横风对高速动车组直线运行动力学性能的影响_马卫华
高速列车横风效应及气动安全控制动力学
高速列车横风效应及气动安全控制动力学1. 引言1.1 概述高速列车是现代交通领域的重要组成部分，以其快速、高效、安全的特点受到广大乘客的欢迎。
然而，在高速列车运行过程中，会面临各种风险因素，其中之一就是横风效应。
横风效应指的是列车在经过桥梁、隧道或其他开阔区域时受到侧向风力的作用所引起的动态响应问题。
1.2 研究背景随着高铁建设进一步推进，高速列车在我国铁路网中所占比例越来越大。
然而，在特定地理环境和天气条件下，如山区、河谷和海岸线等地区，强大的侧风可能对高速列车行车安全带来威胁。
因此，研究高速列车横风效应及相关的气动安全控制动力学显得尤为重要。
1.3 目的与意义本文旨在深入探讨高速列车横风效应及其对行车安全性能产生的影响，并了解气动力学安全控制技术在减轻这些影响方面的应用。
通过对横风效应现象的描述与分析，我们可以更好地了解其机理，并在此基础上提出有效的控制方法和技术手段，从而提高高速列车行车安全性能，并为相关领域的研究和实践提供参考和借鉴。
总之，研究高速列车横风效应及气动安全控制动力学对于确保高速列车行车安全、推动交通事业发展具有重要意义。
本文将从定义与原因、影响因素、风险评估等方面进行深入分析，并结合国内外研究现状和发展趋势，最终给出结论与展望部分所述的前景展望和探索方向建议。
2. 高速列车横风效应2.1 定义与原因高速列车横风效应指的是列车在高速行驶时遇到侧风所引起的一系列气动力学效应。
在高速铁路运营中，以及特殊地理条件下，如开放地区、大型桥梁等情况下，横向侧风对列车的运行安全和稳定性带来了重大挑战。
侧风主要由大气层的非均匀垂直温度分布、地表的粗糙程度、山脉等自然条件导致。
当高速列车经过这些地区或受到这些影响时，会遭受到来自侧面的风压力，从而对列车产生偏移力和倾覆力。
2.2 影响因素高速列车横风效应受多种因素影响，以下是一些主要因素：- 列车速度：随着列车速度增加, 横风效应也越明显。
- 侧面积和形状：不同类型的列车具有不同形状的外壳和窗户，在不同角度下暴露给侧面风将导致不同程度的横风效应。
横风下高速列车系统动力学的平衡状态法
横风下高速列车系统动力学的平衡状态法李田;张继业;张卫华【摘要】基于车辆-轨道耦合动力学和空气动力学提出了一种快速计算横风下高速列车系统动力学行为的平衡状态方法.首先,忽略轨道不平顺并利用流固耦合联合仿真方法计算横风下高速列车的平衡状态；然后,将平衡状态下的气动力加载到车辆-轨道耦合动力学模型并计算高速列车动力学响应.利用建立的平衡状态方法,研究了列车在速度为13.8 m/s的横风下以350 km/h速度运行时的流固耦合动力学行为.比较了平衡状态方法和联合仿真方法两种方法下列车姿态、安全性和舒适性指标的差异,计算结果差别在3.26％以内.研究结果表明:平衡状态方法计算横风下高速列车流固耦合的效率更高.【期刊名称】《动力学与控制学报》【年(卷),期】2013(011)003【总页数】6页(P264-269)【关键词】车辆动力学;横风;高速列车;流固耦合;平衡状态【作者】李田;张继业;张卫华【作者单位】西南交通大学牵引动力国家重点实验室,成都610031;西南交通大学牵引动力国家重点实验室,成都610031;西南交通大学牵引动力国家重点实验室,成都610031【正文语种】中文高速列车空气动力学与车辆－轨道系统动力学是高速铁路运输系统中不可分割的两大组成部分，两者是相互耦合、相互影响的［1－2］．在气动力作用下列车的运行姿态可能会发生改变，运行姿态会影响列车附近的流场，进而影响作用在列车上的气动力，这种互反馈作用将使空气－列车系统处于特定的耦合振动形态之中．强环境风对列车运行的安全有相当重要的影响，由于强环境风而导致列车脱轨及倾覆事故屡见不鲜［1－8］．目前，关于在环境风下高速列车动力学响应的计算方法主要有两种:离线仿真方法和联合仿真方法．离线仿真方法指的是先计算环境风下的作用在高速列车的气动力，然后作为恒定力加载到高速列车动力学模型计算高速列车动力学响应．目前大多数研究［3－8］均是采用此方法．该方法忽略列车在流场作用力下运行姿态的改变，难以反映其本质．联合仿真方法是指在迭代计算过程中交替计算环境风下的高速列车空气动力学和高速列车系统动力学，考虑空气动力学与车辆－轨道耦合动力学之间的耦合效应．