側(cè)風(fēng)對(duì)高速動(dòng)車組運(yùn)行安全性的影響研究

劉帥,梁樹林,羅赟,王歡聲,池茂儒

(西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610031)

0 引言

早在20世紀(jì)70年代,國外學(xué)者就開始研究側(cè)風(fēng)對(duì)軌道車輛運(yùn)行性能的影響,研究表明,空氣動(dòng)力對(duì)車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)有著明顯的影響[1-2]。我國的高速鐵路建設(shè)起步相對(duì)較晚,近些年來隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,我國的高鐵建設(shè)取得了舉世矚目的成就。不斷創(chuàng)造奇跡和驚喜,是中國高鐵給人們留下的最深刻印象。然而我國幅員遼闊、地勢(shì)復(fù)雜,鐵路線路經(jīng)常會(huì)位于特大橋梁、高架橋、路堤、丘陵、山區(qū)風(fēng)口地段以及導(dǎo)致側(cè)向氣動(dòng)力與離心力疊加的曲線線路等風(fēng)力較大的區(qū)域,在這些區(qū)域列車流場(chǎng)明顯改變,導(dǎo)致列車掉軌、翻車的可能性大大增加,嚴(yán)重危及車輛的運(yùn)行安全[3-5]。

王璐雷等[6]介紹了3種強(qiáng)側(cè)風(fēng)監(jiān)測(cè)以及控制系統(tǒng),重點(diǎn)研究了強(qiáng)側(cè)風(fēng)對(duì)高速列車運(yùn)行安全性的影響。研究表明在強(qiáng)側(cè)風(fēng)的作用下,隨著高速列車運(yùn)行速度的增加,列車的動(dòng)力學(xué)性能也會(huì)變得越來越差,在危險(xiǎn)的情況下,有必要采取減速甚至停車等措施來保障安全。田紅旗等[7]通過對(duì)高速列車氣動(dòng)力性能研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)軌道車輛在惡劣風(fēng)的工況下運(yùn)行時(shí),會(huì)對(duì)列車運(yùn)行的穩(wěn)定性以及舒適性產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響。公衍軍等[8]基于多體動(dòng)力學(xué)軟件Simpack建立某高速動(dòng)車組的動(dòng)力學(xué)模型,介紹了側(cè)風(fēng)安全性的計(jì)算方法,并詳細(xì)分析了側(cè)風(fēng)對(duì)列車運(yùn)行安全性的影響規(guī)律,明確指出由于鐵道車輛輪軌匹配關(guān)系的特殊性,導(dǎo)致列車在運(yùn)行時(shí)側(cè)風(fēng)對(duì)其動(dòng)力學(xué)性能的影響很大。因此,在車輛的設(shè)計(jì)階段,將側(cè)風(fēng)影響予以考慮是一個(gè)不可或缺的環(huán)節(jié)。

本文以我國某時(shí)速400 km中國標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)車組為研究對(duì)象,參照高速列車運(yùn)行安全性相關(guān)限定標(biāo)準(zhǔn),對(duì)其側(cè)風(fēng)安全性進(jìn)行計(jì)算分析,提出不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速下高速列車的最高安全運(yùn)行速度,為特殊風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組的安全運(yùn)行提供理論依據(jù)。

1 車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型建立

高速列車是一個(gè)復(fù)雜的多體系統(tǒng),不但有各部件之間的相互作用力和相對(duì)運(yùn)動(dòng),而且還有輪軌之間的相互作用關(guān)系。為了更好地模擬國內(nèi)某時(shí)速400 km中國標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)車組的運(yùn)行性能,建模時(shí)將車輛橫向運(yùn)動(dòng)和垂向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行耦合。

動(dòng)力學(xué)模型由3節(jié)車組成,每節(jié)車由1個(gè)車體、2個(gè)構(gòu)架、4個(gè)輪對(duì)、8個(gè)軸箱轉(zhuǎn)臂、6個(gè)車下設(shè)備以及車輛懸掛系統(tǒng)組成。高速列車的車輪踏面外形采用LMA型踏面,鋼軌為中國標(biāo)準(zhǔn)60kg/m軌,輪對(duì)內(nèi)側(cè)距沿用中國標(biāo)準(zhǔn)1 353mm,軌底坡1∶40,軌距1 435mm。基于動(dòng)力學(xué)參數(shù),采用“自下而上”的建模步驟,在SIMPACK軟件中建立高速列車參數(shù)化的多體動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖1所示。

圖1 時(shí)速400 km中國標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)車組的動(dòng)力學(xué)模型

