李東風(fēng)
(上海富欣智能交通控制有限公司, 201203, 上海∥高級工程師)
隨著我國內(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(以下簡為“城軌列車”)運營對信號控制系統(tǒng)的安全性、可靠性和智能化要求也逐步提高。城軌列車運行時難免產(chǎn)生振動和沖擊,這會對列車的車載信號設(shè)備造成損傷,甚至失效。因此,列車車載信號設(shè)備的隔振方案尤為重要。
行業(yè)內(nèi)隔振方案多采用正向分析和反向應(yīng)用測試兩種方式。正向分析是通過有限元等軟件進(jìn)行模擬,設(shè)計出相應(yīng)的隔振方案;反向應(yīng)用測試則是預(yù)選隔振方案并應(yīng)用,通過測試隔振效果來驗證方案的可行性。
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號線和11號線運營初期采用的是剛性連接信號設(shè)備,但隨著運營年限增加,剛性連接的信號設(shè)備出現(xiàn)故障后,通過反向應(yīng)用測試,認(rèn)為選擇鋼絲繩隔振方式的彈性連接方式的效果更好。
在上海富欣智能交通控制有限公司(以下簡為“富欣智控”)實施的A項目中,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)交互的方式來實現(xiàn)的,同時實現(xiàn)了列車的站臺停車定位功能。在項目開通運營后,本研究發(fā)現(xiàn)車輛有隨機丟失信標(biāo)的情況,甚至?xí)绊懙叫盘栂到y(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了。
根據(jù)GB/T 21563—2018《軌道交通 機車車輛設(shè)備 沖擊和振動試驗》(等效IEC 61373—2010),車載信標(biāo)天線安裝在列車轉(zhuǎn)向架的位置,屬于試驗等級中的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,屬于振動和沖擊較為強烈的位置。
在A項目中,信標(biāo)天線通過6個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)車輛運行時,轉(zhuǎn)向架上的振動和沖擊將直接或等效地傳遞到車載信標(biāo)天線上。
A項目信號控制系統(tǒng)中,信標(biāo)天線采用的是Transcore公司的強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) 運行溫度:-40~50 °C。
4) 濕度:100%,凝露。
5) 振動極限:振動加速度的均方根值為4g(g為重力加速度),振動頻率為5~500 Hz。
6) 沖擊極限:振動加速度的峰值為30g,持續(xù)時間為2 ms。
根據(jù)GB/T 21563—2018,信標(biāo)天線的振動極限指標(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)也高于沖擊試驗容差范圍。
將信標(biāo)天線的機械參數(shù)和試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對照,結(jié)果表明:信標(biāo)天線的機械性能滿足機車轉(zhuǎn)向架安裝的試驗指標(biāo),信標(biāo)天線可安裝在機車轉(zhuǎn)向架上。
城軌列車的實際運營情況表明,并非所有列車的振動情況都符合試驗標(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設(shè)備的可靠性,同時減少因振動和沖擊引起的設(shè)備故障。
模態(tài)匹配最基本的原則是在設(shè)計上保證車體承載結(jié)構(gòu)、局部結(jié)構(gòu)不與吊裝設(shè)備激勵頻率發(fā)生共振,而車體彈性體及各子設(shè)備主要的振動頻率都在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)備的振動特性,將轉(zhuǎn)向架至設(shè)備的振動傳遞設(shè)計為消極隔振。
1) 隔振方案選擇的原則。以隔振為主要目的并兼顧沖擊時,應(yīng)在保證車載信號設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下,盡量降低該系統(tǒng)振動或者沖擊的傳遞率,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,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設(shè)備的振動隔離效果。
2) 隔振方案選型。在A項目中,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;對稱設(shè)計,能避免安裝錯誤;內(nèi)部配備的支撐鋼管,在使用墊圈時可起到失效安全保護(hù)的功能;其軸向徑向剛度比為4∶1,堅固的低側(cè)結(jié)構(gòu)能高效吸收振動和沖擊。
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,平均承載13.3 N;設(shè)備質(zhì)心位于幾何中心,隔振套件相對于質(zhì)心對稱布置。
2.3.1 被隔振系統(tǒng)徑向固有頻率計算
該系統(tǒng)峰值響應(yīng)頻率按照式(1)進(jìn)行計算。
(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,可計算得出fn=30.8 Hz。
2.3.2 振動傳遞率的計算
振動傳遞率T的計算如下:
(2)
式中:
ξ——阻尼比,取0.15;
λ——隔振系統(tǒng)外激勵頻率與固有頻率之比。
2.3.3 沖擊校核
根據(jù)試驗標(biāo)準(zhǔn),沖擊采用了30g量級,持續(xù)時間為18 ms(半正弦波),計算得到其沖擊速度v為3.37 m/s。
最大沖擊變形可按照下式近似計算:
(3)
式中:
D——最大沖擊變形;
Kv——隔振系統(tǒng)沖擊剛度。
計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)計要求。
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,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。
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。
隔振套件首先在3#列車上安裝并上線運行,根據(jù)運營日志,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,使信號系統(tǒng)功能得以正常維持。根據(jù)項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)對比見表1。
表1 列車整改期間丟失信標(biāo)數(shù)據(jù)對比
本研究邀請具有專業(yè)資質(zhì)的檢測單位SRCC(上海軌道交通檢測認(rèn)證(集團)有限公司)對A項目的列車進(jìn)行了隨機振動和沖擊情況的測試,獲取了車輛信標(biāo)天線、轉(zhuǎn)向架和車軸處的實際運行振動數(shù)據(jù),并對信標(biāo)天線在增加隔振套件前后進(jìn)行了對比測試。
測試過程中,SRCC采用了網(wǎng)絡(luò)分布式信號采集分析儀和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,測試點分別布置在信標(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,得出列車運行過程中振動的有效加速度曲線,如圖4所示。
從3個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和沖擊能量。
隔振方案的設(shè)計和確定,需要根據(jù)振動條件、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行過程中產(chǎn)生的振動和沖擊,可保護(hù)車載信號設(shè)備(信標(biāo)天線)在使用壽命內(nèi)的可靠運行。
其他方式的隔振方案也可用于車載信號設(shè)備的防護(hù),比如鋼絲繩隔振具有相對穩(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。