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        單軌交通平曲線超高變化對行車的影響分析

        2010-11-06 05:38:38吳波王春萱李木子
        重慶建筑 2010年2期
        關(guān)鍵詞:平穩(wěn)性車體行車

        吳波,王春萱,李木子

        (1重慶市建設(shè)委員會 重慶 400014 2重慶交通大學 重慶 400074)

        1 引言

        超高是一般設(shè)置在平曲線段上,用以為車輛轉(zhuǎn)彎提供向心力的線形結(jié)構(gòu)物。在單軌交通線路系統(tǒng)中,由于單軌系統(tǒng)特點,對軌道線路的要求指標比地鐵系統(tǒng)相對要低很多,因而展線更加靈活,所采用的超高較大、緩和曲線較短、曲線半徑可以更小?;谶@些特點,列車在曲線超高路段運行時,線路超高變化對列車的影響也更加突出。

        2 軌道線路超高的設(shè)置

        軌道線路的超高設(shè)置,主要是為實現(xiàn)車輛自身重力的分力提供轉(zhuǎn)向的向心力。根據(jù)牛頓力學理論,車輛在彎道某點處行駛時,所需要的向心力為:F向=mv2/R。而設(shè)置超高所能夠提供的向心力為:

        F=mgsina。F=mgsin0,明顯地,只要讓F=F向,即可實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向的向心力完全由其自身重力的分力來提供,即需:mgsina=mv2/R,從而

        sina=v/Rg=v2/9.8R。當a<0.25時,a≈sina≈tana,即得 a sina tana=V2/127R=h/L,從而 h=V2L/127R

        其中,V——行車速度,單位km/h;

        R——曲線半徑,單位m;

        L——曲線長度,單位mm。

        上述情況是基于車輛運行過程中重力完全提供向心力時的超高設(shè)計,此時運行速度須與設(shè)計速度相等,這樣既保證了重力提供向心力,又提高了行車的平穩(wěn)性和乘客的舒適性。但在實際應(yīng)用中,車輛在彎道上行駛時,速度是不盡相同的。從行車便于控制的安全角度出發(fā),h在取值時不宜過大。

        3 超高時變率

        列車在曲線軌道上行駛過程中,因線路超高變化而在橫斷面上發(fā)生傾斜轉(zhuǎn)動,超高時變率即是對車體旋轉(zhuǎn)角速度的描述。單軌列車在軌道梁上行走時,由于曲線上超高及其過渡變化的存在,列車縱向的行駛將使車體在橫斷面上產(chǎn)生繞底部中心旋轉(zhuǎn)的角速度,即超高時變率(ω),如圖1。明顯地,行車速度的高低直接決定著車體旋轉(zhuǎn)的快慢。直觀地講,在一段距離內(nèi)列車速度越快,車輛圍繞軌道梁中心發(fā)生的旋轉(zhuǎn)也越明顯,即發(fā)生傾斜的角速度也越大。

        圖1 運行過程中車體隨PC梁形的變化而旋轉(zhuǎn)示意簡圖

        對于跨座式單軌系統(tǒng)而言,單軌車輛的寬度要遠大于PC軌道梁的寬度。因而即使梁頂面與車體具有相同的旋轉(zhuǎn)角速度,但由于旋轉(zhuǎn)半徑的差別較大,車體在兩側(cè)的起伏比較明顯,對乘客的作用也較突出,從而直接影響到乘車舒適性和安全性。

        4 超高時變率影響因素與計算分析

        從超高時變率的概念中可知,超高時變率ω是在行車過程中發(fā)生的,反映的是車體在軌道上行駛時旋轉(zhuǎn)的快慢。它與行車速度υ、曲線內(nèi)超高的變化情況α及曲線長度l有關(guān)。

        其中,α——曲線內(nèi)超高的變化情況,由于超高變化多是在緩和曲線段內(nèi)完成的,故:α=i1-i2,其中,i1,i2為所截取的緩和曲線段首尾的超高率;

        v——行車速度,單位m/s;

        l——所截取的緩和曲線段長度,單位m;

        ω——超高時變率,單位rad/s。

        將式(1)進行單位上的轉(zhuǎn)化,得:

        其中,L——所截取的緩和曲線段長度,單位km;

        于是相應(yīng)地,可以得到超高時變率的平均轉(zhuǎn)動加速度為

        超高時變率反映的是車體圍繞軌道梁發(fā)生轉(zhuǎn)動的情況,故而與行車平穩(wěn)性緊密相關(guān)。同時由于轉(zhuǎn)動加速度的作用,也對乘車舒適性產(chǎn)生直接的影響,而且這種影響隨著轉(zhuǎn)動加速度的增大而增大?;谔岣咝熊嚻椒€(wěn)性和乘客舒適性的要求出發(fā),由式(A)及式(B)可以得出這樣的結(jié)論:

