王鵬 高春雷 徐濟松 張世紅 何國華

（中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

截至2019年底，中國在建高速鐵路隧道1 331座，累計長度約2 560 km；規(guī)劃高速鐵路隧道3 208 座，累計長度約7 975 km［1］。高速鐵路隧道襯砌施工質(zhì)量的檢測面臨繁重的任務(wù)和迫切的需求。

輪胎式高速鐵路隧道檢測車可通過車載地質(zhì)雷達、圖像識別等檢測手段，在竣工驗收期檢測隧道襯砌和底部結(jié)構(gòu)存在的內(nèi)部空洞、不密實和襯砌表觀裂縫等質(zhì)量缺陷［2-4］。新建高速鐵路隧道竣工驗收一般在隧道貫通、襯砌與填充層施工完成后，道床施工前進行［5］。檢測車現(xiàn)場作業(yè)面臨著幾大問題：①新建隧道空間大，拱頂檢測高度離地將近10 m，使得機械臂伸展后檢測車重心位置高；②檢測車機械臂托舉地質(zhì)雷達采用非接觸式檢測，雷達天線與襯砌表面間距要求保持在（10±2）cm，而隧道處于建設(shè)期，地面往往不平順；③在新建隧道間轉(zhuǎn)場，檢測車需要在惡劣路況和大坡道上行駛。因此，輪胎式隧道檢測車的穩(wěn)定性關(guān)系著車輛運行的安全和襯砌檢測數(shù)據(jù)的可靠性。

1 車輛運行工況

輪胎式高速鐵路隧道檢測車（圖1），由輪胎式移動車體、檢測作業(yè)平臺、機器人自動追蹤系統(tǒng)、襯砌檢測系統(tǒng)等組成［6］。其中檢測作業(yè)平臺分為動力間、作業(yè)區(qū)和控制室3部分。作業(yè)區(qū)依次布置3套機械臂。

圖1 輪胎式高速鐵路隧道檢測車

檢測車運行最高速度80 km/h，檢測作業(yè)速度3～10 km/h。根據(jù)車輛狀態(tài)和運行速度的不同，設(shè)定3 種分析工況，見表1。

表1 分析工況

隧道檢測車總質(zhì)量26 t。3 種工況下3 套機械臂的位置和姿態(tài)都不一樣，整車重心位置將發(fā)生變化。以檢測車前輪與地面接觸中心為原點，寬度方向為x軸，高度方向為y軸，長度方向為z軸建立坐標系，由此可得3種工況整車重心位置，見表2。

表2 檢測車3種工況整車重心位置 mm

2 不同工況穩(wěn)定性分析

2.1 側(cè)翻穩(wěn)定角

無論檢測車是處于靜止狀態(tài)還是運行狀態(tài)，要想穩(wěn)定，必須滿足一個條件：整車前后軸的車輪與地面的接觸力不為0，即此時車輛前后軸的車輪都與地面接觸，且前后軸輪胎的載荷分配合理［7］。按前述坐標系，建立隧道檢測車側(cè)翻計算模型，如圖2 所示。其中：x0為水平狀態(tài)x向整車重心偏移量；α為路面的橫向坡角；H為整車重心高度；B為輪距；Fy0，F(xiàn)y1為彎道內(nèi)側(cè)、外側(cè)垂直車輪載荷；ax為側(cè)向加速度。

圖2 隧道檢測車側(cè)翻計算模型

作業(yè)過程中隧道檢測車的穩(wěn)定性受多種因素影響，如橫向坡角、懸架剛度、輪胎剛度等［8-10］。由于機械臂舉升高度的變化，整車重心位置隨之變化，這些因素相互影響。因此檢測車作業(yè)過程是一個時時變化的動態(tài)過程。要使檢測車不側(cè)翻，應(yīng)滿足［11］