2 側(cè)風(fēng)安全性計(jì)算方法

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)仿真和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果,作用在車體上的側(cè)風(fēng)載荷不僅有橫向力Fy,還有升力Fz、側(cè)滾力矩Mx、點(diǎn)頭力矩My和搖頭力矩Mz,側(cè)風(fēng)載荷不僅與風(fēng)速有關(guān),還與車速有關(guān),各個(gè)力和力矩如式(1)—式(5)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:ρ0為空氣密度;va為側(cè)風(fēng)風(fēng)速與車輛運(yùn)行速度的合成速度;β為合成速度與車輛運(yùn)行速度之間的夾角;A0為參考面積;d0為參考長度;cFy、cFz、cMx、cMy、cMz為氣動(dòng)系數(shù)。

某主機(jī)廠提供的空氣動(dòng)力學(xué)載荷系數(shù)的坐標(biāo)系取法如下:動(dòng)車組前進(jìn)的方向?yàn)閤軸;z軸平行于軌道平面指向右方;y軸垂直于軌道平面指向上方,如圖2所示。傾覆力矩參考點(diǎn)y方向(車體寬度方向)距離動(dòng)車組中心線順風(fēng)向0.6 m,z方向(車體高度方向)在軌道面,俯仰力矩和偏轉(zhuǎn)力矩的矩中心均為各節(jié)車的中心位置。

圖2 動(dòng)車組模型車體軸系示意圖

EN14067中規(guī)定的空氣動(dòng)力學(xué)坐標(biāo)系和某主機(jī)廠提供的空氣動(dòng)力學(xué)坐標(biāo)系不同,二者僅升力方向和偏轉(zhuǎn)力矩方向是反向的,其余方向均同號(hào)。為了與EN14067中給出的動(dòng)車組頭車氣動(dòng)系數(shù)相對(duì)比,在計(jì)算氣動(dòng)系數(shù)時(shí),首先需要在升力和偏轉(zhuǎn)力矩上變號(hào)。

在變換升力和偏轉(zhuǎn)力矩方向后,采用EN14067中規(guī)定的坐標(biāo)系進(jìn)行氣動(dòng)系數(shù)的計(jì)算。氣動(dòng)載荷中力矩與取矩位置有關(guān),因此需要將氣動(dòng)載荷變換到EN14067坐標(biāo)系上去,如圖3所示。力矩變換到EN14067規(guī)定的坐標(biāo)系后,就可以采用式(1)—式(5)氣動(dòng)系數(shù)與氣動(dòng)力的關(guān)系式,反求出氣動(dòng)系數(shù)。

圖3 不同坐標(biāo)系間力矩關(guān)系

彭祎愷等[9]深入研究了在定常穩(wěn)態(tài)風(fēng)載模型、瞬態(tài)“中國帽”風(fēng)載模型、非定常隨機(jī)風(fēng)載模型等3種風(fēng)載模型下的高速列車運(yùn)行安全性問題,研究表明瞬態(tài)“中國帽”風(fēng)載模型相較于其他風(fēng)載模型更安全,很適用于我國大風(fēng)區(qū)域車輛安全性評(píng)價(jià)。瞬態(tài)“中國帽”風(fēng)載模型如圖4所示,在仿真的開始階段,這些力由0線性增大到對(duì)應(yīng)風(fēng)速和車速下的恒定值,然后保持恒定一定的時(shí)間,再以指數(shù)函數(shù)的形式增大至最大值,隨后再減小至0。

圖4 瞬態(tài)“中國帽”風(fēng)載模型

3 基于中國帽的側(cè)風(fēng)安全性評(píng)估

鐵道車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能主要包括運(yùn)行平穩(wěn)性、安全性和曲線通過性3個(gè)方面,其中運(yùn)行安全性是鐵路運(yùn)輸過程中最重要也是最基本的要求。評(píng)價(jià)鐵道車輛運(yùn)行安全性的指標(biāo)主要有輪軸橫向力、輪軌垂向力、輪重減載率、脫軌系數(shù)、傾覆系數(shù)等,本文基于某時(shí)速400 km中國標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)車組的動(dòng)力學(xué)模型,計(jì)算其在施加“中國帽”側(cè)風(fēng)風(fēng)載的作用下,列車在不同風(fēng)速和車速下通過直線和曲線線路時(shí)的各安全性指標(biāo),并對(duì)何種指標(biāo)適宜作為側(cè)風(fēng)安全性的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了分析和探討,同時(shí)研究了風(fēng)速對(duì)列車最高安全運(yùn)行速度的影響規(guī)律。