        行車速度對車輛橫向的平穩(wěn)性及乘車舒適性的影響是非常敏感的,分別具有三次方和四次方的關(guān)系。因此控制行車速度向超高設(shè)計速度接近,將行之有效地提高車輛在橫斷面上的平穩(wěn)性和乘車舒適性。

        增加緩和曲線長度對于提高行車平穩(wěn)性和乘客舒適性是有利的。

        在設(shè)置緩和曲線時,緩和曲線首尾處的曲線半徑應(yīng)盡可能接近,以實現(xiàn)其協(xié)調(diào)過渡,盡量避免“大半徑接小半徑”的線形組合。

        5 超高變化率及其對緩和曲線長度的要求

        5.1 超高變化率的概念及其影響因素

        前面已經(jīng)提到了超高變化率的概念。為了直觀地反映PC軌道梁超高變化的屬性,引入超高變化率的概念。由于在線路連續(xù)情況下,超高的變化是連續(xù)的、均衡的,故定義超高變化率p為:p=dα/d1。而在實際工程中,超高變化基本上是線性的,故P=α/l。其反映的是在單位長度內(nèi),軌道梁超高的變化屬性。

        超高變化對行車平穩(wěn)性的影響主要表現(xiàn)在超高時變率ω使車體產(chǎn)生豎向的顛簸起伏。而且ω越大,車體豎向的顛簸起伏越明顯,強度越大,行車平穩(wěn)性越差;ω反之,則平穩(wěn)性越好。

        圖2 車體轉(zhuǎn)動顛簸示意圖

        為了更好地描述行車平穩(wěn)性與ω的關(guān)系,引入顛簸強度的概念。車體在發(fā)生傾斜旋轉(zhuǎn)過程中,車體橫斷面上任一點A在車體垂直方向上的線速度即為A點的顛簸強度,記作qA。由圖2,得

        其中,rA——A點到旋轉(zhuǎn)中心的距離,單位m;ω——列車運行時的超高時變率,單位rad/s。

        從式(C)可知,顛簸強度不僅與車輛行駛過程中的超高時變率有關(guān),還與車體位置到旋轉(zhuǎn)中心的距離有關(guān)。在列車以一定速度前進時,即使行進過程中的超高時變率相同,車體上的不同位置反映出來的顛簸強度卻是不同的。

        可得出超高變化率p,行車速度v與顛簸強度qA具有正比的關(guān)系。在實際行車過程中,要控制顛簸強度以提高行車的平穩(wěn)性,就可以采取降低超高變化率、控制行車速度的措施來完成。而降低超高變化率又可以通過減小超高的變化范圍、增長緩和曲線的長度來實現(xiàn)。

        5.2 超高時變率對緩和曲線長度的要求

        我國鐵道科學研究院通過對國內(nèi)外資料研究和仿真分析,同時考慮到更高的旅客舒適條件要求,建議對于客運專線在一般條件下,取車體超高時變率0.0168rad/s;困難條件下,取車體超高時變率0.0206rad/s;個別條件下,取車體超高時變率0.0233rad/s。

        根據(jù)課題組對重慶市較新線單軌列車運行狀況的調(diào)查,列車采用ATP/TD系統(tǒng)實行定位限速的控制模式。出站后的旅行速度一般在30km/h~75km/h之間。由于重慶城市地形地勢的特殊性,選擇在“個別條件下”對線路相關(guān)的指標進行討論。

        表1 ω=0.0233rad/s時緩和曲線的長度l取值/m

        從表1中可以看出,即使在對超高時變率的要求相對不高的情況下,從提高線路運營平穩(wěn)性和舒適性的角度出發(fā),緩和曲線的最小長度還要求18m,而且此時還要求控制車速、控制超高的變化范圍。所受到的限制較多,將不利于遠景客運組織的開展。

        同時,對表1中的緩和曲線的長度值進行統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)緩和曲線長度控制在180m左右時,能滿足80%的車速與a值交集的要求;控制在130m時,能滿足60%以上的車速與a值交集的要求?;诰徍颓€設(shè)計的經(jīng)濟性,考慮盡量將緩和曲線的長度控制在130m。此時即使列車以較高速度行駛,還是具有較高的平穩(wěn)性和舒適性。

        6 結(jié)論

        行車速度的高低直接決定著車體旋轉(zhuǎn)的快慢。在設(shè)置緩和曲線時,緩和曲線首尾處的曲線半徑應(yīng)盡可能接近,以實現(xiàn)其協(xié)調(diào)過渡,盡量避免“大半徑接小半徑”的線形組合,同時建議在單軌線路設(shè)計時盡可能采用大的半徑和較長的緩和曲線,以提高行車的平穩(wěn)性。

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