李東風(fēng)

(上海富欣智能交通控制有限公司， 201203， 上?！胃呒?jí)工程師)

隨著我國(guó)內(nèi)地城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，城市軌道交通越來越普及，而城市軌道交通列車(以下簡(jiǎn)為“城軌列車”)運(yùn)營(yíng)對(duì)信號(hào)控制系統(tǒng)的安全性、可靠性和智能化要求也逐步提高。城軌列車運(yùn)行時(shí)難免產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊，這會(huì)對(duì)列車的車載信號(hào)設(shè)備造成損傷，甚至失效。因此，列車車載信號(hào)設(shè)備的隔振方案尤為重要。

1 背景介紹

1.1 隔振方案的應(yīng)用現(xiàn)狀

行業(yè)內(nèi)隔振方案多采用正向分析和反向應(yīng)用測(cè)試兩種方式。正向分析是通過有限元等軟件進(jìn)行模擬，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的隔振方案；反向應(yīng)用測(cè)試則是預(yù)選隔振方案并應(yīng)用，通過測(cè)試隔振效果來驗(yàn)證方案的可行性。

目前,列車轉(zhuǎn)向架安裝的設(shè)備多采用剛性連接和彈性連接的方式。上海軌道交通9號(hào)線和11號(hào)線運(yùn)營(yíng)初期采用的是剛性連接信號(hào)設(shè)備，但隨著運(yùn)營(yíng)年限增加，剛性連接的信號(hào)設(shè)備出現(xiàn)故障后，通過反向應(yīng)用測(cè)試，認(rèn)為選擇鋼絲繩隔振方式的彈性連接方式的效果更好。

1.2 車載設(shè)備遇到的問題

在上海富欣智能交通控制有限公司(以下簡(jiǎn)為“富欣智控”)實(shí)施的A項(xiàng)目中，城軌列車采用的是鋼輪鋼軌制式。富欣智控CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)中，列車的定位功能是通過車載信標(biāo)天線與軌旁信標(biāo)交互的方式來實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了列車的站臺(tái)停車定位功能。在項(xiàng)目開通運(yùn)營(yíng)后，本研究發(fā)現(xiàn)車輛有隨機(jī)丟失信標(biāo)的情況，甚至?xí)绊懙叫盘?hào)系統(tǒng)的車輛定位功能。在排除了電纜連接、電磁干擾和軟件解析等方面的可能性故障后，車載信標(biāo)天線就是最可疑的故障點(diǎn)了。

根據(jù)GB/T 21563—2018《軌道交通 機(jī)車車輛設(shè)備 沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》(等效IEC 61373—2010)，車載信標(biāo)天線安裝在列車轉(zhuǎn)向架的位置，屬于試驗(yàn)等級(jí)中的2類。該位置僅經(jīng)過車軸和轉(zhuǎn)向架之間的一系彈簧減振，屬于振動(dòng)和沖擊較為強(qiáng)烈的位置。

在A項(xiàng)目中，信標(biāo)天線通過6個(gè)M12螺栓、彈簧墊圈、平墊圈和螺母固定在車輛中心線位置的轉(zhuǎn)向架支架上，如圖1所示。

由圖1可知，這種安裝方式屬于剛性連接，當(dāng)車輛運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)向架上的振動(dòng)和沖擊將直接或等效地傳遞到車載信標(biāo)天線上。

1.3 信標(biāo)天線的機(jī)械性能

A項(xiàng)目信號(hào)控制系統(tǒng)中，信標(biāo)天線采用的是Transcore公司的強(qiáng)化重型軌道專用天線(AA3233-004型信標(biāo)天線)，其參數(shù)如下：

1) 尺寸：68.8 cm×12.5 cm×28.8 cm。

2) 質(zhì)量：7.64 kg。

3) 運(yùn)行溫度：-40～50 °C。

4) 濕度：100%，凝露。

5) 振動(dòng)極限：振動(dòng)加速度的均方根值為4g(g為重力加速度),振動(dòng)頻率為5～500 Hz。

6) 沖擊極限：振動(dòng)加速度的峰值為30g，持續(xù)時(shí)間為2 ms。

根據(jù)GB/T 21563—2018，信標(biāo)天線的振動(dòng)極限指標(biāo)滿足2類轉(zhuǎn)向架安裝ASD(加速度頻譜密度)，沖擊極限指標(biāo)也高于沖擊試驗(yàn)容差范圍。