Baker［9］在英国某海岸线进行了静止列车侧风实车试验，不过列车处于静止状态，很难反映运行列车在侧风环境下的气动特性．文献［1－2］通过同步控制实现了车辆－轨道耦合动力学与空气动力学之间的联合同步仿真．离线仿真方法计算速度快，但是其忽略列车运行姿态影响的计算结果难以反映本质;联合仿真方法考虑了列车运行姿态的变化，但是其计算速度较慢．本文在文献［1－2］的基础上，提出了一种快速计算横风下高速列车流固耦合动力学行为的平衡状态方法．利用建立的流固耦合计算方法，研究了列车在速度为13．8 m/s的横风下以350 k m/h速度运行时的流固耦合动力学行为．利用平衡状态方法和联合仿真方法数值仿真关于列车姿态、安全性和舒适性指标的差别甚微．当高速列车在横风作用下高速运行时，其周围流场可考虑为三维粘性非定常的湍流流场．当列车的运行速度小于等于400 km/h时，列车附近的流场可近似处理为不可压缩流场，湍流模型采用标准k－ε两方程模型，其控制方程的运输方程［1－2］形式为:其中:t为时间;ρ为空气密度;u为速度矢量;φ为流场通量;S为源项;Γ为扩散系数;V 为任意一个控制体积，A为包围该体积的封闭面面积有限体积的外表面A的运动速度．车辆－轨道耦合动力学［10］主要包括车辆动力学、轨道动力学和轮轨关系三个方面．车体、构架和轮对均假设为刚体，不考虑其弹性变形;轨道系统为双质量(轨枕和道床)三层(钢轨－轨枕－道床－路基)弹簧－阻尼振动连续分布轨道模型．列车－轨道耦合动力学方程为:其中:M、C、K分别为列车-轨道耦合系统的质量、阻尼、刚度矩阵;X为系统的广义位移矢量;X为系统的广义速度矢量;¨X为系统的广义加速度矢量;F为系统的广义载荷矢量，包括轨道激励载荷;Fa为作用在质心的气动载荷矢量．基于车辆－轨道耦合动力学理论，采用 FORTRAN语言编写了车辆－轨道耦合动力学程序并验证了其可靠性［2］．利用新型显示积分方法［10］求解车辆－轨道耦合动力学方程．引入两个积分参数φ和ψ，构造新的显示积分格式其中Δt为时间积分步长;下标n代表t=nΔt瞬时;下标n+1代表t=(n+1)Δt瞬时．式(2)在t=(n+1)Δt瞬时的形式为将式(3)代入式(4)可计算得到¨Xn+1．网格更新技术采用弹簧近似方法和网格重划分方法，当弹簧近似方法失效后采用网格重划分方法更新网格．弹簧近似方法［11］是网格变形方法中一个简单高效的方法．弹簧近似方法将整个网格看作一个弹簧网格系统，每一条边都认为是一根具有一定刚度系数的弹簧．弹簧刚度系数为其中:rij为节点i与节点j之间的距离，ri为节点i的位置，‖．‖为2范数．网格移动后网格点的位移通过求解下述线性系统确定其中:Ni为与节点i相连的节点总数，Δrj为节点j的位移，求和对所有与节点i相连的节点进行，(i=1，…，n)．变形后网格节点位置为:图1所示为高速列车流固耦合联合仿真计算方法，在每一个耦合时间步长内进行迭代:首先根据列车姿态(包括横移、沉浮、侧滚、点头和摇头)更新计算网格，其次求解空气动力学计算作用在车体上的气动力(侧力、升力、侧滚力矩、点头力矩和摇头力矩)，然后通过接口程序求解气动力作用下的车辆－轨道耦合动力学，最后通过同步控制判断返回列车的姿态．高速列车流固耦合动力学求解器包括空气动力学求解器和集成了流固耦合接口程序的车辆－轨道耦合动力学求解器，并将车辆－轨道耦合动力学求解器嵌入空气动力学计算程序中．这样在计算中避免了空气动力学求解器和车辆－轨道耦合动力学求解器之间数据的相互通信，并且避免了车辆－轨道耦合动力学程序计算的等待，有效地节省了计算资源．联合仿真计算方法由于在每一个耦合时间步长内均需要进行空气动力学和列车－轨道耦合动力学的计算，计算量偏大．在气动力作用下列车的运行姿态可能会发生改变，运行姿态会影响列车附近的流场，进而影响作用在列车上的气动力，这种互反馈作用将使空气－列车系统处于特定的耦合振动形态之中．当车辆－轨道耦合动力学忽略轨道谱的影响时，横风作用下的高速列车气动力和列车姿态处于一种平衡状态．基于横风作用下高速列车的平衡状态，提出了一种快速计算横风作用下高速列车流固耦合的方法，即平衡状态法．平衡状态法的计算过程:① 忽略轨道不平顺的影响，利用流固耦合联合仿真方法计算列车气动力和姿态，直到达到一个较稳定的数值，即获取平衡姿态下的稳定气动力;② 在考虑轨道不平顺情况下，利用流固耦合联合仿真方法计算得到的列车瞬态气动力，加载到车辆－轨道耦合动力学模型并计算高速列车动力学响应．