或倾覆[1]。车辆动力学响应的评价指标主要包括平稳性、脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力,其中脱轨系数、轮重减载率及轮轴横向力等指标均需要通过轮轨力计算得到。

轮轨关系中的力学问题极为复杂,轮轨型式的轨道交通列车运行均依靠轮轨之间的接触实现。轮轨间的作用力在空间上可分为轮轨垂向力、横向力及纵向力。其中:轮轨垂向力主要由静态自重和轮轨间动态的冲击力组成,静态自重基本维持不变,轮轨间动态的冲击力随线路状态变化产生的冲击变化而改变[2];轮轨横向力和垂向力影响着列车的脱轨可能性和轮对疲劳度,还影响着轨道的变形和磨损[3]。因此,对于车辆运行安全性的研究重点主要围绕轮轨垂向力和横向力展开。

采用测力轮对测量轮轨力的直接方法主要包括轴测法和轮测法两种方式:轴测法是通过将应变片粘贴在车轴的某个特定位置上来测量动态应变以得到轮轨力,而轮测法是通过将应变片粘贴在车轮的辐条或辐板上来测量某个特定部位变形以得到轮轨力。目前国外典型轮轨力的测量方法[4-6]见表1。

表1 国外典型轮轨力的测量方法

轴测法因其测量点所在位置距被测试点(轮轨接触点)较远,需对其进行转化处理才能变为需要的信息[4];轮测法因其测量点所在位置距被测试点(轮轨接触点)更近,虽较轴测法制作复杂,但其精度更高,测量结果更准确[5-6]。就现阶段而言,轮测法是所有测量轮轨力方法中最直接、准确的方法。

2 车辆运行平稳性测试方法与评价

2.1 车辆运行稳定性测试方法

在车辆动力学响应-运行稳定性测试中,采用轮测法对车辆运行安全性特征参数进行测试。测力轮对的原始轮对采用与车辆同型号的曲辐板轮对,测力桥路采用GB/T 5599—2019《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》中的离散桥。在第1节车厢的1轴安装测力轮对,测力轮对的两侧轴向端部分别安装滑环式集流装置,通过该装置将轮轨力信号引至车内数据采集单元;在第1节车厢的3轴上安装速度传感器获取车辆速度信号。测力轮对及速度传感器安装位置如图1所示。

注:为测力轮对;为装有速度传感器的轮对。

根据测得的轮轨垂向力和横向力数据,依据交办运[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》(以下简为“交办运[2019]17号文”)车辆动力学响应-运行稳定性测试,对脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力等安全性特征参数进行评判。交办运[2019]17号文中相关安全性特征参数的评判标准见表2。

表2 交办运[2019]17号文中相关安全性特征参数的评判标准

2.2 车辆运行平稳性评价

车辆动力学响应-平稳性测试参照GB/T 5599—2019的相关要求,采用振动加速度传感器,将其布置于第1节车厢1、2位转向架中心偏向车体一侧1 000 mm 的车内地板上。

车辆运行平稳性评价依据交办运[2019]17号文的有关规定进行。车辆运行平稳性指标W见式(1),该指标应小于2.5。

(1)

式中:

A——振动加速度,单位g;

f——振动频率,单位Hz;

F(f)——频率修正系数,见表3。

表3 频率修正系数

3 车辆运行平稳性测试结果分析

本次测试选取北京某地铁线路的三期工程,测试段线路均为地下线,设计速度为80 km/h。测试时间为2021年11月20日,处于该段线路正式开通运营之前。测试列车为6辆编组的3动3拖B1型车辆,实际静轴重约45 kN,采用ATO(列车自动运行)模式。

将与测试列车车辆同型号的原始曲辐板轮对改装为测力轮对,并对测试列车进行运行平稳性测试。车辆轮轨垂向力、横向力随里程变化曲线如图2—图3所示。由图2—图3可见:

注:代表曲线段,代表直线段,图3—图7同。

图3 车辆轮轨横向力随里程变化曲线

1) 在直线段车辆加、减速过程中车辆轮轨垂向力和横向力均无明显变化,其中轮轨垂向力基本上保持在42.5～50.0 kN范围内,两侧轮轨垂向力平均值基本保持在46.5 kN左右,这与车辆静轴重为45.0 kN时接近,轮轨横向力基本保持在6.0 kN以下,说明直线段列车运行速度对轮轨力影响较小。

