側風對高鐵車輛安全性影響分析

徐宏偉

摘 要 隨著高鐵網絡經營的疾速進步和列車速度的加快，列車與空中交互的動態需要得到解決。本文對側風環境下車輛的運轉姿勢和操作安全性進行了仿真剖析，提出了進步側風穩定性的方法。結果表明，在給定的變動范圍內，每個懸架參數對列車運轉安全性的影響不明顯。而后，提出半自動動橫向阻尼器和主動抗崎嶇扭桿安裝來克服由側風惹起的車輛振動。這兩項辦法的管制效果與Simpack軟件和Matlab/Simulink控制模塊相結合。

關鍵詞 高鐵列車 側風 運行姿態 運行安全 懸掛參數 抗風措施

中圖分類號：U298.1文獻標識碼：A

關于高速鐵路運用，側風擾動是一個既不確定又重要的平安要素。然而，側風擾動的主要負荷特性（稱為風荷載特性）尚不清楚。結合當前對高速鐵路應用的需求，必須從保守的穩定性和穩健性角度確定風荷載特性。從我國高鐵應用的安全性和經濟性的角度來看，風荷載個性的研究是一項十分迫切的研究課題。因此，從高速鐵路車輛安全性的角度動身，本文首先探討了曲線經過輪軌安全和尾端車輛穩固狀態的兩個問題，以闡明橫風擾動的重要性。

1車輛系統動力學模型

在分析風荷載下高速列車的安全性時，通常創建高速列車的動態模型。風速工夫序列用作系統的動態激活輸入，Simpack軟件用于在時域中計算和求解。為了保證計算結果的合理性，脈動風速時間盡量與自然風的特性接近。

基于中國高速列車的結構參數，本文采納Simpack多體動力學軟件創立車輛模型。在本文中，選擇高速動車組的頭車進行動態研究，因為頭車的動力性能在側風環境中是最差的。懸架系統包含一系列懸架安裝和二級懸架裝置，主要撐持車身，傳遞縱向力，隔離軌道擾動傳遞的振動，并克制車輛的蛇運動。第一懸掛裝置包含一系列彈簧，一系列垂直阻尼器和一系列定位節點;第二懸架裝置包括空氣彈簧，兩級橫向阻尼器，雙線垂直阻尼器和防蛇形減振裝置、抗滾動扭桿。

本文主要研究側風對列車運行安全性的影響，因而有必要對模型進行簡化，忽略影響較小的因素，因此假設如下：

（1）考慮到懸架系統更靈便，輪對，車架和車身可視為剛體;

（2）因為車輛系統是一個復雜的非線性系統，故能夠方便地對某些非線性關系的非線性線性化進行建模。

車輛系統非線性主要體現在輪軌接觸關系非線性以及懸掛參數非線性。輪軌非線性接觸關系是指輪軌蠕化力與輪對橫移、點頭運動之間的非線性關系，是由接觸幾何非線性、接觸理論非線性和蠕滑系數非線性等引起的。在懸掛裝置中，一系列雙系列橫向垂直減震器、抗蛇節流減震器和臥式止振器具有非線性特性。

2側風作用下的列車通過安全問題

2.1運行安全性指標

本節探討這些安全指標與不同風速下的風向和車速的關系。

在側風環境下，列車車體遭到比較大的橫向力，車身的橫向驅動車輪對橫穿左右車軸的橫向力的準靜態斷裂。軸的過大的側向力招致線路中的穩固性問題，進一步影響列車的操作安全性。

（1）當車速和風速恒定時，軸的橫向力在風向角處為90按锏階畬籩？當風向角為銳角時，軸的橫向力大于約90?。?/p>

（2）當風速和風向角固定時，軸的橫向力隨著車速的增加而增加。

車身的橫向加速度是車輛穩定性的指標。國內外高速鐵路設計評價指標存在一定差異。根據規定，車體橫向加速度的高速鐵路極限指標為0.5m/s2。

當列車以直線行駛時，車輪踏板與軌道正常接觸，并且當曲線通過時，由于離心力和側風效應，列車脫軌并爬上軌道。

2.2輪軌作用安全問題

當低于曲線的曲線通過時，當過低的低彎曲線通過時，軸的橫向力似乎完全由外輪承受，增加脫軌或傾翻事故的風險。根據脫軌事故產生機理的調查研究，車輪減載是形成脫軌事故的首個要素之一，因此型式實驗提出了針對三角坑軌道弊端的靜態脫軌試驗。

3車輛系統懸掛參數對運行安全性的影響

對于高速轉向架，二線懸架采用德國空氣彈簧，其動態剛度在高頻激勵的作用下增加。該系統的懸架由軸箱鋼彈簧和一系列垂直減震器組成。隨著擾動頻率的放大，其動態剛度降低，但相位呼應滯后。因而，高速懸架個性具備以下兩個特征：（1）無論高頻激勵還是低頻鼓勵，二次懸架和抗滾動扭桿配合構成高阻抗。（2）懸架不同，難以形成高頻阻抗。為此，應該運用傾翻系數作為比例來判別。傾翻系數是轉向架（2個）內部的總減載率。

4結論

因為中國列車空氣動力學探討的相對滯后，本文無法對側風擾動對高速鐵路行駛的安全影響作出明確的論斷，但應明確認識到以下幾點：

（1）因為其特殊性高速鐵路懸架特性性別，即隨著車輛速度的增加，空氣彈簧懸架的動態剛度（或阻抗）也迅速增加，抗傾覆能力降低，這是其中之一影響高鐵安全的主要要素。

（2）必須清楚地識別主要風荷載特性。當前高速鐵路使用的重要性。CFD計算和分析應結合路邊，路堤，高架（或跨海大橋）和隔震屏障的布置，氣動載荷的計算結果值得仔細研究，以正確理解高速主要風荷載特性鐵路應用。

（3）協調測試和計算資源，系統布局列車空氣動力學研討。結合對高鐵的需求，目前CFD的主要科研任務不是降低阻力，而是確定側風擾動對高速鐵路使用的穩定性和安全性影響。其中，主要的風荷載特性是一項非常緊迫的科研任務。

參考文獻

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