由于平衡状态法中获取平衡姿态下稳定气动力的迭代时间比文献［2］中的联合仿真计算波动气动力的迭代时间要少，平衡状态法的计算量相比联合仿真方法的计算量明显减少，计算速度更快．为了分析横风下高速列车流固耦合动力学，建立了横风下高速列车计算区域，如图2所示．计算区域的长度为350 m，入口端距离车头鼻尖处100 m，出口端距离车头鼻尖处175 m，顶端距离地面60 m，迎风侧入口端距离轨道中心线30 m，背风侧出口端距离轨道中心线60 m，列车与轨道所处地面之间的距离为0．376 m．计算区域的前侧和左侧设置为速度入口边界，后侧和右侧为压力出口边界，顶部为对称边界，列车表面设置为壁面，地面设置为滑移边界．计算模型为国内某型号高速列车三车编组模型，忽略车顶电机及受电弓等凹凸结构．不考虑车辆间的纵向动力作用和车辆的纵向伸缩振动．轨道结构选取弹性支承式无渣轨道［10］，轨道不平顺选用国内某线路实测不平顺．列车空气动力学和车辆－轨道耦合动力学迭代时间步长分别为2．0×10－3s和 5．0 ×10－5s．考虑平地上列车运行速度350 km/h和横风速度13．8 m/s，对应合成风速为98．2 m/s和偏航角为8．08°．采用联合仿真方法计算横风下高速列车流固耦合时，将横风下高速列车运行计算视为瞬态情况，前5 s渐变加载瞬态气动力并且未考虑轨道不平顺的影响，第5 s后加入轨道不平顺，总计算时间15 s;采用平衡状态方法计算横风下高速列车流固耦合时，首先忽略轨道不平顺情况下利用流固耦合联合仿真方法计算平衡姿态下的稳定气动力，其次将得到的波动气动力加载到车辆－轨道耦合动力学中，前5 s渐变加载瞬态气动力并且未考虑轨道不平顺的影响，第5 s后加入轨道不平顺，总计算时间12 s．由于横风作用下头车的耦合效应相对明显［2］，因此下面以头车为例分析平衡状态法的动力学响应，并与联合仿真方法进行对比．图3为平衡状态法计算得到的头车瞬态气动力，前5 s利用联合仿真方法计算气动力的变化较大，由于未加载轨道不平顺，气动力衰减一段时间后达到一个较稳定的值，即平衡状态下的稳定气动力．大约8 s时，头车的气动力已经达到一个相对稳定的值．图4为平衡状态法和联合仿真法关于头车侧力和侧滚力矩的对比，前5 s两种方法下的气动力波动幅值和规律基本一致，这是由于两者前5 s均未考虑轨道不平顺并且计算气动力都采用的联合仿真方法．第5 s后由于联合仿真方法考虑轨道不平顺的影响，因此气动力有所波动，几乎是围绕着平衡状态下的稳定气动力波动．头车阻力、升力、摇头和点头力矩的变化规律类似．图5为平衡状态法和联合仿真法关于头车横移和侧滚响应的对比，两种方法下波动规律和幅值都比较接近．前5 s两种方法下的姿态的波动曲线几乎完全一致，这是由于两者前5 s加载的瞬态气动力差别很小．第5 s后由于联合仿真方法加载的是波动气动力而平衡状态法加载的是平衡状态下的稳定气动力，因此车体横向位移和侧滚角的波动幅值略有不同．表1为平衡状态法和联合仿真法关于车体姿态绝对值最大值的对比．两种方法下头车横移、沉浮、侧滚、点头、摇头五个姿态的最大幅值相差较小，变化幅度均在3．2%以内．平衡状态法计算的头车摇头角相对联合仿真法的结果要小3．2%．表2分别为平衡状态法和联合仿真法关于头车安全性和舒适性指标绝对值最大值的对比．两种方法下轮轨垂向力、轮轴横向力、脱轨系数和轮重减载率四个安全性指标的最大幅值相差不大，变化幅度均在3．26%以内，最容易超安全限值的轮重减载率指标相差为1．91%．平衡状态法和联合仿真法模拟的头车横向加速度和垂向加速度差别在2%左右．从上述分析可知，联合仿真方法下的波动气动力围绕在平衡状态法下的稳定气动力的附近波动，平衡状态法和联合仿真方法关于车体姿态响应以及车体安全性和舒适性指标的差别较小．表3为离线仿真方法、平衡状态方法和联合仿真方法三种情况下关于计算效率的比较情况．离线仿真方法为稳态计算，总的迭代步数为2000步，列车－轨道耦合动力学的计算时间为15 s;平衡状态方法和联合仿真方法均为瞬态计算，每一个时间步长达到残差稳定需要迭代20步，平衡状态方法忽略轨道不平顺达到平衡状态需要10 s，故流体计算时间迭代总步数为5000步，每次时间迭代步均需要调用一次动力学计算，动力学计算总迭代时间为10 s，最后考虑轨道不平顺计算中动力学时间迭代时间为15 s;联合仿真方法中，时间迭代总步数为7500步，每次时间迭代步均需要调用一次动力学计算，动力学计算总迭代时间为15 s．