式中：M為整車總質(zhì)量；g為重力加速度。

為保證車輛運行安全，α應(yīng)小于側(cè)翻穩(wěn)定角αmax，即

計算可得隧道檢測車不同工況下側(cè)翻穩(wěn)定角，見表3。

表3 檢測車不同工況下側(cè)翻穩(wěn)定角

2.2 側(cè)翻安全閾值

實際作業(yè)時，檢測車側(cè)翻因素還應(yīng)考慮由于側(cè)風、路面不平順、橫向坡角變化以及檢測車作業(yè)時機械臂姿態(tài)調(diào)整等產(chǎn)生的側(cè)向加速度ax。為防止檢測車發(fā)生側(cè)翻，須滿足［12-13］

定義檢測車發(fā)生側(cè)翻時其重心位置的側(cè)向加速度axmax為檢測車側(cè)翻安全閾值。其計算公式為

由式（4）計算可得隧道檢測車各工況在不同橫向坡角下的側(cè)翻安全閾值，見表4。側(cè)翻安全閾值可作為檢測車運行穩(wěn)定性的評判依據(jù)。

表4 側(cè)翻安全閾值

2.3 上下坡傾覆臨界角

隧道檢測車上坡如圖3（a）所示。其中：β1為上坡路面坡角；L為車輛Ⅰ軸和Ⅲ軸之間的距離；z0為水平狀態(tài)z向整車重心偏移量。

圖3 隧道檢測車上下坡示意

在滿足驅(qū)動功率情況下，為防止檢測車因重心偏移引起后翻傾覆，應(yīng)滿足

β1應(yīng)小于或等于上坡傾覆臨界角β1max，即

隧道檢測車下坡如圖3（b）所示。其中：β2為下坡路面坡角。為防止檢測車因重心偏移引起前翻傾覆，應(yīng)滿足

β2應(yīng)小于或等于下坡傾覆臨界角β2max，即

由式（6）、式（8）計算可得不同工況隧道檢測車上下坡傾覆臨界角，見表5。

表5 不同工況隧道檢測車上下坡傾覆臨界角

3 穩(wěn)定性試驗

3.1 側(cè)翻穩(wěn)定性試驗

GB 7258—2017《機動車運行安全技術(shù)條件》［14］中規(guī)定，應(yīng)試驗驗證檢測車側(cè)翻穩(wěn)定性是否滿足要求。根據(jù)GB/T 14172—2009《汽車靜側(cè)翻穩(wěn)定性臺架試驗方法》［15］在武漢中國汽車技術(shù)研究中心進行試驗。隧道檢測車靜止于商用車側(cè)翻試驗臺，側(cè)翻試驗角度逐步加大到28°，檢測車在該位置靜置10 min，穩(wěn)定無異常。

3.2 側(cè)向加速度測試

檢測車側(cè)翻不僅受到橫向坡角和重心偏移的影響，還會受到側(cè)向加速度的影響。在有側(cè)向加速度的情況下側(cè)翻風險將加劇。在車體重心位置安裝加速度傳感器，在橫向坡角基本為0°的路況測試3 種工況檢測車重心位置的側(cè)向加速度。測試結(jié)果見圖4。

圖4 側(cè)向加速度測試結(jié)果

由圖4可知：3種工況側(cè)向加速度曲線均呈振動波形。其中工況1、工況2、工況3 最大側(cè)向加速度分別為0.13g，0.06g，0.11g。測試結(jié)果均在檢測車側(cè)翻安全閾值以內(nèi)。

4 結(jié)論

1）根據(jù)車輛狀態(tài)和運行速度的不同，設(shè)計收車高速運行、拱頂檢測、拱腰和邊墻檢測3種工況分析了檢測車的重心位置。

2）通過建立隧道檢測車側(cè)翻計算模型，計算得到車輛3種工況下側(cè)翻穩(wěn)定角和上下坡傾覆臨界角。通過實車側(cè)翻試驗驗證，收車位在側(cè)翻角28°時車體仍然安全穩(wěn)定。

3）提出側(cè)向加速度側(cè)翻安全閾值的概念，可作為檢測車運行穩(wěn)定性的評判依據(jù)。通過現(xiàn)場測試，3 種工況側(cè)向加速度均在檢測車側(cè)翻安全閾值以內(nèi)。