广州地铁2号线车辆振动试验分析

邓 锋，张三多

（广州市地铁集团有限公司，广东广州 510440）

广州地铁2号线车辆振动试验分析

邓 锋，张三多

（广州市地铁集团有限公司，广东广州 510440）

文章针对广州地铁 2 号线部分区间在车辆通过时出现振动大、噪声大的情况，开展了车辆振动试验，对比不同区间的振动差异，评估车辆运行平稳性。根据各区间振动情况，分析造成列车振动的原因并提出改善措施。

地铁车辆；振动；平稳性；改善措施

1　振动试验

广州地铁 2 号线行车线路为嘉禾望岗站—广州南站，整体为南北 S 型走向，全长 31.8 km，共设 24 座车站、1 个车辆段和 1 个停车场。列车为南车株洲电力机车有限公司生产制造，运营时速为 80 km/h，列车全部为 A 型车，采用“四动两拖”6 节编组形式。试验时，列车跟随尾班车，以 ATO 模式运行一个往返，停站不开门。

根据测量列车在运行过程所产生的振动加速度来分析在不同区间车辆的振动差异，试验加速度传感器采用瑞士 KISTLER 公司生产的量程为 5g 和 500g 加速度传感器，数据采集系统采用的是奥地利 DEWESOFT 公司的 DEWE 测试仪，加速度传感器安装在左右轴箱以及客室内转向架中心上方左侧 1 000 mm 处，如图 1 所示。将加速度传感器与 DEWE-5000 测试主机相连，测试系统如图 2 所示。轴箱振动加速度信号采样频率设为 1 000 Hz，客室振动加速度信号采样频率设为500 Hz，车辆速度信号采样频率设为 100 Hz，将每个线路区间的采样数据作为 1 个数据段。

图 1 传感器安装位置（单位：mm）

图 2 车辆振动加速度测试系统示意图

2　振动数据分析

2.1振动数据处理及评价标准

2.1.1振动数据预处理

振动信号预处理的目的是将振动测试中采集到的数据尽可能地还原成实际振动情况，主要方法如下：

（1）消除多项式趋势项。由于传感器随着温度的变化会产生零点漂移，以及传感器受周围环境的干扰，使得最后得到的数据与基线偏离，并且这种偏离会随着时间的变化而变化，因此，需要消除这种变化趋势，常用的消除趋势项的方法为多项式最小二乘法。

（2）平滑处理。数据采集系统得到的振动数据往往会叠加有噪声信号，而随机产生的干扰信号频带较宽，有时高频成分占了很大的比例，会使得采集到的数据绘制成振动曲线时呈现许多毛刺，很不平滑。为了削弱干扰信号的影响，提高曲线光滑度，需要进行平滑处理。本次数据处理采用了五点三次平滑法处理，该处理方法可以用作时域和频域信号平滑处理，对于时域数据的作用是能够减少混入振动信号中的高频随机噪声，而对于频域数据的作用是能够使谱曲线变得光滑以便得到较好的拟合效果。

（3）低通滤波。滤波的目的是从所采集到的离散信号中选取需要研究的一部分信号，由于人体能够感知到的振动频率范围是 1～1 000 Hz，所以对轴箱及客室振动信号进行 1 000 Hz 低通滤波。

2.1.2振动评价标准

根据 GB 5599-85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》的规定对车体加速度频谱进行分析，以 2 s 为 1 段，每 1 段取 512 个采样点，对每段的 512个采样点进行快速富里叶变换（FFT）得频谱，然后经频谱加权计算得到平稳性指标 W。

地铁车辆振动平稳性可以按照公式（1）进行计算：

式（1）中，W 为平稳性指标； A 为振动加速度，g；f 为振动频率，Hz；F（ f ）为频率修正系数，见表1。

如果在一个振动方向同时存在多种频率成分时，那么该振动方向上的平稳性指标 W 可以按照公式（2）计算：

平稳性的评价分为优、良好、合格 3 个等级，评价等级如表 2 所示。

表 1 频率修正系数

表 2 客车平稳性指标等级

2.2数据分析

（1）试验数据显示，整体上广州地铁 2 号线车辆轴箱振动下行（嘉禾望岗站—广州南站）比上行（广州南站—嘉禾望岗站）要大一些，如图 3、图 4 所示，轴箱振动最大的区间是广州火车站—越秀公园站（图 4 中“I”区间，279.2g）。而客室振动上行和下行相比基本上相差不大，客室振动最大的区间是纪念堂站—公园前站（图 6 中“K”区间，2.97g）和三元里站—飞翔公园站（图 5 中“G”区间，2.98g）。