流体计算耗时也远远大于动力学的计算耗时．从表中可以看出，离线仿真方法的计算速度比较快，但是其忽略了流固耦合效应难以反映实际情况;平衡状态方法相比联合仿真方法，极大的节约了流体计算迭代步数，计算效率明显提高．1)基于车辆－轨道耦合动力学和空气动力学建立了一种快速计算横风下高速列车流固耦合动力学行为的平衡状态方法．2)利用有限体积法求解流体控制方程，新型显示积分方法求解车辆－轨道耦合动力学方程，采用弹簧近似方法和网格重划分方法更新网格．3)联合仿真方法下的波动气动力围绕在平衡状态法下的稳定气动力的附近波动，平衡状态法和联合仿真方法数值仿真计算关于车体姿态响应以及车体安全性和舒适性指标的差别较小．2012－06－11 收到第 1 稿，2012－06－13 收到修改稿．【相关文献】1 Li T，Zhang J Y，Zhang W H．An Improved algorithm for fluid－structure interaction of high－speed trains under crosswind．Journal of modern transportation，2011，9(2):75 ～812 李田，张继业，张卫华．横风下高速列车流固耦合动力学联合仿真．振动工程学报，2012，25(2):138～145．(Li T，Zhang J Y，Zhang W H．Co－simulation of highspeed train fluid－structure interaction dynamics in crosswinds．Journal of Vibration Engineering，2012，25(2):138～145(in Chinese))3 谭深根，李雪冰，张继业，等．路堤上运行的高速列车在侧风下的流场结构及气动性能．铁道车辆，2008，46(8):4～8(Tan S G，Li X B，Zhang J Y，et al．The flow field structure and the aerodynamic performance of high speed trains running on embankment under cross wind．Rolling Stock，2008，46(8):4 ～8(in Chinese))5 李雪冰，杨征，张继业，等．强风中高速列车空气动力学性能．交通运输工程学报，2009，9(2):66～73(Li X B，Yang Z，Zhang J Y，et al．Aerodynamics properties of high－speed train in strong wind．Journal of Traffic and Transportation Engineering，2009，9(2):66 ～73(in Chinese))6 于梦阁，张继业，张卫华．侧风下高速列车车体与轮对的运行姿态．交通运输工程学报，2011，11(4):48～55(Yu M G，Zhang J Y，Zhang W H．Running attitudes of car body and wheelset for high－speed train under cross wind．Journal of Traffic and Transportation Engineering，2011，11(4):48～55(in Chinese))7 刘加利，于梦阁，张继业，等．基于大涡模拟的高速列车横风运行安全性研究．铁道学报，2011，33(4):13～21(Liu J L，Yu M G，Zhang J Y，et al．Study on running safety of high－speed train under crosswind by large eddy simulation．Journal of the China Railway Society，2011，33(4):13～21(in Chinese))8 李田，张继业，张卫华．横风下车辆轨道耦合动力学性能研究．交通运输工程学报．2011，11(5):55～60(Li T，Zhang J Y，Zhang W H．