A 型地鐵車輛軸重超標問題分析研究

王晨，李春波，李春勝，吳英帥，杜靜遠，樊慧，曲松，項盼

（1 石家莊鐵道大學 機械工程學院，石家莊 050043；2 中車大連機車車輛有限公司，遼寧大連 116022；3 成都運達科技股份有限公司，成都 611731）

發(fā)展城市軌道交通是解決大城市交通問題的發(fā)展方向，也是建設綠色城市、智能城市的有效途徑［1］。繼續(xù)大力發(fā)展軌道交通事業(yè)，構建綠色、安全、智能的立體化現(xiàn)代化城市交通系統(tǒng)。新近投入運營某型不銹鋼車體A 型地鐵車輛設計軸重達到17 t（實際軸重16.9 t），而按照國標GB 50157-2013《地鐵設計規(guī)范》［2］和GB/T 7928-2003《地鐵車輛通用技術條件》［3］中A 型地鐵車輛軸重應不超過16 t，而該型號地鐵車輛軸重接近17 t，超過標準的要求。

國標GB 50157 和GB/T 7928 分別為2013 和2003 年制定，在標準編制過程中未充分考慮國內地鐵建設快速發(fā)展。本世紀初地鐵運行速度僅有80 km/h，現(xiàn)階段 地鐵最 快已經達到160 km/h［4］。隨著自動駕駛、智能運維、能量回收等設備的陸續(xù)裝車［5］，車輛設備質量不斷增加，即便采用輕量化車體等減重措施仍無法保證標準16 t 軸重要求。原有標準已經越來越不能滿足現(xiàn)有地鐵車輛技術發(fā)展需求。

1 地鐵車輛軸重超標狀況

1.1 標準介紹及現(xiàn)階段地鐵車輛軸重狀況

目前地鐵車輛設計主要遵循GB/T 7928 以及GB 50157 標準，這2 個標準幾經修訂（初期主要針對速度級別為80 km/h，修訂之后最高覆蓋到100 km/h），其中對于A 型車軸重、載客量的規(guī)定基于當時技術下車輛整備質量（考慮當時功能需求的空車質量）得出的，規(guī)范定義的傳統(tǒng)A 型地鐵，其相關功能與軸重是相匹配的?，F(xiàn)階段軸重利用已接近極限（各個主機廠地鐵車輛最后稱重記錄的軸重達到15.97 t 左右）。梳理了近期國內開通運營和正在進行公開招標或設計的典型城市A 型地鐵車輛項目軸重等關鍵信息，見表1。相當多的A 型地鐵車輛軸重已經突破16 t 限制。

表1 不同城市A 型地鐵車輛軸重等信息

隨著地鐵車輛技術發(fā)展，車輛呈現(xiàn)出快速化、舒適化、智能化的趨勢。車輛性能提高的同時不可避免地帶來整車質量的增加，直接導致了功能需求與軸重要求（≤16 t）的不匹配問題。目前新研發(fā)地鐵A 型車輛軸重很多已超過16 t 限制，接近17 t。

1.2 現(xiàn)階段采取措施

一方面為解決A 型地鐵車輛軸重超過GB 50157 和GB/T 7928 標準問題，有的地鐵通過控制單節(jié)車載客量降低車體總質量以達到降低軸重目的。但是該措施限制列車載客量，隨著地鐵線路完善，選擇地鐵服務乘客日益增多，城市干線現(xiàn)有6 節(jié)編組地鐵已無法滿足需求，為提高載客量開始大量采用8 節(jié)編組（北京地鐵12、16、17、19 號線，深圳地 鐵11、13、14 號線，廣州地 鐵13、18、22 號線，成都地鐵5、6、9、17、18 號線等）［6］。部分重點區(qū)域甚至需要建設新線以緩解現(xiàn)有線路壓力。在此背景下，通過降低載客量達到降低軸重的目的與越來越大的客流需求相背離。

