列車在特殊風工況下的運行品質分析

劉帥,梁樹林,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

近年來,隨著我國科學技術的發展和進步,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。截至2019年底,中國高鐵不僅在運行速度上以350km/h領先于世界各國,而且在運行規模上也以3.5萬公里的營業里程穩居世界第一[1]。

當列車以正常車速行駛于鐵道線路上時,會不可避免地受到各種風載的作用,比如橫風、隧道風以及列車交會運行時的風載。隨著動車組行駛速度的增加,相關的空氣動力學問題也會變得愈加突出[2-3],導致列車在通過這些區段或受到這些風載的作用時,列車的動力學性能會受到明顯影響。國內外學者針對側風效應和列車交會問題已經開展了諸多數值模擬研究[4-6]。當列車進入隧道時,隧道與列車對空氣的擠壓作用引發的壓力波會導致隧道內交變壓力的產生,一方面會嚴重影響乘客舒適性,另一方面也會對隧道內襯砌與車體結構的強度提出了一定的挑戰[7-8]。當列車在隧道內交會時,該問題會更加嚴重[9-10]。動車組高速交會時,交會側的空氣壓力發生突變,產生瞬態壓力沖擊,會對車體鋼結構、側窗和車體橫向穩定性帶來不利影響。交會過程中若遭遇較大的橫風,可使交會壓力波幅值增加,列車將承受更大的橫向沖擊載荷[11-12]。我國地形及氣象條件比較復雜,不少行車區段已處于強風區,而隨著高速鐵路的不斷發展,強風區內動車組交會不可避免[13-14]。因此,研究動車組在各種特殊風載下的氣動效應具有很強的現實意義。

本文基于時速400km中國標準化動車組的動力學參數,利用SIMPACK軟件建立動力學模型,模擬了列車在無風、橫風激擾、列車交會以及通過隧道等狀態下的運行平穩性,以便支撐動車組的設計工作。

1 動力學模型的建立

采用計算機數值仿真分析是車輛系統動力學最重要的研究手段之一,也是最常用的動力學分析方法。為研究列車中車輛的動力學性能等動力學問題,需要建立相應的動力學分析模型。動力學數值仿真的核心問題是,根據分析問題的需求,從實際物理模型抽象出有針對性的、可靠的數學模型和多體動力學模型,然后采用合理的數值方法對所分析的問題進行研究。歸根到底就是仿真模型要有針對性,要準確可靠,數值方法要盡量減小誤差。動力學仿真涉及機車車輛結構、多體系統動力學、數值計算方法、數據處理方法等多個方面[15]。

時速400km中國標準化動車組的車輪踏面外形采用LMA踏面,鋼軌采用CHN60鋼軌,輪對內側距1 353mm,軌道不平順采用實測軌道譜。時速400km中國標準化動車組動力學模型由3節車組成,每節車由1個車體、2個構架、4個輪對和8個轉臂組成,利用SIMPACK軟件建立時速400km中國標準化動車組的系統動力學模型如圖1所示。

圖1 時速400 km中國標準化動車組的動力學模型

對于時速400km中國標準動車組的運行平穩性計算,采用武廣50軌道譜,軌道具有4個方向的隨機不平順。在進行運行平穩性計算時,認為軌道的隨機輸入是各態歷經的,因此可以用一段有限長的時間歷程曲線來模擬車輛在實際線路上的運行情況。為了較為完全地反映車輛系統的實際動態響應,計算時先讓車輛在一段無激擾直線軌道上運行,然后在一段足夠長的不平順軌道上運行。

評價車輛運行品質的主要指標包括車輛運行橫向平穩性、垂向平穩性以及乘坐舒適度等,因此本文主要基于所建立的時速400km中國標準動車組的動力學模型,仿真計算列車在無風、橫風激擾、列車交會以及通過隧道等狀態下的運行品質,以便支撐動車組設計工作。

2 無風工況下的車輛運行品質分析

當列車在無風工況下運行時,列車運行的橫向平穩性、垂向平穩性以及乘坐舒適度分別如圖2—圖4所示。

圖2 橫向平穩性(無風工況)

圖3 垂向平穩性(無風工況)

圖4 乘坐舒適度(無風工況)

由圖2—圖4分析可知在無風狀態下:1)車速對列車橫向平穩性的影響較大,對列車垂向平穩性以及乘坐舒適度的影響較小;2)在新輪和磨耗輪兩種狀態下,隨著車速的增大,頭車、中間車和尾車的橫向平穩性、垂向平穩性以及乘坐舒適度都在增大;3)同一車速等級下,在新輪狀態下,列車頭車的橫向平穩性最大,中間車次之,尾車最小,3節車在設定的各個速度等級下均滿足橫向平穩性的限值要求。在磨耗輪狀態下,列車中間車的橫向平穩性最大,且當車速大于400km/h時,中間車的橫向平穩性超過限值要求。