Coupling dynamics performance of vehicle－track under cross wind．Journal of Traffic and Transportation Engineering，2011，11(5):55～60(in Chinese))9 Baker C J，Jones J，Lopez－Calleja F，et al．Measurements of the cross wind forces on trains．Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2004，92(7):547 ～563 10 翟婉明．车辆－轨道耦合动力学(第3版)．北京:科学出版社，2007(Zhai W M．Vehicle－track coupling dynamics．Beijing:Science Press，2007(in Chinese))11 Li T，Zhang J Y，Zhang W H．Nonlinear Characteristics of Vortex－Induced Vibrationat low Reynolds number．Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulations．2011，16:2753～2771*The project supported by the National Natural Science Foundation ofChina(50823004)and the National Key Technology R＆D Program ofChina(2009BAG12A01－C08)and Development Project of Railway Ministry(2008J013)† Corresponding author E－mail:litian3408@163．com。
高速公路横风条件下安全行车速度研究
高速公路横风条件下安全行车速度研究高速公路是现代化交通建设的重要组成部分，它的建设和发展，不仅改善了人们的出行条件，也推动了经济的发展。
然而，在高速公路上行车，有时会遇到横风等恶劣天气条件，这给驾车人员带来了巨大的安全隐患。
为了提高高速公路行车的安全性，研究高速公路横风条件下的安全行车速度，具有重要的理论和实践意义。
一、横风对高速公路行车的影响横风是指在行车方向垂直于道路中心线方向的风，它会影响车辆的行驶稳定性和安全性。
在高速公路上行车，横风对驾车人员和车辆的影响主要表现在以下几个方面：1. 车辆稳定性差：横风会使车辆的轮胎与道路之间的附着力减小，车辆稳定性降低，容易发生偏离路线、侧翻等事故。
2. 驾驶难度增加：横风会使驾驶员的视线受到干扰，驾驶难度增加，容易疲劳驾驶，从而导致事故的发生。
3. 能见度降低：横风会带来沙尘、雾霾等天气现象，降低能见度，增加驾驶员的盲区，也容易导致事故的发生。
二、高速公路横风条件下的安全行车速度研究高速公路横风条件下的安全行车速度，是指在横风影响下，车辆行驶稳定、驾驶员安全的最大速度。
研究高速公路横风条件下的安全行车速度，需要考虑多种因素，包括车辆的动力性能、重心高度、轮胎附着力、路面状况、风速和方向等。
1. 车辆的动力性能：车辆的动力性能是影响安全行车速度的重要因素之一，它包括发动机的功率、扭矩、传动系统的效率、轮胎的滚动阻力等。
在横风条件下，车辆需要具备较强的动力性能，以保证行驶的稳定性和安全性。
2. 车辆的重心高度：车辆的重心高度是影响安全行车速度的另一个重要因素，它决定了车辆的横向稳定性。
车辆重心越低，横向稳定性越好，安全行车速度也就越高。
3. 轮胎的附着力：轮胎的附着力是车辆行驶稳定性的关键因素，它直接影响车辆的制动、加速和转向能力。
在横风条件下，轮胎的附着力需要得到充分的保证，以保证车辆行驶的稳定性和安全性。
4. 路面状况：路面状况是影响安全行车速度的另一个因素，它包括路面的摩擦系数、坡度、弯道半径等。
路况场景对高速铁路列车气动力特性影响规律研究
路况场景对高速铁路列车气动力特性影响规律研究横风下高速铁路列车气动力是列车行车安全研究的重要前提，与在平地路面上行驶不同，由于路堤、高架桥干扰造成列车表面绕流形式改变，导致列车气动力显著改变，横风效应更加突出，大大增加列车脱轨、倾覆的可能性。
