大風工況動車組運行速度限值研究

許自強， 何德華, 于衛東

(中國鐵道科學研究院　機車車輛研究所, 北京 100081)

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大風工況動車組運行速度限值研究

許自強， 何德華, 于衛東

(中國鐵道科學研究院機車車輛研究所, 北京 100081)

對于高速動車組，在風區會設置擋風墻以保證大風環境下的列車運行安全、提高列車運行速度。通過對高速動車組氣動特性以及軌道動力學特性的綜合分析可以得出列車安全運行極限速度。本文主要針對蘭新客運專線采用的CRH2C型動車組展開研究，采用模擬仿真的方法，分析車輛運行速度、不同線路條件、不同風載荷情況下列車安全性能。分析發現：當風速大于30 m/s，動車組最高運行速度為160 km/h；當風速小于20 m/s，動車組最高運行速度250 km/h。通過仿真分析，得到了蘭新客運專線CRH2C型動車組大風風速與列車最高安全運行速度之間的關系，為蘭新客運專線高速動車組運行大風工況運行限速提供理論依據。

蘭新客運專線； 動車組； 大風； 輪軌動力學； 運行速度限值

環境風對高速動車組的運行平穩性、安全性影響很大，過大的風速不但影響乘客的舒適度甚至會威脅運行安全。為了保證高速動車組的運行安全，司機必須根據風速的大小對動車組的運行速度進行及時調整[1-2]。

針對大風條件下，高速列車的空氣動力學、動力學問題，國內外科研人員開展了大量的研究工作。一些科研人員通過對橫風效應所引起的安全性問題進行了分析，把計算流體力學和動力學仿真結合起來對高速列車的安全速度進行了研究[3-8]，研究將列車的幾何外形進行了過度簡化，并將橫風風場取為均勻風，但是由于過度簡化，導致了分析環境與實際運行狀態差距較大，分析精度并不高；還有些科研人員將不同的風載模型，以激擾的形式輸入動力學模型中研究車輛的運行性能[9-12]，由于輸入的風載與實際風載不同，分析得到的結果與實際情況有誤差。

以我國CRH2C型高速動車組為研究對象，分析該型高速動車組在平原高路堤、橋梁上兩種環境下運行的列車性能。首先，根據改型動車組真實外形進行詳細建模，采用STAR-CCM+軟件對高速列車以不同行駛速度在不同風速橫風中運行時的氣動特性進行仿真分析。其次，將計算的六向風載以時間函數的形式輸入SIMPACK軟件進行動力學仿真分析。最后通過分析結果，初步得到線路設置擋風墻結構后的橫風作用下，CRH2C型高速動車組的最大安全運行速度限值與橫風風速之間的關系，為動車組實際運行限速提供依據。

1　橫風作用下高速列車的空氣動力學分析

通過模型試驗，確定了數值模擬方法的適用性，對CRH2C型高速動車組在平原上運行的橫風效應進行分析。

1.1計算模型

由于列車中部截面不變，縮短的模型不改變列車流場結構的基本特征[6]，模型采用3輛車編組，即頭車+拖車+尾車，考慮真實的轉向架、受電弓和風擋等結構。

主要計算工況和條件是：

(1)路況參考蘭新第二雙線路堤(高10.89 m，單側4 m高擋風墻)與橋梁(高40.9 m，設置雙側3.5 m擋風屏，擋風屏上方2 m為20%透孔，下方為10%透孔)；

(2)計算車速為120,160,180,200,250,275 km/h；橫風采用大氣底層邊界速度型，風速分別為10～60 m/s，橫風風向角為90°，共120個組合工況進行氣動荷載模擬計算；

(3)采用相對運動模擬列車附近的外流場。使用剪切應力輸運SST模型湍流模型，流場內黏性流體為可壓縮、定常流動。用有限體積法(FVM)將控制方程離散，擴散項用二階精度中心差分格式離散，用分離式解法對離散后的控制方程組求解。使用SIMPLE法耦合壓力-速度場，壓力采用迭代法修正。