將信標(biāo)天線的機(jī)械參數(shù)和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)照，結(jié)果表明：信標(biāo)天線的機(jī)械性能滿足機(jī)車轉(zhuǎn)向架安裝的試驗(yàn)指標(biāo)，信標(biāo)天線可安裝在機(jī)車轉(zhuǎn)向架上。

2 隔振方案描述

城軌列車的實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況表明，并非所有列車的振動(dòng)情況都符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的理想情況。根據(jù)道床類型、減振扣件形式和車輛本身的減振條件，車載環(huán)境的振動(dòng)和沖擊的具體情況也各不相同。因此，選用合適的隔振方案，將有助于提高車載信號(hào)設(shè)備的可靠性，同時(shí)減少因振動(dòng)和沖擊引起的設(shè)備故障。

2.1 隔振方案選擇

模態(tài)匹配最基本的原則是在設(shè)計(jì)上保證車體承載結(jié)構(gòu)、局部結(jié)構(gòu)不與吊裝設(shè)備激勵(lì)頻率發(fā)生共振，而車體彈性體及各子設(shè)備主要的振動(dòng)頻率都在5～80 Hz以內(nèi)。根據(jù)隔振理論和城市軌道交通車輛吊裝設(shè)備的振動(dòng)特性，將轉(zhuǎn)向架至設(shè)備的振動(dòng)傳遞設(shè)計(jì)為消極隔振。

1) 隔振方案選擇的原則。以隔振為主要目的并兼顧沖擊時(shí)，應(yīng)在保證車載信號(hào)設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，盡量降低該系統(tǒng)振動(dòng)或者沖擊的傳遞率，兼顧合理的能容要求，可選擇低頻隔振系統(tǒng)；以抗沖擊為主要目的時(shí)，根據(jù)隔振系統(tǒng)輸入環(huán)境要求的嚴(yán)酷程度，應(yīng)確保該系統(tǒng)有足夠的“能容”，在此前提下兼顧車載信號(hào)設(shè)備的振動(dòng)隔離效果。

2) 隔振方案選型。在A項(xiàng)目中，初步選用了哈金森公司的BARRY CONTROLS 44000系列產(chǎn)品中的44001-1型號(hào)的組合式隔振產(chǎn)品(見圖2)。其固有頻率為8～18 Hz，最大靜載荷為180 N，軸向靜剛度為210 N/mm，徑向靜剛度為50 N/mm，使用溫度范圍為-40～80 °C。該產(chǎn)品的橡膠墊圈采用的是氯丁橡膠或者天然橡膠材質(zhì)，能適用于各種環(huán)境；對(duì)稱設(shè)計(jì)，能避免安裝錯(cuò)誤；內(nèi)部配備的支撐鋼管，在使用墊圈時(shí)可起到失效安全保護(hù)的功能；其軸向徑向剛度比為4∶1，堅(jiān)固的低側(cè)結(jié)構(gòu)能高效吸收振動(dòng)和沖擊。

2.2 隔振方案理論假設(shè)

1) 被隔振的設(shè)備和安裝支架視為剛性體，其剛度相比隔振器的剛度足夠大。

2) 在被隔振設(shè)備安裝支架之間無任何剛性連接。

3) 認(rèn)為在被隔振設(shè)備和安裝支架之間僅通過隔振器彈性連接，其他外部連接不予考慮。

隔振系統(tǒng)質(zhì)量為8 kg(包含隔振套件和緊固件)；隔振套件數(shù)量為6個(gè)，平均承載13.3 N；設(shè)備質(zhì)心位于幾何中心，隔振套件相對(duì)于質(zhì)心對(duì)稱布置。

2.3 隔振效率計(jì)算

2.3.1 被隔振系統(tǒng)徑向固有頻率計(jì)算

該系統(tǒng)峰值響應(yīng)頻率按照式(1)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中：

fn——隔振系統(tǒng)峰值響應(yīng)頻率，Hz；

Ks——隔振系統(tǒng)靜態(tài)剛度，N/m；

m——隔振系統(tǒng)承載質(zhì)量，kg。

由ΣKs=300 000 N/m、Σm=8 kg，可計(jì)算得出fn=30.8 Hz。

2.3.2 振動(dòng)傳遞率的計(jì)算

振動(dòng)傳遞率T的計(jì)算如下：

(2)