因此，研究路况情景对列车气动力影响，探索其风荷载作用规律和机理，对优化高速铁路列车线路布置形式，提高列车行车安全性至关重要。
国内外学者通过实车测试、风洞试验和计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)对列车气动力特性开展广泛的研究，得出了一些有价值的成果[1-2]。
文献[3-4]在实际列车表面布置有规则的测压孔，通过电子扫描阀全程记录列车在不同地段时列车表面风压力值，获得不同风速和风向下列车气动力，为列车行车安全性研究提供重要资料和参考。
文献[5-7]针对简支梁桥和CRH2高速铁路列车，研究车-桥组合下桥梁和列车气动力特性，讨论风环境参数对列车临界风速的影响，分析来流风速、来流风向、列车运行速度等与列车气动力之间的关系，并利用烟线法进行列车气动干扰机理研究，结论指出雷诺数对车-桥气动力影响有限，复线轨道列车布置形式和风偏角等参数对车桥气动力影响显著。
李永乐等[8]利用交叉滑槽系统，研究车-桥组合下桥梁截面参数对列车和桥梁气动力影响，获得车-桥气动力随桥梁截面的变化规律。
文献[9-10]采用三维动网格技术对列车在强横风作用下运行状态进行模拟，分析列车位于平地、高架桥、路堑和路堤等下部路况场景下的气动力和气动力矩，结论发现列车位于高架桥上气动力及力矩最大，位于路堑上最小，路堤高度低于20 m时，客车气动力随路堤高度的增加而增大。
谭深根[11]针对路堤上高速铁路列车进行数值模拟计算，分析横风作用下列车周围流场结构，研究列车表面漩涡数量和漩涡起始位置随路堤高度的变化规律。
Baker等[12]对列车分别进行实测和风洞试验研究，获得列车气动力和气动导纳函数，结果表明风洞试验和实测结果吻合较好，同时指出风洞试验中应该充分模拟实际地貌粗糙度以保证结果的真实性和准确性。
高速列车横风效应及气动安全控制动力学
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定常横风作用下高速列车的安全性分析
⑥
２ ０ １ ４ Ｓ ｃ ｉ ． Ｔ ｅ ｃ ｈ ． Ｅ ｎ ｇ ｒ ｇ ．
交通 运 输
定常横风作 用下高速 列车的安全 性分析
刘 玉标 张 营 营 邢云林 孙振旭 杨 国伟
（ 中国科学 院力学研究所 ， 流固耦合系统力学重点实验室 ， 北京 １ ０ ０ １ ９ ０ ）
摘
要
基于空气动力学理论 ， 建立高速列车空气动力学模型 ， 计算不 同运行速度 下高速 列车在 明线运 行和 明线横 风场景 下
研究 。
综 合 考虑 国内外对 高速 车辆横 风 安全性 的研 究 方法 ， 本 文建 立 ３节 车 编组 的高 速 列 车 空气 动 力 学 模 型和车 辆 系统动 力学模 型 。通 过单 向非耦 合方 法
风， 日本、 德国、 法国以及英 国等 国家 已经开展 多项 侧 风对 高 速列 车运 行 安 全 的影 响研 究 ， 并 开发 出可 根据风速大小对列车运行车速实施同步调节的侧风 预警 系 统 。在 我 国 ， 高 速 铁 路 建 设 已经 全 面 展 开 。 为确保 横 风作 用下 列车 能安 全 、 平 稳 和舒适 运行 ， 有 必要 开展 横风 下 高速 列 车 运 行 安 全 性研 究 ， 为研 制 侧 风 预警 系统 ， 合 理设 定 侧 风 环 境 下 运 行 速度 限值 提供科 学 依据 。 各 国学者 对强 风环 境下 作用 在 车体上 的气 动力 特性 进行 广泛 的研 究 。 ｃ ． Ｊ ． Ｂ ａ ｋ ｅ ｒ 通 过 全 尺 寸 实 车
一
分所受的气动力 ； 田红旗 等利用数值模 拟方法 ， 分析在不同车速和风速条件下各种列车的气动力 ， 并 研究 气 动 力 与 车 速 和 风 速 的 关 系 Ｊ 。鉴 于 对 列
风速对高速列车气动力的影响研究
周围气 力为。文
速对高速列车
气动力的影响，力 列车 动力学
，
文不讨论，
2所示］
3结果分析
头车 中间 尾车
！ 图 高速列车模型
-50
---------- 1---------- ■---------- 1---------- ■---------- 1
10
15
20
25
风速（m/s）
3 图 横向力随风速变化图
2018,8(11):34-36. [4] 陈坤铭，亓相涛.基于ZigBee技术的智能农业大棚设计[J].