1.2計算域及網格劃分

流場計算模型參照文獻[8]，計算域的長度為420 m、寬度為420 m、高度為100 m。列車頭部鼻尖處到計算域前端邊界距離取120 m，尾部距計算域后端邊界距離取300 m，橫風入口距列車的距離取120 m，橫風出口距列車的距離取300 m。采用六面體網格，在車體表面及地面處生成邊界層網格，加密尾流、列車表面和受電弓等流場變化較大區域的網格。整個計算區域的網格總數約為3 100萬個，動車組附近網格如圖1所示。

圖1　動車組附近網格劃分

1.3氣動作用力計算

將列車各個壁面上每個單元受的壓力值進行面積積分，即可得到該面受到的氣動力值，將這些力向某一點簡化，即可得到相應的氣動力矩值[13]。

(1)

其中Fpx、Fpy、Fpz分別為空氣壓差阻力、空氣壓升力和空氣壓差橫向力；Fτx、Fτy、Fτz分別為表面空氣摩擦阻力、表面空氣摩擦升力和表面空氣摩擦橫向力；Pbx、Pby、Pbz分別為列車的表面壓力Pb在x、y、z向的分力；τix、τiy、τiz分別為表面切應力τ在X、Y、Z方向上的分量；SF為列車的外表面積,m2。

由于高速列車是由多節相對獨立的車輛編組在一起的，列車的整體失穩也是由某節或某幾節車輛失穩引發的，所以分析列車的氣動力矩實際上是分析車輛的氣動力矩[13]。車輛空氣力矩是由空氣阻力、升力、橫向力共同作用，繞三個坐標方向產生的力矩，包括側滾力矩(繞x軸)、點頭力矩My(繞y軸)和搖頭力矩Mz(繞z軸)。

(2)

Fxk、Fyk、Fzk分別為車輛阻力、升力、橫向力(N)，下標k代表車號；lij是方向的空氣力到力矩原點在j方向的距離(m)，下標i=x、y、z；j=x、y、z；其中i為空氣力方向的下標，y為空氣力與力矩原點距離方向的下標，如lxy即為x方向的空氣力到力矩原點沿y方向的距離。

1.4高速列車的氣動荷載

經過仿真計算發現，橫風通過路堤時風速在路堤頂部達到最大，并且將在擋風墻背面形成渦流，雖然橋梁高度高于路堤，但是橫風的流場較路堤更加均勻，所以路堤工況比橋梁工況的橫風載荷大。由于工況較多，僅在表1中列出了部分路堤工況的計算結果。

表1　車速250 km/h時，部分橫風載荷的瞬時最大值

從表1中發現，在這兩個速度的橫風作用下，中間車受到的風載最大，而且6個方向載荷中側向力以及搖頭力矩的數值最大，對動車組運行性能影響貢獻最高。

2　橫風作用下高速列車的動力學仿真

2.1動力學仿真模型

根據CRH2C型高速動車組的結構參數與懸掛參數，建立了CRH2C型高速動車組的動力學模型，如圖2所示，模型充分考慮了車體、構架、輪對、軸箱轉臂等車體大部件。

在實際運行中，動車組車間設置有橫向、垂向阻尼，可以顯著減小搖頭力矩的作用，所以本文建立了3節連掛的動車組模型。在模型中，相鄰動車車輛間考慮了對稱布置的橫向、垂向減振器，其作用主要是降低動車的搖頭力矩。動車間還采用了具有三向剛度的彈簧力元模擬鉤緩裝置，傳遞列車間的縱向力。

2.2動力學仿真結果

圖3～圖6為動車組運行速度180，200，250，275 km/h，橫風風速25～45 m/s的各項動力學指標計算結果，其中風載以6個方向行星力的形式持續施加于車體上。

圖2　CRH2C型高速動車組的動力學模型

圖3　輪軸橫向力

圖4　脫軌系數

圖5　輪重減載率

圖6　傾覆系數

從圖中可以看出，隨著運行速度、橫風風速的增加，動車組的運行性能將顯著降低。由于風速30,35 m/s這兩個工況，動車組受到的風載有較大的波動，動力學指標在30 m/s工況迅速增加，到了35 m/s又有一定下降。從圖5、圖6發現，橫風作用下輪重減載率大于傾覆系數，因為單個輪對在橫風作用下可能出現抬起的現象。

