跨座式单轨交通轨道梁刚度对乘坐舒适性影响研究

刘　国

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300142)



跨座式单轨交通轨道梁刚度对乘坐舒适性影响研究

刘国

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300142)

Study on the Influence of Track-beam Stiffness on Straddle Monorail Transit Ride Comfort

LIU Guo

摘要参考已有车桥系统空间耦合振动模型，研究某市跨座式单轨交通Z206-25梁，利用fortran90软件编写程序。参考高速铁路评价方法，基于Sperling指标和车体加速度值评价车辆乘坐舒适性，研究轨道梁竖向与横向刚度的变化对车辆乘坐舒适性的影响。结果表明，轨道梁刚度对车辆乘坐舒适性影响很大，并且采用不同的评判准则，轨道梁刚度与乘坐舒适性之间的关系不同，有必要进一步研究轨道梁的刚度限值。

关键词跨座式单轨交通车桥系统轨道梁刚度乘坐舒适性

跨座式单轨交通走行系统为胶轮-轨道梁形式，经济性好，能满足不同地形要求，可适应小曲线，使其可成为山区城市主要的交通形式之一[1]。2000年日本的单轨交通技术推广到中国，目前在我国一些城市已得到了运用与发展[2-3]。

目前对车辆乘坐舒适性的研究多集中在铁路方面，文献[4，5]比较系统地论述了铁路列车运行安全性和乘坐舒适性的控制因素和评价指标。已有的研究成果很少着重于跨座式单轨交通系统，文献[6]以ISO2631为评判指标，研究了车辆行驶于单轨组合梁上的乘坐舒适性；马继兵[7，8]以ISO2631、UIC513和GB5594—35为评判指标，分别以平稳性和舒适度评判跨座式单轨交通乘坐舒适性。

已有的车桥振动成果表明，运行在桥上的列车舒适性受桥梁刚度的影响很大[9]，而我国规范尚未确立跨座式单轨交通轨道梁刚度和舒适性的关系，为保证桥上列车旅客乘坐舒适性，有必要开展对两者关系的研究，便于更深入的探讨跨座式单轨交通轨道梁的刚度限值。参考高速铁路车辆评判方式，采用车体加速度和Sperling值两项指标，研究轨道梁横向刚度与竖向刚度的变化对车辆乘坐舒适性的影响。

1车辆-轨道梁空间耦合振动

1.1车辆及桥梁模型

参考已有模型，车体和转向架均为刚体，车辆等速运行在轨道梁上，且轨道面与轮胎密贴，走形部阻尼为黏性阻尼，转向架小位移运动于基本位置附近。轨道梁模型体系为简支梁，采用空间梁单元拟合。

1.2车桥耦合模型

轮胎小变形认为是线性变化的，参考文献[7]中建立轮胎模型的假设，根据弹性系统动力学总势能不变值原理及形成矩阵的“对号入座”法则，建立车桥系统空间耦合振动方程。

2乘坐舒适性评价标准

我国现行的高速铁路竖向加速度不大于0.13g，水平加速度不大于0.10g，Sperling舒适度指标采用表1中客车相关指标。

3轨道梁刚度对乘坐舒适性的影响

参考已有车桥系统空间耦合振动模型，研究某市跨座式单轨交通Z206-25梁。车辆参数参考文献[10]，轨道不平顺采用文献[10]中日本谱，利用fortran90自编程序进行车辆-轨道梁动力响应分析。

表1　我国机车车辆的平稳性指标Wz

为了讨论轨道梁刚度变化对车辆乘坐舒适性的影响，首先需要探讨Sperling指标和车体加速度这两种标准的关系。在保持其他参数不变的条件下，分别选取不同的轨道梁横向刚度和竖向刚度值的变化，研究其对车辆乘坐舒适性的影响。保持车辆速度为正常速度30 km/h，选取下列几种不同刚度的轨道梁工况。

横向刚度：轨道梁竖向刚度不变，横向刚度由原轨道梁刚度值的0.5倍增加到2.0倍，共16种工况。

竖向刚度：轨道梁横向刚度不变，竖向刚度由原轨道梁刚度值的0.5倍增加到2.0倍，共16种工况。

图1　轨道梁刚度对Wz值的影响

图2　轨道梁刚度对车体加速度值的影响

分别计算这几种工况的车辆乘坐舒适性指标Wz值和车体加速度值，如图1和图2所示。图1、图2分别为轨道梁横向刚度，竖向刚度对车辆乘坐舒适性和车体加速度值的影响曲线。由图1(a)可知，轨道梁横向刚度的改变对车辆竖向乘坐舒适性无影响，对横向乘坐舒适性则有显著影响，且当横向刚度增加时，横向乘坐Wz值并非完全增大；由图2(a)可知，轨道梁横向刚度的改变对车体竖向加速度值无影响，对横向加速度值则有显著影响。