（2）对比上行和下行轴箱左右两侧振动数据发现，下行轴箱右侧振动要比左侧大一些，而上行轴箱左侧振动要比右侧大一些，这和广州地铁 2 号线的线路走向有关。广州地铁 2 号线整体为南北走向，从嘉禾望岗站—广州南站的下行方向有比较多向右的弯道曲线，列车按照下行路线运行时，弯道内侧的振动会大一些。

（3）上行右侧轴箱垂向振动最大值为150.7g，发生在市二宫站—海珠广场站区间（图 3 中“M”区间），上行左侧轴箱垂向振动最大值为 167.4g，发生在石壁站—会江站区间（图 3 中“V”区间）；下行右侧轴箱垂向振动最大值为 207.8g，发生在纪念堂站—公园前站区间（图 4 中“K”区间），下行左侧轴箱垂向振动最大值为 148.6g，发生在白云公园站—飞翔公园站区间（图 4 中“F”区间）；上行客室垂向振动最大值为 2.97g，发生在三元里站—飞翔公园站区间（图 5 中“G”区间），下行客室垂向振动最大值为 2.98g，发生在纪念堂站—公园前站区间（图 6 中“K”区间）。

（4）上行轴箱右侧纵向振动最大值为 52.46g，发生在江泰路站—昌岗站区间（图 3 中“P”区间），上行左侧轴箱纵向振动最大值为 135.3g，发生在石壁站—会江站区间（图 3 中“V”区间）；下行轴箱右侧纵向振动最大值为 143.3g，发生在广州火车站站—越秀公园站区间（图 4 中“I”区间），下行轴箱左侧纵向振动最大值为 204g，发生在越秀公园站—纪念堂站区间（图 4 中“J”区间）；上行客室纵向振动最大值为 0.89g，发生在三元里站—飞翔公园站区间（图 5 中“G”区间），下行客室纵向振动最大值为 0.46g，发生在纪念堂站—公园前站区间（图 6 中“K”区间）。

（5）上行轴箱右侧横向振动最大值为 78.2g，发生在广州火车站站—三元里站区间（图 3 中“H”区间），上行左侧轴箱横向振动最大值为169.3g，发生在石壁站—会江站区间（图 3 中“V”区间）；下行轴箱右侧横向振动最大值为 279.2g，发生在广州火车站站—越秀公园站区间（图 4 中“I”区间），下行轴箱左侧横向振动最大值为 172.3g，发生在越秀公园站—纪念堂站区间（图 4 中“J”区间）；上行客室横向振动最大值为1.91g，发生在广州南站站—石壁站区间（图 5 中“W”区间），下行客室纵向振动最大值为 1.46g，发生在南洲站—洛溪站区间（图 6 中“S”区间）。

图 3 上行轴箱振动峰值

图 4 下行轴箱振动峰值

图 5 上行客室振动峰值

图 6 下行客室振动峰值

（6）上行和下行各方向上振动最大值如表 3 所示。由表 3 可见，整个上行和下行区间振动最大的是广州火车站站—越秀公园站区间轴箱右侧垂向振动，达到了 279.2g，当时车辆的运行速度为 61 km/h 左右。

（7）地铁车辆通过广州火车站站—越秀公园站区间时垂向振动的能量主要集中在150～180 Hz、330～350 Hz的频带上，纵向振动的能量主要集中在频率为330～380 Hz 的频带上，横向振动的能量主要集中在频率为 330～380 Hz、459～675 Hz 的频带上，如图 7所示。

