側風對高速動車組運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 牽引動力國家重點實驗室,四川 成都 610031)

0 引言

早在20世紀70年代,國外學者就開始研究側風對軌道車輛運行性能的影響,研究表明,空氣動力對車輛系統動力學有著明顯的影響[1-2]。我國的高速鐵路建設起步相對較晚,近些年來隨著科學技術的不斷發展,我國的高鐵建設取得了舉世矚目的成就。不斷創造奇跡和驚喜,是中國高鐵給人們留下的最深刻印象。然而我國幅員遼闊、地勢復雜,鐵路線路經常會位于特大橋梁、高架橋、路堤、丘陵、山區風口地段以及導致側向氣動力與離心力疊加的曲線線路等風力較大的區域,在這些區域列車流場明顯改變,導致列車掉軌、翻車的可能性大大增加,嚴重危及車輛的運行安全[3-5]。

王璐雷等[6]介紹了3種強側風監測以及控制系統,重點研究了強側風對高速列車運行安全性的影響。研究表明在強側風的作用下,隨著高速列車運行速度的增加,列車的動力學性能也會變得越來越差,在危險的情況下,有必要采取減速甚至停車等措施來保障安全。田紅旗等[7]通過對高速列車氣動力性能研究發現,當軌道車輛在惡劣風的工況下運行時,會對列車運行的穩定性以及舒適性產生非常嚴重的影響。公衍軍等[8]基于多體動力學軟件Simpack建立某高速動車組的動力學模型,介紹了側風安全性的計算方法,并詳細分析了側風對列車運行安全性的影響規律,明確指出由于鐵道車輛輪軌匹配關系的特殊性,導致列車在運行時側風對其動力學性能的影響很大。因此,在車輛的設計階段,將側風影響予以考慮是一個不可或缺的環節。

本文以我國某時速400 km中國標準化動車組為研究對象,參照高速列車運行安全性相關限定標準,對其側風安全性進行計算分析,提出不同側風風速下高速列車的最高安全運行速度,為特殊風環境下動車組的安全運行提供理論依據。

1 車輛系統動力學模型建立

高速列車是一個復雜的多體系統,不但有各部件之間的相互作用力和相對運動,而且還有輪軌之間的相互作用關系。為了更好地模擬國內某時速400 km中國標準化動車組的運行性能,建模時將車輛橫向運動和垂向運動進行耦合。

動力學模型由3節車組成,每節車由1個車體、2個構架、4個輪對、8個軸箱轉臂、6個車下設備以及車輛懸掛系統組成。高速列車的車輪踏面外形采用LMA型踏面,鋼軌為中國標準60kg/m軌,輪對內側距沿用中國標準1 353mm,軌底坡1∶40,軌距1 435mm。基于動力學參數,采用“自下而上”的建模步驟,在SIMPACK軟件中建立高速列車參數化的多體動力學仿真模型如圖1所示。

圖1 時速400 km中國標準化動車組的動力學模型

2 側風安全性計算方法

根據空氣動力學仿真和風洞試驗結果,作用在車體上的側風載荷不僅有橫向力Fy,還有升力Fz、側滾力矩Mx、點頭力矩My和搖頭力矩Mz,側風載荷不僅與風速有關,還與車速有關,各個力和力矩如式(1)—式(5)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:ρ0為空氣密度;va為側風風速與車輛運行速度的合成速度;β為合成速度與車輛運行速度之間的夾角;A0為參考面積;d0為參考長度;cFy、cFz、cMx、cMy、cMz為氣動系數。

某主機廠提供的空氣動力學載荷系數的坐標系取法如下:動車組前進的方向為x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y方向(車體寬度方向)距離動車組中心線順風向0.6 m,z方向(車體高度方向)在軌道面,俯仰力矩和偏轉力矩的矩中心均為各節車的中心位置。

圖2 動車組模型車體軸系示意圖

EN14067中規定的空氣動力學坐標系和某主機廠提供的空氣動力學坐標系不同,二者僅升力方向和偏轉力矩方向是反向的,其余方向均同號。為了與EN14067中給出的動車組頭車氣動系數相對比,在計算氣動系數時,首先需要在升力和偏轉力矩上變號。

在變換升力和偏轉力矩方向后,采用EN14067中規定的坐標系進行氣動系數的計算。氣動載荷中力矩與取矩位置有關,因此需要將氣動載荷變換到EN14067坐標系上去,如圖3所示。力矩變換到EN14067規定的坐標系后,就可以采用式(1)—式(5)氣動系數與氣動力的關系式,反求出氣動系數。

圖3 不同坐標系間力矩關系

彭祎愷等[9]深入研究了在定常穩態風載模型、瞬態“中國帽”風載模型、非定常隨機風載模型等3種風載模型下的高速列車運行安全性問題,研究表明瞬態“中國帽”風載模型相較于其他風載模型更安全,很適用于我國大風區域車輛安全性評價。瞬態“中國帽”風載模型如圖4所示,在仿真的開始階段,這些力由0線性增大到對應風速和車速下的恒定值,然后保持恒定一定的時間,再以指數函數的形式增大至最大值,隨后再減小至0。