另一方面，部分線路為避免原有標準限值，通過采用城際鐵路標準設計D 型地鐵［7］。如某市機場快線采用CRH6F 動車技術平臺進行設計，車廂長度上仿照A 型車，車體寬度仿照動車，通過T/CRS C0101《市域鐵路設計規(guī)范》［8］進行設計。但是城際動車組采用大鐵路3.3 m 寬車體，而A 型地鐵車輛車體寬度僅有3 m；地鐵車輛運行速度多在80～120 km/h，快線也在140～160 km/h 范圍，而城際動車運行速度多在160～250 km/h 區(qū)間，兩者相差較大。對應的限界、靜強度、疲勞強度、牽引和制動特性等都存在諸多不同，因此城際動車標準大多用在機場快線或者聯(lián)絡遠郊區(qū)域等對速度有一定要求線路，并不能簡單用于現(xiàn)有市區(qū)內地鐵車輛設計。

2 動力學仿真特性對比分析

針對軸重17 t 地鐵和16 t 地鐵車輛差異，從動力學方面對車輛性能進行分析。選擇研究對象分別為A 型17 t 軸重地鐵和相同公司前期研制結構相似16 t 軸重地鐵（實際軸重15.9 t），2 種車輛采用相同A 型車技術平臺，車輛結構基本一致，由于設計需求不同在軸重上有所偏差。性能對比主要從動力學方面進行，動力學性能對比主要按照GB/T 5599-2019［9］。

2.1 地鐵車輛結構

地鐵車輛轉向架定距15 700 mm，軸距2 500 mm，一系橫向間距2.1 m，二系空簧橫向間距1.9 m。最大運用速度90 km/h。轉向架的結構如圖1 所示，輪對采用兩側圓錐橡膠金屬件定位，每個軸箱的縱向、橫向和垂向定位均由2 個橡膠金屬件的合成剛度實現(xiàn)。轉向架的牽引裝置采用Z 字型中心銷結構，該結構在長期運用中被證明是成熟可靠的，它只約束轉向架相對車體的縱向運動，以傳遞縱向牽引或制動力，而不約束車體與轉向架間除縱向以外的其他相對運動。動力轉向架采用踏面制動，抱軸齒輪箱的另一端懸吊于構架，電機與齒輪箱輸入軸之間采用聯(lián)軸器補償電機與齒輪箱（輪對）間的相對運動，電機則固定于構架，每轉向架布置一個二系橫向減振器。2 個二系垂向減振器，為保護空簧限制車體橫向位移二系布置橫向止擋。為抑制車體曲線通過側滾角在轉向架上布置抗側滾扭桿。

圖1 車輛轉向架三維模型

2.2 動力學性能對比

2.2.1 車輛動力學模型

在車輛結構、參數(shù)基礎上建立車輛多體動力學模型，該模型由1 個車體、2 個構架、4 個輪對、4個電機、8 個軸箱組成，共19 個剛體，50 個自由度（車體6、構架6、輪對6、軸箱1）。踏面采用LM 廓形，軌頭采用RAIL60 廓形。輪軌內側距1 353 mm，軌底坡1∶40。忽略車體、構架、輪對、鋼軌的彈性變形，考慮輪軌接觸、橫向止擋、油壓減振器曲線的非線性特性。2 種車輛主要參數(shù)見表2。

表2 2 種軸重地鐵部分動力學參數(shù)對比

2.2.2 動力學模型驗證

通過SIMPACK 軟件車輛動力學模型，為驗證模型準確性，選擇典型工況進行分析，將獲得的仿真結果與實測數(shù)據(jù)進行對比。而輪軌相互作用是車輛動力學分析中關鍵性能指標，直接影響到車輛運行品質。因此選用小半徑曲線工況下輪軌作用力對動力學參數(shù)進行驗證。選擇R300 小半徑曲線分析50 km/h 工況下通過時最大輪軸橫向力、輪軌垂向力，同時與實測數(shù)據(jù)進行對比，見表3。導向輪對對應輪軌作用仿真值和實測數(shù)據(jù)分別相差7.97%、7.48%，幾個數(shù)值均相差較小，證明動力學模型準確。