（8）纪念堂站—公园前站和三元里站—飞翔公园站 2 个区间轴箱振动不大，但是客室垂向振动是最大的，在数据采集时能够感受到 2 个区间振动与噪声较大。其中纪念堂站—公园前站振动能量集中在频率为160～210 Hz 左右的频带上，如图 8 所示；三元里站—飞翔公园站振动能量集中在频率为 90～110 Hz的频带上，如图 9 所示。

（9）根据车辆的运行状况（启动阶段、停车阶段、高速阶段、变速阶段、大振动阶段等），将每个区间的数据分段求出车辆的运行平稳性指标，见表 4。表 4 数据表明，广州地铁 2 号线各区间车辆平稳性指标均小于 2.5，平稳性等级均达到 1 级，处于优等。

图 7 广州火车站—越秀公园站区间车辆振动频谱图

图 8 纪念堂站—公园前站区间客室垂向振动频谱图

图 9 三元里站—飞翔公园站区间客室垂向振动频谱图

3　振动原因分析及解决方法

3.1车辆方面的振动原因

（1）一系、二系悬挂装置。车辆的振动加速度与所采用的一系、二系悬挂装置的阻尼系数和刚度 2 个物理量有很大关系，因此，可以通过选用不同材质的弹簧或者调整其结构和尺寸等方式来改善一、二系悬挂装置的刚度和阻尼系数，从而减小车辆振动。然而一、二系弹簧的调整对于行车安全有很大的影响，调整需要进行科学论证。

（2）车辆轮对椭圆偏心。列车在运行过程中，轮对磨损不均匀，极容易出现轮对椭圆偏心的现象，这就要求在检修过程中定期核查轮径值，及时进行轮对镟修作业。

3.2线路方面的振动原因

（1）钢轨接头。广州地铁 2 号线钢轨施工采用的是隧道内接触焊的方式，由于作业现场环境以及焊接工艺方面的影响，导致钢轨接头焊接质量不过关，使得车辆经过这些位置时有比较大的冲击力。为此，可以对钢轨接头进行焊修焊补，改善接头位置的轨道不平顺情况。

表 3 上行和下行各方向上振动最大值 g

表 4 车辆运行平稳性指标

（2）道岔缝隙。车辆经过道岔区时由于岔心存在有害空间使得车辆振动加剧，现在还没有妥善的解决办法，只能密切注意该区间道岔和轨道的磨耗情况，切实加强道岔区的维护保养工作。

（3）钢轨波磨。钢轨波磨是造成列车振动的原因之一，针对这种情况，可以通过钢轨打磨车进行周期性打磨作业，消除钢轨波磨对车辆振动的影响，如果对钢轨波磨不加以控制，钢轨波磨情况将会急剧发展。

4　结束语

通过对广州地铁 2 号线车辆振动试验分析，可见广州地铁 2 号线各区间车辆平稳性均达到优等，但是部分区间车辆的平稳性指标接近 2.5，可能会影响到乘客乘坐的舒适性。为防止振动情况加剧，应该从车辆和轨道两方面入手，维护好车辆和轨道的状态，提高地铁车辆的运行平稳性。

［1］ 余枫，贾影. 地铁振动及其控制的研究［J］ . 都市快轨交通，2005，18（6）：61-64.

［2］ 王保坚. 地铁车辆振动分析及解决方法［J］. 电力机车与城轨车辆，2009，32（3）：50-51.

［3］ 董霜，朱元清. 环境振动对人体的影响［J］. 噪声与振动控制，2004（3）：22-25.

［4］ GB/T13442-92 人体全身振动暴露的舒适性降低限界和评价准则［S］. 1992.

［5］ GB5599-85 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范［S］. 1985.

责任编辑 朱开明

Vehicle Vibration Test and Analysis on Guangzhou Metro Line 2

Deng Feng， Zhang Sanduo

In view of big vibration and big noise caused by passing vehicles in some sections of Guangzhou metro line 2， this paper conducts some vehicle vibration tests，makes comparison on the vibration difference of different sections and evaluation on the stability of vehicle running performance. According to the vibration in each section，the cause of the train vibration is analyzed and the improvement measures are put forward.

metro， vehicle， vibration， stability，improvement measures

U270.1.1

2016-04-17

邓锋（1988—），男，硕士