圖4 瞬態“中國帽”風載模型

3 基于中國帽的側風安全性評估

鐵道車輛系統動力學性能主要包括運行平穩性、安全性和曲線通過性3個方面,其中運行安全性是鐵路運輸過程中最重要也是最基本的要求。評價鐵道車輛運行安全性的指標主要有輪軸橫向力、輪軌垂向力、輪重減載率、脫軌系數、傾覆系數等,本文基于某時速400 km中國標準化動車組的動力學模型,計算其在施加“中國帽”側風風載的作用下,列車在不同風速和車速下通過直線和曲線線路時的各安全性指標,并對何種指標適宜作為側風安全性的評價指標進行了分析和探討,同時研究了風速對列車最高安全運行速度的影響規律。

一般將空氣動力以集中力和力矩的形式施加在車體上。空氣動力學計算表明,在側風作用下,列車的頭車受到的空氣動力最大,尾車次之,中間車最小,且當側風與軌道夾角為90°時,車輛受到的風載最大,此時列車的安全性能最差[10]。故本文在進行側風安全性分析時,僅對最危險的車輛(頭車)進行計算分析。

3.1 直線上的側風安全性

當施加瞬態“中國帽”側風風載的列車行駛在直線線路上時,頭車在不同風速和車速下的各安全性指標如圖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

圖9 傾覆系數

圖5—圖9中粗線為相應安全標準的限定值,粗線與不同風速下的安全性指標值曲線的交點所對應的橫坐標值即為該風速下以這一指標值確定的最高安全運行速度。由圖5—圖9可知:當列車行駛在直線線路上時,隨著車速和風速的增加,頭車的各安全性指標值均逐漸增加。從各安全性指標來看,輪軸橫向力、輪軌垂向力和脫軌系數的最高安全運行風速比輪重減載率和傾覆系數的最高安全運行風速大了許多,說明輪軸橫向力、輪軌垂向力和脫軌系數這3個指標過于寬松,不適宜作為側風安全性的評價指標。輪重減載率和傾覆系數的最高安全風速較小,相對比較保守,故在進行側風安全性評價時,結合輪重減載率和傾覆系數作為評價指標較為適宜[11],即取同一風速下輪重減載率及傾覆系數所確定的最高允許速度中的最低值為列車在該風速下的最高安全運行速度。

綜合輪重減載率和傾覆系數這兩個指標對側風安全性進行評價可知:側風風速越高,列車受到的氣動載荷越大,列車最高安全運行速度越低。當平均風速在10m/s～20m/s范圍內時,高速列車可以在460 km/h內安全運行;當平均風速達25m/s時,車速需保持在280 km/h內;當平均風速達30m/s時,車速需保持在150 km/h內。

3.2 曲線上的側風安全性

由于在強側風條件下,確定列車在曲線上的最高安全運行速度較為復雜,因為此時列車的運行安全性不僅與風速有關,還與曲線參數設置有關。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風安全性

當施加“中國帽”側風風載的列車在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,頭車在不同風速和車速下的各安全性指標如圖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

圖14 0.05g未平衡離心力作用下的傾覆系數

由圖10—圖14可知:當列車在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,隨著車速和風速的增加,頭車的各安全性指標均逐漸增加。綜合輪重減載率和傾覆系數兩個指標對側風安全性進行評價可知,側風風速越高,列車最高安全運行速度越低。當平均風速在10m/s～15m/s范圍內時,高速列車可以在460km/h內安全運行;當平均風速達20m/s時,車速需保持在320km/h內;當平均風速達25m/s時,車速需保持在160km/h內;當平均風速達30m/s時,列車需要進一步降速至90km/h內。

2)0.10g未平衡離心力作用下的側風安全性

當施加“中國帽”側風風載的列車在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,頭車在不同風速和車速下的各安全性指標如圖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

圖19 0.10g未平衡離心力作用下的傾覆系數

由圖15—圖19可知:當列車在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,隨著車速和風速的增加,頭車的各安全性指標均逐漸增加。綜合輪重減載率和傾覆系數兩個指標對側風安全性進行評價可知,當平均風速在10m/s～15m/s范圍內時,該高速列車可以在460km/h內安全運行;當平均風速達20m/s時,車速需保持在200km/h內;當平均風速達25m/s時,車速需保持在100km/h內;當平均風速達30m/s時,列車需要進一步降速至60km/h甚至停運。

綜合以上各計算工況,當列車行駛在不同線路上時,不同側風風速下高速列車的最高安全運行速度曲線如圖20所示。

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

圖20 不同線路及側風風速下列車最高安全運行速度

4 結語

本文通過對我國某時速400km的中國標準化動車組進行側風安全性計算分析,得出不同側風風速下高速列車的最高安全運行速度,該項研究表明:

1)從各安全性指標來看,輪軸橫向力、輪軌垂向力和脫軌系數這3個指標過于寬松,不適宜作為側風安全性的評價指標,輪重減載率和傾覆系數的最高安全風速較小,相對比較保守,所以在進行側風安全性評價時,結合采用輪重減載率和傾覆系數作為評價指標較為適宜;

2)側風風速越高,列車受到的氣動載荷越大,列車的最高安全運行速度越低,車輛的運行速度越高,其允許的最高安全風速越低;

3)在風速一定的情況下,隨著未平衡離心力的增加,車輛允許的最高安全運行速度降低。因此在車輛通過強風區時,建議車輛采取限速、停運等措施來保證安全。