一般將空氣動(dòng)力以集中力和力矩的形式施加在車體上。空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明,在側(cè)風(fēng)作用下,列車的頭車受到的空氣動(dòng)力最大,尾車次之,中間車最小,且當(dāng)側(cè)風(fēng)與軌道夾角為90°時(shí),車輛受到的風(fēng)載最大,此時(shí)列車的安全性能最差[10]。故本文在進(jìn)行側(cè)風(fēng)安全性分析時(shí),僅對(duì)最危險(xiǎn)的車輛(頭車)進(jìn)行計(jì)算分析。

3.1 直線上的側(cè)風(fēng)安全性

當(dāng)施加瞬態(tài)“中國帽”側(cè)風(fēng)風(fēng)載的列車行駛在直線線路上時(shí),頭車在不同風(fēng)速和車速下的各安全性指標(biāo)如圖5—圖9所示。

圖5 輪軸橫向力

圖6 輪軌垂向力

圖7 輪重減載率

圖8 脫軌系數(shù)

圖9 傾覆系數(shù)

圖5—圖9中粗線為相應(yīng)安全標(biāo)準(zhǔn)的限定值,粗線與不同風(fēng)速下的安全性指標(biāo)值曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)值即為該風(fēng)速下以這一指標(biāo)值確定的最高安全運(yùn)行速度。由圖5—圖9可知:當(dāng)列車行駛在直線線路上時(shí),隨著車速和風(fēng)速的增加,頭車的各安全性指標(biāo)值均逐漸增加。從各安全性指標(biāo)來看,輪軸橫向力、輪軌垂向力和脫軌系數(shù)的最高安全運(yùn)行風(fēng)速比輪重減載率和傾覆系數(shù)的最高安全運(yùn)行風(fēng)速大了許多,說明輪軸橫向力、輪軌垂向力和脫軌系數(shù)這3個(gè)指標(biāo)過于寬松,不適宜作為側(cè)風(fēng)安全性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。輪重減載率和傾覆系數(shù)的最高安全風(fēng)速較小,相對(duì)比較保守,故在進(jìn)行側(cè)風(fēng)安全性評(píng)價(jià)時(shí),結(jié)合輪重減載率和傾覆系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)較為適宜[11],即取同一風(fēng)速下輪重減載率及傾覆系數(shù)所確定的最高允許速度中的最低值為列車在該風(fēng)速下的最高安全運(yùn)行速度。

綜合輪重減載率和傾覆系數(shù)這兩個(gè)指標(biāo)對(duì)側(cè)風(fēng)安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)可知:側(cè)風(fēng)風(fēng)速越高,列車受到的氣動(dòng)載荷越大,列車最高安全運(yùn)行速度越低。當(dāng)平均風(fēng)速在10m/s～20m/s范圍內(nèi)時(shí),高速列車可以在460 km/h內(nèi)安全運(yùn)行;當(dāng)平均風(fēng)速達(dá)25m/s時(shí),車速需保持在280 km/h內(nèi);當(dāng)平均風(fēng)速達(dá)30m/s時(shí),車速需保持在150 km/h內(nèi)。

3.2 曲線上的側(cè)風(fēng)安全性

由于在強(qiáng)側(cè)風(fēng)條件下,確定列車在曲線上的最高安全運(yùn)行速度較為復(fù)雜,因?yàn)榇藭r(shí)列車的運(yùn)行安全性不僅與風(fēng)速有關(guān),還與曲線參數(shù)設(shè)置有關(guān)。因此本文通過在一段無軌道激擾的直線線路上加入未平衡離心力來等效模擬列車的曲線通過工況。

1)0.05g未平衡離心力作用下的側(cè)風(fēng)安全性

當(dāng)施加“中國帽”側(cè)風(fēng)風(fēng)載的列車在0.05g未平衡離心力的作用下通過一段無軌道激擾的直線線路時(shí),頭車在不同風(fēng)速和車速下的各安全性指標(biāo)如圖10—圖14所示。

圖10 0.05g未平衡離心力作用下的輪軸橫向力

圖11 0.05g未平衡離心力作用下的輪軌垂向力

圖12 0.05g未平衡離心力作用下的輪重減載率

圖13 0.05g未平衡離心力作用下的脫軌系數(shù)

圖14 0.05g未平衡離心力作用下的傾覆系數(shù)