电脑知识与技术,2017,13(21):176-178. [5] 王军祥.基于Android的移动终端智能农业管理系统设计
[J].智能计算机与应用,2017,7(6):148—150. [6 ]基于设备云平台的智能农业温室大棚远程监控系统的实
狂风25m/s的环境
时，列车 的升力
为 215kNo
(上接第60页)
4结语
农业是物联网技术的重要应用领域之一，物联 网在农业的应用已经引起了广泛的关注。本文通过 实时采集农作物生长环境参数，如温湿度、CO#浓度 等，自动开启或关闭相应的设备，根据用户需求随 时监控，为农业环境实施自动化控制和智能管理提 供科学依据。
[2]张杰.行驶环境对高速列车横风稳定性影响研究[D].上海：
同济大学，2009.
技术，2010(3):34-37+52. [2] 单立娟.一种智能农业管理软件系统设计[J].科技资讯，
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4 图 升力随风速变化图
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瞬态横风作用下的高速列车曲线通过安全性研究
瞬态横风作用下的高速列车曲线通过安全性研究王康【摘要】为了研究高速列车在瞬态横风作用下的曲线通过安全性,引入瞬态“中国帽”风载模型和计算方法,将瞬态“中国帽”风载化简为作用在车体侧墙中心的横向力、作用在车体中心的倾覆力矩和摇头力矩.介绍了曲线外轨超高的定义和计算方法,根据相关规范选取合理的曲线半径和仿真速度,确定了18种仿真工况.基于多体动力学软件SIMPACK,建立了高速列车动力学仿真模型,完成各项参数的设置.对18种工况下的倾覆系数、脱轨系数、轮重减载率、轮轨垂向力、轮轴横向力等车辆安全性指标进行了分析,得出在曲线外侧施加横风,曲线内侧施加横风和无横风等情况下高速列车的曲线通过安全性规律.【期刊名称】《新疆大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(036)002【总页数】5页(P203-207)【关键词】高速列车;曲线通过安全性;瞬态横风;动力学建模【作者】王康【作者单位】同济大学铁道与城市轨道交通研究院,上海201800【正文语种】中文【中图分类】U297.91高速列车运行速度的提高带来了越来越多的空气动力学问题.曲线线路是车辆运行时的薄弱环节，动态作用力的加大，轮轨磨耗的加剧等都会带来一系列安全问题.车辆在通过曲线时，如果还有瞬态横风的作用[1]，则车辆的运行阻力、升力等会迅速增加，动力学问题就会更加突出.因此，深入研究高速列车在瞬态强风作用下的曲线通过安全性有着十分重要的意义[2].本文以某型高速列车为研究对象，基于SIMPACK建立高速列车动力学模型.设置18种仿真工况，完成了高速列车曲线通过安全性的研究.1 瞬态“中国帽”风载模型1.1 瞬态“中国帽”风载模型简介参照欧洲标准EN14067-6，瞬态“中国帽”风载模型是在均匀作用的风速中加入了瞬时作用的风速模型“帽子风”.一个完整的瞬态“中国帽”风载模型主要由六个阶段组成，按顺序分别为无风阶段、风载平滑加载阶段、稳态风作用阶段、“中国帽”风作用阶段、稳态风作用阶段和卸载阶段[3]，如图1所示.图1 瞬态“中国帽”风载模型时间图Fig 1 Transient“Chinese cap”wind load model time map1.2 瞬态“中国帽”风载模型计算方法瞬态风速是由周期几秒的脉动风速和周期超过十分钟的平均风速相互叠加而成的.因此，流场内任意一点的瞬时风速可以表示为在式中，和分别为脉动风速和平均风速.根据叠加原理，可以得到瞬态“中国帽”风载模型计算表达式在式中，Vω，Umean，σu，ux，uy分别表示瞬时风速、侧风平均风速、标准差、风速纵向分矢量和风速横向分矢量.