表3 R300 曲線性能對比

2.2.3 2 種軸重車輛穩(wěn)定性對比

車輛穩(wěn)定性直接關系到車輛安全運行。正常工況下對應不同車型非線性臨界速度如圖2 所示。通過分析發(fā)現(xiàn)，17 t 軸重地鐵對應的車輛非線性臨界速度為205 km/h，16 t 軸重地鐵對應的車輛非線性臨界速度為197 km/h，均滿足設計要求，相差非常小。因此，改變軸重以后非線性臨界速度仍能達到要求。

圖2 不同軸重車輛非線性臨界速度

2.2.4 2 種軸重車輛平穩(wěn)性對比

在地鐵車輛的行駛過程中，乘客乘坐的舒適程度與地鐵運行的平穩(wěn)性息息相關［10-11］。因此，為保證乘客的舒適性，在地鐵動力學分析中對其平穩(wěn)性的分析必不可少。車輛在運行時受到外界激擾產生振動，車體從而產生橫向和垂向的加速度。而根據(jù)GB/T 5599-2019 標準，可將車輛平穩(wěn)性分為橫向平穩(wěn)性和垂向平穩(wěn)性，其具體等級評價見表4。

表4 車體平穩(wěn)性指標等級表

按照GB/T 5599-2019 標準要求，對車輛平穩(wěn)性指標進行測量時，車體上測點布置在轉向架中心上方地板上，左右橫向偏移1 m處，仿真計算測點不同軸重車輛垂向及橫向振動響應情況。取1 000 m 直線，設置美國5 級軌道譜的激勵，使車輛以10～120 km/h的速度在線路上行駛。隨著地鐵車輛速度的變化，17 t 軸重地鐵車輛的橫向平穩(wěn)性指標最大值為2.48；16 t 軸重地鐵車輛橫向平穩(wěn)性指標最大值為2.55 如圖3（a）所示。17 t 軸重地鐵車輛垂向平穩(wěn)性指標最大值為2.50；16 t 軸重地鐵車輛垂向平穩(wěn)性指標最大值為2.25 如圖3（b）所示。依據(jù)標準17t 軸重和16 t 軸重地鐵車輛穩(wěn)定性均滿足標準要求，但兩者僅相差10%。

圖3 地鐵車輛平穩(wěn)性指標

2.2.5 2 種軸重車輛曲線通過能力研究

由于城市化加快，人口密度變大，對城市軌道交通需求日漸提升，達到地鐵建設標準城市都規(guī)劃和建設了大量的地鐵線路。在不影響車輛運行安全的前提下，增強車輛曲線通過能力，減小曲線半徑，會給線路規(guī)劃帶來極大的便利。因為車輛在通過曲線且速度過大時，與同狀態(tài)下的直線行駛相比，更容易導致脫軌，發(fā)生事故，威脅乘客的生命安全。為對比不同軸重對車輛安全性的影響，分析R450 m 半徑曲線通過性能見表5，該曲線是線路正線最小曲線半徑。

表5 R450 曲線設置

車輛以70 km/h 速度通過R450 曲線，導向輪對的輪重減載率如圖4 所示。16 t 軸重車輛導向輪對輪重減載率最大達到0.53，17 t 軸重車輛車輛導向輪對脫輪重減載率最大達到0.45。17 t 軸重車輛導向輪對輪重減載率明顯小于16 t 軸重車輛。車輛以70 km/h 速度通過R400 曲線，導向輪對的脫軌系數(shù)如圖5 所示。16 t 軸重車輛導向輪對脫軌系數(shù)最大達到0.59，17 t 軸重車輛車輛導向輪對脫軌系數(shù)最大達到0.45。17 t 軸重和16 t 軸重車輛導向輪對脫軌系數(shù)均滿足標準要求。