由图1(b)、图2(b)可知，车辆横向加速度值和乘坐舒适性不受轨道梁竖向刚度变化的影响，而轨道梁刚度对车辆竖向乘坐舒适性和竖向加速度值则有显著影响，随着刚度的增加，竖向乘坐Wz值减小，竖向加速度值变小。

对比图1(a)与图2(a)可知，在车速为30 km/h时，横向刚度系数在0.7～1.1区间内，轨道梁横向刚度值的变化对车辆横向乘坐舒适性指标Wz值与对加速度值的影响不一致。这表明在分析轨道梁刚度对车辆乘坐舒适性的影响时，采用车辆加速度和Sperling评判标准有所区别。

为了进一步对比分析车辆乘坐舒适性指标Wz值和车辆加速度值两种标准的关系，现计算车速为60 km/h时，上述几种不同轨道梁刚度下车辆乘坐舒适性指标Wz值和车体加速度值随刚度值变化的情况，如图3和图4所示。

图3　60 km/h时轨道梁刚度对Wz的影响

图4　60 km/h时轨道梁刚度对车体加速度值的影响

对比图3(a)与图1(a)、图3(b)与图1(b)可知，当车速由30 km/h增加到60 km/h时，车辆乘坐Wz值随着轨道梁刚度的改变变化更明显；对比图4(a)与图2(a)、图4(b)与图2(b)可知，当车速由30 km/h增加到60 km/h时，车辆加速度值随着轨道梁刚度的改变，变化更明显。由图3(a)可知，在轨道梁横向刚度系数为0.5、0.6时，车辆横向乘坐舒适性指标Wz值分别为2.306和2.198，按照Sperling评价标准车辆乘坐舒适性为优秀，而由图4(a)可知，在轨道梁横向刚度系数为0.5、0.6时，车辆横向加速度值分别为1.334和1.027，已经超过高速铁路横向加速限值0.10g的要求，即符合Sperling评价标准而不符合高速铁路加速度限值要求。

车辆时速为30 km的几种工况结果表明，在探讨轨道梁刚度对车辆乘坐舒适性的影响时，基于Sperling指标和车体加速度标准有所区别；由车辆时速60 km、横向刚度系数为0.5、0.6时分析结果表明，舒适性指标满足Sperling指标而无法满足高速铁路加速度限值要求。综上可知，轨道梁刚度对车辆乘坐舒适性影响很大，并且采用不同的评判准则，轨道梁刚度与乘坐舒适性之间的关系不同，有必要进一步研究轨道梁的刚度限值。

4结论

(1)轨道梁横向刚度变化时，车辆横向乘坐舒适性变化很大，竖向舒适性变化很小；轨道梁竖向刚度变化时，车辆竖向乘坐舒适性变化很大，横向舒适性变化很小。

(2)由车辆时速60 km、轨道梁横向刚度系数为0.5、0.6的分析结果表明，车辆横向乘坐舒适性符合Sperling标准而不符合高速铁路加速度限值要求。

(3)轨道梁刚度对车辆乘坐舒适性影响很大，并且采用不同的评判准则，轨道梁刚度与乘坐舒适性之间的关系不一样，有必要进一步研究轨道梁的刚度限值。

参考文献

[1]李应红.城市轨道交通的功能与定位[J].铁道勘察，2007(5)：10-12

[2]王省茜.跨座式单轨铁路的特点及其应用前景[J].中国铁道科学,2004，25(1):131-135

[3]中国国际工程咨询公司，建设部地铁与轻轨研究中心，重庆市轨道交通总公司.城市单轨交通国际高级论坛论文集[C].北京:中国铁道出版社，2005

[4]曾庆元，郭向荣.列车桥梁时变系统振动分析理论及应用[M].北京:中国铁道出版社，1999

[5]翟婉明.车辆-轨道耦合动力学[M].北京:中国铁道出版社，1997

[6]Chang Hun Lee， Chul Woo Kim， et al. Dynamic response analysis of monorail bridges under moving trains and riding comfort of trains[J]. Engineering Structures， 2005，27(14):1999-2013

[7]马继兵，蒲黔辉，夏招广.跨座式单轨交通系统车辆的乘坐舒适性性能测试与分析[J].都市快轨交通,2006，19(6):46-50

[8]马继兵.跨座式单轨交通系统静动力行为研究[D].成都：西南交通大学，2008

[9]周智辉，曾庆元，向俊.桥梁横向刚度对桥上列车走行安全性的影响[J].铁道工程与科学学报，2005，2(2):30-33

[10]Lee C H， Kawatani M， et al. Dynamic response of a monorail steel bridge under a moving train[J]. Journal of Sound and Vibration， 2006，294:562-579

中图分类号：U232； U260.11+1； U211

文献标识码：A

文章编号：1672-7479(2016)01-0085-03

作者简介：刘国(1989—)，男，2014年毕业于中南大学，硕士，助理工程师。

收稿日期：2015-11-23