基于轨道不平顺地铁车辆动力学分析

基于轨道不平顺地铁车辆动力学分析

王曌

王曌南京地铁运营责任有限公司江苏南京210012

摘要：轨道不平顺是使车辆产生振动的一个主要的外部激励，轨道局部不平顺则会引起车辆产生强烈的瞬时振动。在车辆的动力学仿真计算中，轨道激励是车辆系统不可或缺的外部激励。

关键词：地铁车辆；轨道不平顺；动力学性能

1轨道不平顺概述

轨道不平顺是指铁路轨道的轨面磨耗和轨道的几何形状发生了改变，而使轨道处在不平顺的状态，一般是由于列车运行中车轮与线路轨道的之间相互作用引起的。轨道不平顺一般分为四类：钢轨顶面沿轨道纵向高低不平的轨道垂向不平顺、钢轨顶面沿轨道的左右两轨对应点的高低不平的轨道水平不平顺、钢轨横向沿轨道纵向的凹凸不平的轨道横向不平顺以及左右两轨横向间距沿轨道纵向的距离偏差的轨距不平顺。轨道不平顺对列车的平稳性、舒适性和安全性都有很重要的影响，它是引起列车振动、轮轨间作用力增大的主要原因，也是轨道方面直接限制列车速度的主要因素。

轨道随机不平顺由于其形成的因素众多，往往表现出随机性。在线路的特定结构处或偶然地点（如线路局部病害处）产生的轨道几何参数的偏差称为轨道局部不平顺。局部不平顺对机车车辆运行的安全有重大影响，机车车辆行经单个轨道局部不平顺会引起机车车辆产生强烈的瞬时振动；机车车辆行经连续出现好几个局部不平顺时，在不利的场合下，激励的频率有可能接近机车车辆的共振频率而激起大的振动。某些局部位置的轨道不平顺，或幅值较大，或形状特殊。这些突出的局部不平顺往往引起很大的车辆响应，造成车体异响、轮对踏面磨耗异常等故障。

2列车牵引电机的悬挂与定位

列车牵引电机的安装需要通过五根垂向吊杆吊挂在一个转向架的前后两根均衡梁上，同时为了限制直线电机的横向摆动，在电机与构架间又设置了两根横向支承杆，为传递牵引力在直线电机中轴线位置设置了一根具有一定长度的牵引拉杆，使得牵引力可以从电机直接传递到构架。车下各类设备、箱体在安装过程中要仿照牵引电机的悬挂与定位方法进行设计安装，通过车辆动力学分析保证车辆平稳性、稳定性。

3车辆动力学性能的评价方法

车辆动力学性能的主要涉及两个方面，即直线工况特性和曲线工况特性。本文的动力学性能评价指标按照GB5599．85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》和GB／T14894．2005《城市轨道交通车辆组装后的检查与试验规则》的相关规定。

在车辆动力学计算中，主要包括稳定性，平稳性以及曲线通过性的计算。

1．平稳性：涉及旅客乘坐舒适性，评价指标有Sperling指标、车体振动加速度等。

2．稳定性：即为安全性，涉及蛇行运动稳定性、脱轨稳定性和车辆倾覆稳定性。

3.曲线通过性：涉及脱轨稳定性、车辆倾覆稳定性、磨耗性能。

稳定性和曲线通过性涉及的指标有：临界速度、脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力、轮轴横向力、磨耗指数。

3．1稳定性和曲线通过性能指标

稳定性即安全性，是列车安全运行的主要问题之一，车辆运行稳定性主要涉及的是车辆是否会出现脱轨和倾覆现象，一般我国车辆部门主要采用脱轨系数和轮重减载率两项指标。而曲线通过性能的好坏同样直接影响着车辆的行车安全。脱轨系数的数学表达式就是根据测量或计算得到的轮轨力，选用横向力与垂向力同时法神的数值，来计算两者的比值。用于评定车辆在轮轨横向力的作用下车轮轮缘是否会爬上轨头而发生脱轨现象。

4非线性运动稳定性分析

车辆的非线性运动稳定性一般就是计算车辆的非线性临界速度，它由车辆自身的结构决定而不取决于线路的激励。如果假定车辆导向轮对有一个5ram的初始横移量，并且以一段长为50m的美国5级轨道不平顺时域谱作为激扰，然后车辆以一个很高的速度在线路上运行，如果轮对的横移量不收敛，说明车辆在这一速度下是不稳定的；降低车辆的运行速度并且观察车辆各轮对的收敛情况，如果轮对的振动在某一速度以下能够完全收敛，则就可将此速度视为非线性临界速度。以第一轮对为例，按上述计算车辆在不同速度下的振动收敛情况如图4-1所示。

图4-1直线电机车辆非线性临界速度计算

从图4-1可以看到：当车辆的运行速度为140km／h时，第一轮对的横移量是收敛的；而当速度为160km／h时不收敛。因此我们可以判断车辆的非线性临界速度在这两者之间，再进一步的计算则得到其非线性临界速度。

4．1直线轨道上车辆运行平稳性分析

车辆运行的平稳性分析包括有：车辆横向平稳性分析、车辆垂向平稳性分析。仿真计算了速度在50km／h～100km／h（增量为l0km／h）范围内，美国5级线路谱和美国6级线路谱的直线线路的平稳性指标。

4．2车辆垂向平稳性分析

车辆垂向平稳性分析的计算指标包括有：车辆前端和后端垂向平稳性指标、车辆前端和后端的垂向加速度。

根据GB5599—85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》的规定可知：

（1）车辆在50km／h-100km／h（增量为10km／h）速度范围内运行中，车辆的垂向平稳性指标是随着车辆运行速度的提高而变大；

（2）车辆在美国6级谱上运行的垂向平稳性要优于车辆在美国5级谱上运行的垂向平稳性；

（3）车辆在美国6级轨道上运行时，车辆垂向平稳性指标均小于2．50，平稳性等级均达到了优秀；

（4）车辆在美国5级轨道上运行且当速度达到100km／h时，车辆前端的横向平稳性指标为3.02，略微超过了合格限值3.00；车辆在其他速度运行下，等级均在合格及以上。

交点型轨道局部不平顺会引起轮轨横向力强烈的瞬时响应，在50km／h～80l（n讹（增量为l0km／h）速度范围内，车辆以一确定速度运行时，轮轨横向力的最大值出现在交点型轨道局部不平顺的尖峰附近，车辆运行速度越高，轮轨横向力的最大值越大；所以在相同速度下，轮轨横向力随着交点型轨道局部不平顺的波数增加而变大，且都大于只含有随机不平顺情况。

5结束语

连续多波轨道局部不平顺较单波情况下对车辆运行的舒适度有很大的影响，并且会增大了轮轨间的作用力，影响车辆的动力学性能。因此，在车辆的运行中必须严格控制局部连续不平顺的波数。

参考文献：

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[5]邓飞，城市高架桥主导下的开放空间设计初探[D]，华中农业大学，2008

作者简介：

刘红，女，城市规划与设计专业，硕士，上海昊瀚建筑规划设计有限公司