3　列車運行速度安全域分析

對動力學計算結果進行整理，以表2的標準對動車組的安全性能進行評價，一共將動車組運行性能分成3類，分別是安全、合格、超標，對應不同的輪軸橫向力、脫軌系數以及動態輪重減載率范圍(以3個指標中最差的那個指標為準)。其中安全的范圍為小于規定限制值的80%，在限制值80%～100%為合格，超過限制值為超標。

表2　列車運行性能考核指標

表3　列車在不同運行速度時風速的安全運行限制值

通過對CRH2C橫風動力學性能校核得到的列車運行安全運行域見表3。從表3中可以看出，在有風擋的路堤上運行，當列車車速為275 km/h時，環境風速應不大于25 m/s；當列車車速為250 km/h時，為了運行安全環境風速應不大于35 m/s；當列車車速為200 km/h時，列車受到的橫風不能大于30 m/s；如果列車車速下降至180 km/h及以下，列車可以在50 m/s的橫風下安全運行。

4　橫風作用下列車運行速度限值

原鐵道部《鐵路客運專線技術管理辦法(試行)》(200～250 km/h部分)第172條關于動車組列車遇大風行車限速的規定如下：

當環境風風速不大于20 m/s時，列車可以正常速度運行；當環境風風速不大于25 m/s時，列車運行速度不能超過200 km/h；當環境風風速不大于30 m/s時，運行速度不能超過120 km/h；環境風風速大于30 m/s時，嚴禁動車組列車進入風區。

蘭新第二雙線設置防風結構后，根據仿真計算結果發現蘭新第二雙線設置防風結構后，列車運行安全速度有了提升，如表4所示。

表4　橫風作用下的列車運行速度安全區域

*系列1：現有計規規范；系列2：安裝擋風墻后的計算結果。

在設置擋風墻后，當風速大于30 m/s，只要車速降低至160 km/h，動車組可以安全運行，而技規在此速度需要輪；當風速為20 m/s，動車組可以以最大運營速度250 km/h運行，與技規一致；當風速不大于20 m/s，動車組在275 km/h的運行速度下也是安全的。綜上所述，擋風墻的建立可以提高環境風速大于20m/s時的動車組運行速度。

5　結　論

通過對蘭新二線設置擋風墻以后的高路堤、橋梁路段空氣動力學、列車動力學仿真分析，得到了以下結論：

(1) 風載對動車組動力學的影響基本增加的趨勢，即風速越大動車組性能越差；計算發現當風速為30 m/s時，動車組的動力學性能有較大的降低；

(2) 設置擋風墻可以有效的降低強風對動車組運行性能的影響，相比無擋風墻結構，計算發現當風速大于30 m/s，只要車速降低至160 km/h，動車組可以安全運行；當風速不大于20 m/s，動車組可以以最大運營速度250 km/h運行。

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Research on Limit Operational Speed of CRH Train under High-speed Wind Condition

XU Ziqiang, HE Dehua, YU Weidong

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

For High-speed EMU trains, the wind-break wall had been set to ensure the train operation safety and increase the operational speed under wind condition. Based on the comprehensive analysis of aerodynamic characteristics and wheel/rail dynamics, the limit speed of EMU trains can be concluded. This article mainly aims at CRH2ctrain which running at the Lanxin passenger line, using simulation method to analysis the train safety performance under different running speed, line conditions and wind load. The results indicate that: when the wind speed is larger than 30 m/s, the maximum speed of CRH trains are 160 km/h; when the wind speed is smaller than 20 m/s, the maximum speed of CRH trains are 250 km/h. Through simulation, the relationships between wind speed and maximum operational safety speed have been revealed which provides theoretical basis of CRH trains operational speed limit under high wind condition.

lanxin passenger line; EMU trains; high speed wind; wheel/rail dynamics; limit operation speed

1008-7842 (2016) 01-0039-05

??)男，助理研究員(

2015-08-14)

U260.11+1

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.09