由圖10—圖14可知:當(dāng)列車在0.05g未平衡離心力的作用下通過一段無軌道激擾的直線線路時(shí),隨著車速和風(fēng)速的增加,頭車的各安全性指標(biāo)均逐漸增加。綜合輪重減載率和傾覆系數(shù)兩個(gè)指標(biāo)對(duì)側(cè)風(fēng)安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)可知,側(cè)風(fēng)風(fēng)速越高,列車最高安全運(yùn)行速度越低。當(dāng)平均風(fēng)速在10m/s～15m/s范圍內(nèi)時(shí),高速列車可以在460km/h內(nèi)安全運(yùn)行;當(dāng)平均風(fēng)速達(dá)20m/s時(shí),車速需保持在320km/h內(nèi);當(dāng)平均風(fēng)速達(dá)25m/s時(shí),車速需保持在160km/h內(nèi);當(dāng)平均風(fēng)速達(dá)30m/s時(shí),列車需要進(jìn)一步降速至90km/h內(nèi)。

2)0.10g未平衡離心力作用下的側(cè)風(fēng)安全性

當(dāng)施加“中國帽”側(cè)風(fēng)風(fēng)載的列車在0.10g未平衡離心力的作用下通過一段無軌道激擾的直線線路時(shí),頭車在不同風(fēng)速和車速下的各安全性指標(biāo)如圖15—圖19所示。

圖15 0.10g未平衡離心力作用下的輪軸橫向力

圖16 0.10g未平衡離心力作用下的輪軌垂向力

圖17 0.10g未平衡離心力作用下的輪重減載率

圖18 0.10g未平衡離心力作用下的脫軌系數(shù)

圖19 0.10g未平衡離心力作用下的傾覆系數(shù)

由圖15—圖19可知:當(dāng)列車在0.10g未平衡離心力的作用下通過一段無軌道激擾的直線線路時(shí),隨著車速和風(fēng)速的增加,頭車的各安全性指標(biāo)均逐漸增加。綜合輪重減載率和傾覆系數(shù)兩個(gè)指標(biāo)對(duì)側(cè)風(fēng)安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)可知,當(dāng)平均風(fēng)速在10m/s～15m/s范圍內(nèi)時(shí),該高速列車可以在460km/h內(nèi)安全運(yùn)行;當(dāng)平均風(fēng)速達(dá)20m/s時(shí),車速需保持在200km/h內(nèi);當(dāng)平均風(fēng)速達(dá)25m/s時(shí),車速需保持在100km/h內(nèi);當(dāng)平均風(fēng)速達(dá)30m/s時(shí),列車需要進(jìn)一步降速至60km/h甚至停運(yùn)。

綜合以上各計(jì)算工況,當(dāng)列車行駛在不同線路上時(shí),不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速下高速列車的最高安全運(yùn)行速度曲線如圖20所示。

由圖20可知:風(fēng)速與列車最高安全運(yùn)行速度之間的關(guān)系并非是完全線性的,但總體趨勢(shì)是風(fēng)速越高,列車的最高安全運(yùn)行速度越低。在風(fēng)速一定的情況下,隨著未平衡離心力的增加,車輛允許的最高安全運(yùn)行速度也在降低。

圖20 不同線路及側(cè)風(fēng)風(fēng)速下列車最高安全運(yùn)行速度

4 結(jié)語

本文通過對(duì)我國某時(shí)速400km的中國標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)車組進(jìn)行側(cè)風(fēng)安全性計(jì)算分析,得出不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速下高速列車的最高安全運(yùn)行速度,該項(xiàng)研究表明:

1)從各安全性指標(biāo)來看,輪軸橫向力、輪軌垂向力和脫軌系數(shù)這3個(gè)指標(biāo)過于寬松,不適宜作為側(cè)風(fēng)安全性的評(píng)價(jià)指標(biāo),輪重減載率和傾覆系數(shù)的最高安全風(fēng)速較小,相對(duì)比較保守,所以在進(jìn)行側(cè)風(fēng)安全性評(píng)價(jià)時(shí),結(jié)合采用輪重減載率和傾覆系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)較為適宜;

2)側(cè)風(fēng)風(fēng)速越高,列車受到的氣動(dòng)載荷越大,列車的最高安全運(yùn)行速度越低,車輛的運(yùn)行速度越高,其允許的最高安全風(fēng)速越低;

3)在風(fēng)速一定的情況下,隨著未平衡離心力的增加,車輛允許的最高安全運(yùn)行速度降低。因此在車輛通過強(qiáng)風(fēng)區(qū)時(shí),建議車輛采取限速、停運(yùn)等措施來保證安全。