式中：

ξ——阻尼比，取0.15；

λ——隔振系統(tǒng)外激勵(lì)頻率與固有頻率之比。

2.3.3 沖擊校核

根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，沖擊采用了30g量級(jí)，持續(xù)時(shí)間為18 ms(半正弦波)，計(jì)算得到其沖擊速度v為3.37 m/s。

最大沖擊變形可按照下式近似計(jì)算：

(3)

式中：

D——最大沖擊變形；

Kv——隔振系統(tǒng)沖擊剛度。

計(jì)算得出最大沖擊變形為13.0 mm，小于產(chǎn)品參數(shù)中的最大變形值，則滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 理論預(yù)期結(jié)果

采用專業(yè)軟件模擬，當(dāng)隔振系統(tǒng)受到30g持續(xù)18 ms的半正弦沖擊波時(shí)，隔振系統(tǒng)理論最大響應(yīng)加速度為45.83g，響應(yīng)位移為2.32 mm，理論上是安全的。

3 隔振方案的實(shí)施

3.1 隔振套件安裝和調(diào)整

根據(jù)維護(hù)和安裝方案，將原來剛性安裝的信標(biāo)天線取下，用6套隔振套件分別固定在信標(biāo)天線的6個(gè)安裝孔，采用扭力扳手?jǐn)Q緊，并涂紅色防松標(biāo)志。隔振套件安裝和調(diào)整后的狀態(tài)如圖3所示。

3.2 實(shí)際效果評(píng)估

隔振套件首先在3#列車上安裝并上線運(yùn)行，根據(jù)運(yùn)營(yíng)日志，信標(biāo)丟失現(xiàn)象有明顯的改善，從整改之前的信標(biāo)丟失幾十次甚至上百次，降低到幾次和0次，使信號(hào)系統(tǒng)功能得以正常維持。根據(jù)項(xiàng)目維保單位的記錄數(shù)據(jù)，提取3#、4#、5#和6#列車隔振套件使用前后的信標(biāo)丟失次數(shù)對(duì)比見表1。

表1 列車整改期間丟失信標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比

3.3 測(cè)試結(jié)果

本研究邀請(qǐng)具有專業(yè)資質(zhì)的檢測(cè)單位SRCC(上海軌道交通檢測(cè)認(rèn)證(集團(tuán))有限公司)對(duì)A項(xiàng)目的列車進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)和沖擊情況的測(cè)試，獲取了車輛信標(biāo)天線、轉(zhuǎn)向架和車軸處的實(shí)際運(yùn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)，并對(duì)信標(biāo)天線在增加隔振套件前后進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。

測(cè)試過程中，SRCC采用了網(wǎng)絡(luò)分布式信號(hào)采集分析儀和3向加速度傳感器，在車輛的A端(安裝隔振套件)和B端(剛性連接)信標(biāo)天線附近布置了加速度傳感器，測(cè)試點(diǎn)分別布置在信標(biāo)天線、轉(zhuǎn)向架支架和車軸上。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和整理，得出列車運(yùn)行過程中振動(dòng)的有效加速度曲線，如圖4所示。

從3個(gè)位置的加速度曲線可以看出，在使用了隔振套件后，信標(biāo)天線位置處的振動(dòng)加速度有明顯的下降，且曲線變得平滑，說明隔振套件隔離或吸收了來自車輛的振動(dòng)和沖擊能量。

4 結(jié)語

隔振方案的設(shè)計(jì)和確定，需要根據(jù)振動(dòng)條件、設(shè)備物理特性、隔振設(shè)備的指標(biāo)來逐步分析和明確。

上述討論的隔振方案，能有效隔離或吸收車輛運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊，可保護(hù)車載信號(hào)設(shè)備(信標(biāo)天線)在使用壽命內(nèi)的可靠運(yùn)行。

其他方式的隔振方案也可用于車載信號(hào)設(shè)備的防護(hù)，比如鋼絲繩隔振具有相對(duì)穩(wěn)定的隔振效果，但需要根據(jù)設(shè)備形態(tài)定制，且成本較高。