劉 德 志

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610000)

0 引言

地鐵等城市軌道交通方式為各大城市人口流動的正常運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)揮著舉足輕重的作用[1]，近年來，我國的城市軌道交通事業(yè)也邁上了新的臺階[2]。高速、安全和舒適是鐵路運(yùn)輸?shù)靡詫崿F(xiàn)的三大要素，三者之中，高速和安全是當(dāng)今鐵路事業(yè)的競爭力和生命力；而舒適，也即是列車的平穩(wěn)性則與此二者息息相關(guān)，互相影響[3]。人們在乘坐車輛時，振動往往會讓人感到不舒適，研究表明，車輛處于振動時，不僅會讓人感覺到疲倦，還會引發(fā)人體內(nèi)部器官及全身組織與外界共振及諧振的可能[4]。

車輛運(yùn)行平穩(wěn)性通常用來表示車輛的振動性能，它是衡量車輛運(yùn)行性能的一項重要技術(shù)指標(biāo)。作為運(yùn)輸工具的鐵道車輛，應(yīng)該具有良好的運(yùn)行平穩(wěn)性。列車運(yùn)行平穩(wěn)性反映了車輛振動對于旅客舒適程度的影響，而旅客舒適度是在包括車輛振動在內(nèi)的外界因素作用下于旅途中反映旅客疲勞程度的綜合性生理指標(biāo)[5]。因此通過現(xiàn)場測試的方法對地鐵列車垂向振動進(jìn)行深入的研究對改善列車運(yùn)行平穩(wěn)性具有重要意義。

本文為了獲取東莞地鐵R2線各區(qū)間車輛運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)，評價各區(qū)間運(yùn)行平穩(wěn)性等級，特對東莞地鐵R2線各區(qū)間車輛的垂向振動進(jìn)行測試，并基于隧道內(nèi)鋪設(shè)有減振軌道、隧道內(nèi)未鋪設(shè)減振軌道兩種典型工況下列車垂向運(yùn)行平穩(wěn)性數(shù)據(jù)，對比分析了這兩種工況下列車車體垂向振動的頻譜特性。

1 試驗概況

東莞城市快速交通R2線是一條北部到西南方向的市域快速干線，前期工程北起東莞火車站，終點為虎門火車站，線路全長37.788 km，其中隧道段33.73 km，高架線3.644 km。

本次列車運(yùn)行平穩(wěn)性試驗段也選擇為R2線隧道段，每兩個車站之間為一個分區(qū)段。分區(qū)段具體有：東茶區(qū)間、茶榴區(qū)間、榴下區(qū)間、下天區(qū)間、天東區(qū)間、東旗區(qū)間、旗鴻區(qū)間、鴻西區(qū)間、西蛤區(qū)間、蛤陳區(qū)間、陳寮區(qū)間、寮珊區(qū)間、珊展區(qū)間共計13個區(qū)間。

1.1 測試車輛

測試車輛介紹：R2線采用B型車，2.8 m車高，3.8 m車長，20 m(一節(jié)車廂)，車輛均采用6節(jié)編組。本次列車運(yùn)行平穩(wěn)性試驗采用的是布滿沙袋的模擬載重列車，這樣是為了更加真實的反映實際載客情況下的列車垂向振動特性，如圖1所示。

1.2 列車運(yùn)行平穩(wěn)性試驗測點布置

實驗所測量的測點一共為4個測點，如圖2所示。

其中，測點1位于車輛向前運(yùn)行方向第二個車廂的Ⅰ位轉(zhuǎn)向架上方的車體地板上，見圖2中a 位置；測點2位于車輛向前運(yùn)行方向第二個車廂的Ⅱ位轉(zhuǎn)向架上方的車體地板上，見圖2中b 位置；測點3位于車輛向前運(yùn)行方向第三個車廂的Ⅰ位轉(zhuǎn)向架上方的車體地板上，見圖2中c 位置；測點4位于車輛向前運(yùn)行方向第三個車廂的Ⅱ位轉(zhuǎn)向架上方的車體地板上，見圖2中d位置。

1.3 測試速度

速度等級：列車運(yùn)行速度為80 km/h。

2 評價指標(biāo)與相關(guān)規(guī)定

2.1 評價指標(biāo)

運(yùn)行平穩(wěn)性試驗結(jié)果評定標(biāo)準(zhǔn)采用GB 5599—85鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范的各項要求，按平穩(wěn)性指標(biāo)值作為評定參考[6]。

運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)按式(1)計算：

(1)

其中，W為平穩(wěn)性指標(biāo)；A為振動加速度，g；f為振動頻率，Hz；F(f)為頻率修正系數(shù)，見表1。

表1 頻率修正系數(shù)表

2.2 相關(guān)規(guī)定

依平穩(wěn)性指標(biāo)可以確定列車運(yùn)行平穩(wěn)性的等級，各指標(biāo)與與之相對應(yīng)的評級見表2。

表2 運(yùn)行平穩(wěn)性等級表

振動加速度的測量、處理以及平穩(wěn)性指標(biāo)的計算和評定參照GB 5599—85鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范的方法進(jìn)行，車輛的平穩(wěn)性等級要達(dá)到1級，即平穩(wěn)性指標(biāo)W<2.5。