3 有風工況下的車輛運行品質分析

3.1 “中國帽”橫風

當列車在橫風的作用下運行時,列車運行的橫向平穩性、垂向平穩性以及乘坐舒適度分別如圖5—圖7所示。

圖5 橫向平穩性(橫風)

圖6 垂向平穩性(橫風)

圖7 乘坐舒適度(橫風)

由圖5—圖7可知在橫風激擾下:1)車速對列車橫向平穩性以及乘坐舒適度的影響較大,對列車垂向平穩性的影響相對較小;2)在新輪和磨耗輪兩種狀態下,隨著車速的增大,頭車、中間車和尾車的橫向平穩性、垂向平穩性以及乘坐舒適度都在增大;3)當列車以同一車速運行時,均是列車頭車的橫向平穩性最大,中間車次之,尾車最小,且在磨耗輪狀態下,當車速大于400km/h時,中間車的橫向平穩性指標略微超過限值要求。建議限定車輛運行速度在400km/h以下來保證車輛具有較優的運行平穩性。

3.2 列車交會運行

當兩列車交會運行時,列車運行的平穩性以及乘坐舒適度分別如圖8—圖10所示。

圖8 橫向平穩性(交會運行)

圖9 垂向平穩性(交會運行)

圖10 乘坐舒適度(交會運行)

由圖8—圖10分析可知當兩列車交會運行時:1)車速對列車橫向平穩性的影響較大,對列車垂向平穩性以及乘坐舒適度的影響相對較小;2)同一車速等級下,在新輪狀態下,列車頭車的橫向平穩性最大,中間車次之,尾車最小,3節車在設定的各個速度等級下均滿足橫向平穩性的限值要求;在磨耗輪狀態下,列車中間車的橫向平穩性最大,且當車速大于400km/h時,中間車的橫向平穩性超過限值要求。建議當兩列車在交會運行時,限定車輛運行速度在400km/h以下來保證車輛具有較優的運行平穩性。

3.3 隧道內運行

當列車在隧道中運行時,列車運行的橫向平穩性、垂向平穩性以及乘坐舒適度分別如圖11—圖13所示。

圖11 橫向平穩性(隧道內運行)

圖12 垂向平穩性(隧道內運行)

圖13 乘坐舒適度(隧道內運行)

由圖11—圖13分析可知當列車在隧道中運行時:1)車速對列車橫向平穩性的影響較大,對列車垂向平穩性以及乘坐舒適度的影響相對較小;2)在新輪和磨耗輪兩種狀態下,隨著車速的增大,頭車、中間車和尾車的橫向平穩性、垂向平穩性以及乘坐舒適度都在增大;3)同一車速等級下,在新輪狀態下,列車頭車的橫向平穩性最大,中間車次之,尾車最小,3節車在設定的各個速度等級下均滿足橫向平穩性的限值要求;在磨耗輪狀態下,列車中間車的橫向平穩性最大,且當車速大于400km/h時,中間車的橫向平穩性超過限值要求。建議當列車在隧道中運行時,限定車輛運行速度在400km/h以下來保證車輛具有較優的運行平穩性。

4 結語

本文主要基于所建立的時速400km中國標準動車組的動力學模型,仿真計算列車在無風、橫風激擾、列車交會以及通過隧道等狀態下的車輛運行品質,所得結論具體如下。

1)在無風、兩列車交會運行以及通過隧道的狀態下,車速對列車橫向平穩性的影響較大,對列車垂向平穩性以及乘坐舒適度的影響較小;在橫風激擾的狀態下,車速對列車橫向平穩性以及乘坐舒適度的影響較大,對列車垂向平穩性的影響相對較小。

2)在無風、橫風激擾以及通過隧道的狀態下,在新輪和磨耗輪兩種狀態下,隨著車速的增大,頭車、中間車和尾車的橫向平穩性、垂向平穩性以及乘坐舒適度都在增大。

3)在無風、列車交會運行以及通過隧道的狀態下,同一車速等級下,在新輪狀態下,列車頭車的橫向平穩性最大,中間車次之,尾車最小,3節車在設定的各個速度等級下均滿足橫向平穩性的限值要求。在磨耗輪狀態下,列車中間車的橫向平穩性最大,且當車速大于400km/h時,中間車的橫向平穩性超過限值要求。

4)當列車在橫風激擾下運行時,在新輪和磨耗輪兩種狀態下,當列車以同一車速運行時,均是列車頭車的橫向平穩性最大,中間車次之,尾車最小,且在磨耗輪狀態下,當車速大于400km/h時,中間車的橫向平穩性指標略微超過限值要求。建議當列車在橫風激擾下行駛時,限定車輛運行速度在400km/h以下來保證車輛具有較優的運行平穩性。