2) 当列车运行经过曲线段时,轮轨垂向力变化较为明显;曲线内、外两侧轮轨垂向力变化规律基本相反,且均具有先骤变而后略微回落保持稳定的特征。其中:曲线外侧轮轨垂向力逐渐上升,最大值约为60.0 kN;曲线内侧轮轨垂向力明显降低,最小值约为37.5 kN;曲线内、外两侧轮轨垂向力最值均处于进入曲线的初始区域;曲线两侧轮轨垂向力平均值在经过曲线段时无明显变化,仍处于车辆静轴重45.0 kN附近。

3) 当列车运行经过曲线段时,轮轨横向力变化明显;曲线内外两侧轮轨横向力明显上升且变化规律基本一致,均具有先骤变而后保持稳定的特征。其中:曲线外侧轮轨横向力最大,约为30 kN;而曲线内侧轮轨横向力略低于外侧,其最大值约为20 kN;曲线内、外两侧轮轨横向力最值均处于进入曲线的最大超高区域。

图4—图6为车辆脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力随里程变化曲线。由图4—图6可见:

图4 车辆脱轨系数随里程变化曲线

图5 车辆轮重减载率随里程变化曲线

图6 车辆轮轴横向力随里程变化曲线

1) 直线段列车加、减速过程中脱轨系数、轮重减载率及轮轴横向力均未明显变化,脱轨系数保持在0.1以内,轮重减载率保持在0.15以下,轮轴横向力保持在3 kN以内。这说明直线段列车运行速度对脱轨系数、轮重减载率及轮轴横向力影响较小,即列车在设计速度内运行对其安全性特征参数无明显影响。

2) 列车运行经过曲线段时,两侧车轮脱轨系数、轮重减载率及轮轴横向力均明显上升;曲线内、外两侧车辆脱轨系数大小及其变化规律基本一致,且具有先骤变而后保持稳定的特征,车辆最大脱轨系数达到0.55左右,且均位于进入曲线段的最大超高区域。车辆轮重减载率和轮轴横向力具有先骤变而后在一定范围内波动的特征,且波动范围均较大,其中轮重减载率波动到达了0.15左右,轮轴横向力波动到达了8.0 kN左右。曲线段内车辆轮重减载率最高达到0.45,且在进入曲线的初始区域到达。轮轴横向力最高可达到13.5 kN,且无明显区域特征。由此可见,列车在整个行驶过程中脱轨系数、轮重减载率及轮轴横向力等安全性特征参数均保持在规范要求范围内。

图7为列车运行过程中W随里程变化曲线。由图7可见:在直线段列车加、减速过程中W存在明显变化,随着列车运行速度的提升,W会迅速增大,这说明直线段列车运行速度对平稳性影响较大。

图7 W随里程变化曲线

列车运行经过部分曲线段时,其运行速度并非稳定,但在K30+000—K31+000范围内速度基本稳定,且在经过曲线线路的过程中存在进出曲线段平稳性指标骤变的现象。列车在K31+500—K32+800范围内速度基本稳定,且其由曲线段进入直线段的过程中平稳性指标存在骤变现象。由此可见,列车在整个行驶过程中平稳性指标均保持在规范要求范围内。

4 结语

1) 车辆运行安全性特征参数与线路的线型关系较大。列车通过直线段时,其安全性特征参数与速度关系不大,其数值较小且较为稳定;列车通过曲线段时,其安全性特征参数均会增大,且其最大值出现在列车出入曲线段附近。

2) 车辆运行平稳性指标与速度关系较大,随着速度逐渐上升,车辆平稳性指标增加。在速度基本稳定的前提下,车辆运行平稳性指标与线型也有一定关系,且在列车进出曲线段时会有些许突变。

3) 在北京某地铁线路三期工程测得的脱轨系数、轮重减载率及轮轴横向力等车辆运行安全性特征参数,以及车辆运行平稳性指标等车辆动力学整体性能均满足规范要求。