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）

發展城市軌道交通是解決大城市交通問題的發展方向，也是建設綠色城市、智能城市的有效途徑［1］。繼續大力發展軌道交通事業，構建綠色、安全、智能的立體化現代化城市交通系統。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展。本世紀初地鐵運行速度僅有80 km/h，現階段 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有地鐵車輛技術發展需求。

1 地鐵車輛軸重超標狀況

1.1 標準介紹及現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，規范定義的傳統A 型地鐵，其相關功能與軸重是相匹配的?，F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展，車輛呈現出快速化、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。目前新研發地鐵A 型車輛軸重很多已超過16 t 限制，接近17 t。

1.2 現階段采取措施

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，城市干線現有6 節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］。部分重點區域甚至需要建設新線以緩解現有線路壓力。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絡遠郊區域等對速度有一定要求線路，并不能簡單用于現有市區內地鐵車輛設計。

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。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 種車輛主要參數見表2。

表2 2 種軸重地鐵部分動力學參數對比

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據進行對比。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，同時與實測數據進行對比，見表3。導向輪對對應輪軌作用仿真值和實測數據分別相差7.97%、7.48%，幾個數值均相差較小，證明動力學模型準確。

表3 R300 曲線性能對比

2.2.3 2 種軸重車輛穩定性對比

車輛穩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。通過分析發現，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GB/T 5599-2019 標準，可將車輛平穩性分為橫向平穩性和垂向平穩性，其具體等級評價見表4。

表4 車體平穩性指標等級表

按照GB/T 5599-2019 標準要求，對車輛平穩性指標進行測量時，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性指標最大值為2.48；16 t 軸重地鐵車輛橫向平穩性指標最大值為2.55 如圖3（a）所示。17 t 軸重地鐵車輛垂向平穩性指標最大值為2.50；16 t 軸重地鐵車輛垂向平穩性指標最大值為2.25 如圖3（b）所示。依據標準17t 軸重和16 t 軸重地鐵車輛穩定性均滿足標準要求，但兩者僅相差10%。

圖3 地鐵車輛平穩性指標

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，與同狀態下的直線行駛相比，更容易導致脫軌，發生事故，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如圖5 所示。16 t 軸重車輛導向輪對脫軌系數最大達到0.59，17 t 軸重車輛車輛導向輪對脫軌系數最大達到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

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 現場型式試驗分析

3.1 車輛試驗條件

試驗依據GB/T 5599-2019《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》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行。

3.2 地鐵車輛動力學試驗

曲線工況下安全性指標統計包括脫軌系數、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 曲線安全性指標統計

表7 直線平穩性指標統計

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性最大的平均值分別為1.84 和1.93；橫向平穩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。

由試驗數據可知：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快速發展而出現的新問題，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）。國內各城市根據實際線路定位及規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場型式試驗等方面入手分析了2種軸重車輛性能差異，發現軸重相差1 t 情況下性能相差很小，均滿足標準要求。針對17 t 地鐵型式試驗數據進行分析，發現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。