圖4 不同軸重導向輪對輪重減載率

圖5 不同軸重導向輪對脫軌系數(shù)

通過R450 曲線導向輪對車軸橫向力如圖6 所示。16 t 軸重車輛導向輪對車軸橫向力最大達到24.5 kN，17 t 軸重車輛導向輪對車軸橫向力最大達到27 kN，二者差值達到2.5 kN，主要是因為在曲線中出現(xiàn)了2 個峰值原因。通過R450 曲線導向輪對輪軌垂向力如圖7 所示。16 t 軸重車輛導向輪對輪軌垂向力最大達到101 kN，17 t 軸重車輛導向輪對輪軌垂向力最大達到107 kN。

圖6 不同軸重導向輪對車軸橫向力

圖7 不同軸重導向輪對輪軌垂向力

3 現(xiàn)場型式試驗分析

3.1 車輛試驗條件

試驗依據(jù)GB/T 5599-2019《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》和GB/T 7928-2003《地鐵車輛通用技術條件》標準進行分析。列車編組形式為4M2T。選取一列車為試驗列車，在其上布置測點進行動力學性能檢測。在線路和列車牽引等條件允許的前提下，正常工況下試驗車輛在試驗時的最高速度級為90 km/h，曲線工況的最高試驗速度按線路限速執(zhí)行。

3.2 地鐵車輛動力學試驗

曲線工況下安全性指標統(tǒng)計包括脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力和構架橫向加速度，見表6。直線工況下車輛平穩(wěn)性指標見表7。直線段車輛運行速度90 km/h，R450 曲線段運行速度50 km/h。

表6 R450 曲線安全性指標統(tǒng)計

表7 直線平穩(wěn)性指標統(tǒng)計

由上表可知直線工況測試T 車及M 車的車體前部垂向平穩(wěn)性最大的平均值分別為1.84 和1.93；橫向平穩(wěn)性最大的平均值分別為1.85 和1.97。R450 曲線工況測試T 車及M 車的脫軌系數(shù)最大值分別為0.44 和0.54；輪重減載率最大值分別為0.48 和0.59；輪軸橫向力最大值分別為48 kN和51 kN。

由試驗數(shù)據(jù)可知：正常工況下，測試車輛的運行安全性符合大綱要求，滿足90 km/h 安全運行要求；被測列車運行平穩(wěn)性最大的平均值均小于2.5，安全性指標均在標準要求范圍內。

4 結論

A 型地鐵車輛軸重超標是近幾年地鐵行業(yè)快速發(fā)展而出現(xiàn)的新問題，主要是由于地鐵車輛設計標準落后于地鐵技術發(fā)展趨勢所帶來的（即軸重與功能需求之間的匹配問題）。國內各城市根據(jù)實際線路定位及規(guī)劃采取了不同的方式解決車輛功能需求與軸重的匹配問題，或降低車體質量或提高軸重指標，但均無法實現(xiàn)功能增加與軸重（≤16 t）的雙保證。

文中針對A 型地鐵車輛軸重超標問題，從動力學計算以及現(xiàn)場型式試驗等方面入手分析了2種軸重車輛性能差異，發(fā)現(xiàn)軸重相差1 t 情況下性能相差很小，均滿足標準要求。針對17 t 地鐵型式試驗數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)實車情況下地鐵車輛性能也能滿足標準要求。而且目前國家發(fā)改委制定的重大技術裝備攻關工程項目《系列化中國標準地鐵列車研制及試驗》中，已經將標準化A 型地鐵的軸重設置為≤17 t，后續(xù)標準修訂工作已經提上日程。綜上所述，地鐵在兼顧車輛功能需求的同時，將軸重限制放寬到17 t 是合理的。