3 測試數(shù)據(jù)分析

3.1 各區(qū)間列車垂向運(yùn)行平穩(wěn)性

表3 80 km/h下列車各測點垂向運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)及評級

通過對各測點的振動加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理及評級，列車以80 km/h速度通過各區(qū)段時，車內(nèi)各測點垂向運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)及評級見表3，圖3。

由表3,圖3可得，在全線所有區(qū)段，在列車速度為80 km/h下，各測點的列車垂向運(yùn)行平穩(wěn)性等級均為優(yōu)，符合規(guī)范的要求，表明該條地鐵線路服役狀況良好，乘客乘坐具有較好的舒適性。同時可以發(fā)現(xiàn)茶榴區(qū)間與榴下區(qū)間的列車垂向運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)要比其他區(qū)間大很多，究其原因，是因為這兩個區(qū)間減振要求高，鋪設(shè)有鋼彈簧浮置板軌道，而國內(nèi)外既有研究表明[7]，橡膠減振墊、鋼彈簧浮置板等隔振措施，是通過在軌道層狀結(jié)構(gòu)之間插入低剛度彈性元件，進(jìn)而起到阻隔部分振動波由軌道結(jié)構(gòu)向下傳遞到軌下基礎(chǔ)及環(huán)境土體的作用，然而被阻隔的振動波會反射到軌道板、鋼軌至車體上，故而相比其他區(qū)段，鋼彈簧浮置板軌道使茶榴區(qū)間與榴下區(qū)間被阻隔的振動波更多地反射到了車體上，由此造成這兩個區(qū)段的列車垂向運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)要大于其他區(qū)段。

3.2 列車車體垂向振動頻譜特性分析

為了了解列車運(yùn)行時車體垂向振動的頻譜特性，特選擇兩個典型區(qū)間繪制其頻譜特性曲線進(jìn)行對比研究。兩個典型區(qū)間選擇茶榴區(qū)間與陳寮區(qū)間，這兩個區(qū)間分別對應(yīng)于隧道內(nèi)鋪設(shè)有減振軌道地段、隧道未鋪設(shè)減振軌道兩種工況，分析兩種工況下列車車體垂向振動的頻譜特性。兩個工況的Z計權(quán)總振級(0 Hz～80 Hz)見表4，頻譜特性如圖4所示。

表4 Z計權(quán)總振級

從表4中可以看出，在0 Hz～80 Hz范圍內(nèi)，相比普通道床軌道地段，4個測點Z計權(quán)后的車體垂向振動總振級在減振軌道地段普遍放大3 dB，正如上文所述，這就是由于被減振軌道阻隔的振動波又反射回軌道板，鋼軌及車體而造成。

由于車體振動主要對人體的舒適性造成影響，故按照GB/T 13441—2007機(jī)械振動與沖擊 人體暴露于全身振動的評價 第1部分 一般要求的要求[8]，本文主要關(guān)注0 Hz～80 Hz內(nèi)的車體振動，從圖4可以發(fā)現(xiàn)，在0 Hz～80 Hz范圍內(nèi)，地鐵列車車體垂向振動主要集中在2 Hz及10 Hz附近，減振軌道地段的Z振級在1 Hz～4 Hz范圍內(nèi)要大于普通道床地段，其他頻段的Z振級差異不大。

4 結(jié)論

由以上分析，可得出以下結(jié)論：

1)在80 km/h速度下，該條線路隧道段全線列車垂向運(yùn)行平穩(wěn)性等級均為優(yōu)，符合規(guī)范的要求，表明該條地鐵線路服役狀況良好，乘客乘坐具有較好的舒適性；

2)在0 Hz～80 Hz范圍內(nèi)，相比普通道床軌道地段，4個測點Z計權(quán)后的車體垂向振動總振級在減振軌道地段普遍放大3 dB，這是由于被減振軌道阻隔的振動波又反射回軌道板，鋼軌及車體而造成的振動放大現(xiàn)象；

3)在0 Hz～80 Hz范圍內(nèi)，地鐵列車車體垂向振動主要集中在2 Hz及10 Hz附近，減振軌道地段的Z振級在1 Hz～4 Hz范圍內(nèi)要大于普通道床地段，其他頻段的Z振級差異不大。

參考文獻(xiàn):

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[2] 王小寧,張 楠,孫 奇.城市軌道交通橋梁振動及噪聲輻射研究[J].鐵道建筑，2014(1)：11-15.

[3] 劉轉(zhuǎn)華.鐵道車輛運(yùn)行平穩(wěn)性評價方法研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2007.

[4] 仇飛劍.基于旅客舒適度的高速鐵路線路參數(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2008.

[5] 薛 玉.鐵路旅客列車振動舒適度評價分析研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.

[6] GB 5599—85，鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范[S].

[7] 梁上燕,肖安鑫,耿傳智.阻尼鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)隔振性能分析[J].噪聲與振動控制，2013(1):136-139.

[8] GB/T 13441—2007，機(jī)械振動與沖擊 人體暴露于全身振動的評價 第1部分 一般要求[S].