轮胎式高速铁路隧道检测车车辆稳定性分析

2020-09-04王鹏高春雷徐济松张世红何国华

铁道建筑 2020年8期

王鹏高春雷徐济松张世红何国华

（中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

截至2019年底，中国在建高速铁路隧道1 331座，累计长度约2 560 km；规划高速铁路隧道3 208 座，累计长度约7 975 km［1］。高速铁路隧道衬砌施工质量的检测面临繁重的任务和迫切的需求。

轮胎式高速铁路隧道检测车可通过车载地质雷达、图像识别等检测手段，在竣工验收期检测隧道衬砌和底部结构存在的内部空洞、不密实和衬砌表观裂缝等质量缺陷［2-4］。新建高速铁路隧道竣工验收一般在隧道贯通、衬砌与填充层施工完成后，道床施工前进行［5］。检测车现场作业面临着几大问题：①新建隧道空间大，拱顶检测高度离地将近10 m，使得机械臂伸展后检测车重心位置高；②检测车机械臂托举地质雷达采用非接触式检测，雷达天线与衬砌表面间距要求保持在（10±2）cm，而隧道处于建设期，地面往往不平顺；③在新建隧道间转场，检测车需要在恶劣路况和大坡道上行驶。因此，轮胎式隧道检测车的稳定性关系着车辆运行的安全和衬砌检测数据的可靠性。

1 车辆运行工况

轮胎式高速铁路隧道检测车（图1），由轮胎式移动车体、检测作业平台、机器人自动追踪系统、衬砌检测系统等组成［6］。其中检测作业平台分为动力间、作业区和控制室3部分。作业区依次布置3套机械臂。

图1 轮胎式高速铁路隧道检测车

检测车运行最高速度80 km/h，检测作业速度3～10 km/h。根据车辆状态和运行速度的不同，设定3 种分析工况，见表1。

表1 分析工况

隧道检测车总质量26 t。3 种工况下3 套机械臂的位置和姿态都不一样，整车重心位置将发生变化。以检测车前轮与地面接触中心为原点，宽度方向为x轴，高度方向为y轴，长度方向为z轴建立坐标系，由此可得3种工况整车重心位置，见表2。

表2 检测车3种工况整车重心位置 mm

2 不同工况稳定性分析

2.1 侧翻稳定角

无论检测车是处于静止状态还是运行状态，要想稳定，必须满足一个条件：整车前后轴的车轮与地面的接触力不为0，即此时车辆前后轴的车轮都与地面接触，且前后轴轮胎的载荷分配合理［7］。按前述坐标系，建立隧道检测车侧翻计算模型，如图2 所示。其中：x0为水平状态x向整车重心偏移量；α为路面的横向坡角；H为整车重心高度；B为轮距；Fy0，Fy1为弯道内侧、外侧垂直车轮载荷；ax为侧向加速度。

图2 隧道检测车侧翻计算模型

作业过程中隧道检测车的稳定性受多种因素影响，如横向坡角、悬架刚度、轮胎刚度等［8-10］。由于机械臂举升高度的变化，整车重心位置随之变化，这些因素相互影响。因此检测车作业过程是一个时时变化的动态过程。要使检测车不侧翻，应满足［11］

式中：M为整车总质量；g为重力加速度。

为保证车辆运行安全，α应小于侧翻稳定角αmax，即

计算可得隧道检测车不同工况下侧翻稳定角，见表3。

表3 检测车不同工况下侧翻稳定角

2.2 侧翻安全阈值

实际作业时，检测车侧翻因素还应考虑由于侧风、路面不平顺、横向坡角变化以及检测车作业时机械臂姿态调整等产生的侧向加速度ax。为防止检测车发生侧翻，须满足［12-13］

定义检测车发生侧翻时其重心位置的侧向加速度axmax为检测车侧翻安全阈值。其计算公式为

由式（4）计算可得隧道检测车各工况在不同横向坡角下的侧翻安全阈值，见表4。侧翻安全阈值可作为检测车运行稳定性的评判依据。

表4 侧翻安全阈值

2.3 上下坡倾覆临界角

隧道检测车上坡如图3（a）所示。其中：β1为上坡路面坡角；L为车辆Ⅰ轴和Ⅲ轴之间的距离；z0为水平状态z向整车重心偏移量。

图3 隧道检测车上下坡示意

在满足驱动功率情况下，为防止检测车因重心偏移引起后翻倾覆，应满足

β1应小于或等于上坡倾覆临界角β1max，即

隧道检测车下坡如图3（b）所示。其中：β2为下坡路面坡角。为防止检测车因重心偏移引起前翻倾覆，应满足

β2应小于或等于下坡倾覆临界角β2max，即

由式（6）、式（8）计算可得不同工况隧道检测车上下坡倾覆临界角，见表5。

表5 不同工况隧道检测车上下坡倾覆临界角

3 稳定性试验

3.1 侧翻稳定性试验

GB 7258—2017《机动车运行安全技术条件》［14］中规定，应试验验证检测车侧翻稳定性是否满足要求。根据GB/T 14172—2009《汽车静侧翻稳定性台架试验方法》［15］在武汉中国汽车技术研究中心进行试验。隧道检测车静止于商用车侧翻试验台，侧翻试验角度逐步加大到28°，检测车在该位置静置10 min，稳定无异常。