瞬态风速Vω，列车通过曲线时的速度Vtr和相对风速V 之间存在着三角矢量关系，如图2所示.图2 风速矢量关系图Fig 2 Wind speed vector diagram依据速度合成公式，可以求出相对风速V 和相对风速偏角β，即将瞬态“中国帽“风载化简，即作用在车体侧墙中心的横向力Fs，作用在车体中心的倾覆力矩Mx和摇头力矩MZ[4].根据准静态理论，力和力矩的表达式为在式中，Cs，Cmx，Cmz分别表示横向力系数、倾覆力矩系数和摇头力矩系数；As，Ah分别表示列车侧墙投影面积和垂直方向上的投影面积；ρ，H表示空气密度和车体中心高度.根据横向力系数，倾覆力矩系数和摇头力矩系数与相对风速偏角之间的关系，分别计算出Cs，Cmx，Cmz[5].同时，设定空气密度为1.225 k/m2，车体中心高度H 为2.05 m，侧墙投影面积As为70 m2，垂直方向上投影面积Ah为72 m2.2 基于SIMPACK的高速列车动力学模型2.1 曲线外轨超高高速列车通过曲线时的安全性比较脆弱，离心力的作用会使车辆增大对于外侧钢轨的压力，轮轨磨耗加剧.为了平衡离心力，需要适当抬高外轨高度与离心力进行平衡，抬升的外轨高度即为“外轨超高“，具体的计算公式为在式中，h,v,R分别表示超高值，各车次通过曲线时的平均速度和曲线半径.当列车的运行速度大于平均速度时，根据公式可知超高值需要更大，故曲线的超高值设置偏小，称为“欠超高”；当列车的运行速度小于平均速度时，根据公式可知列车所需超高值变小，故曲线的超高值设置过大，称为“过超高”[6].根据中国《高速铁路设计规范》的相关规定，线路铺设时的超高值不允许超过175 mm；参照武广客运专线的规定，列车实际“过超高”和“欠超高”值在40∼110 mm之间.2.2 仿真工况设置列车通过曲线时，如果速度较大的同时又存在着瞬态横风的作用，则列车的安全性大大降低，出现脱轨和倾覆事故的可能性增加.参照我国客运列车运行情况，设置列车通过曲线时的速度为120 km/h.根据《高速铁路设计规范》中的建议，曲线半径应从2 000∼12 000 m中选取.去除极端值，若选择的曲线半径较大，根据公式可知外轨超高的实际值较小，外轨超高的变化范围就会比较小[7].综合考虑，设置曲线半径为4 500 m进行仿真.首先根据列车通过曲线时的速度V=120 km/h，对照公式计算出横向力，倾覆力矩和摇头力矩值.当R=4 500 m时，线路的均衡超高值为37.76 m，设定外轨从欠超高(h=0)经平衡超高(h=37.76 mm)到过超高(h=75 mm)共6种超高值，横向风的加载方式为无横风作用，横风从轨道内侧加载，横风从轨道外侧加载共3种，所以共有18种仿真工况[8].2.3 高速列车动力学建模基于多体动力学软件SIMPACK，建立高速列车动力学仿真模型.首先建立车辆动力学微分方程，合理选取车辆系统主要部件，对悬挂参数线进行线性化处理等.车辆主要由车体、构架、轮对和轴箱装置等组成.一系钢弹簧、阻尼减振器和轴箱悬挂装置等组成了一系悬挂系统；空气弹簧、抗蛇行阻尼减振器、牵引拉杆等组成了二系悬挂系统[9]；对车辆系统各部件的自由度适当取舍，建立共计50个自由度的刚性车体模型.设置仿真线路由直线、圆曲线和缓和曲线等组成，参照上文设置曲线半径，外轨超高，分别添加作用在车体侧墙中心的横向力、作用在车体中心的倾覆力矩和摇头力矩.添加德国轨道谱激扰，考虑轮轨非线性接触关系，采用CN60钢轨与LMA踏面配合使用，完成模型的建立[10]，如图3所示为高速列车动力学模型.3 列车曲线通过安全性评估3.1 车辆安全性评价标准高速列车通过曲线时的动力学评价标准有很多，这里选取与列车安全性有关的指标进行分析，主要包括倾覆系数、轮重减载率、脱轨系数、轮轨垂向力和轮轴横向力等[11].参照95J01-L(M)《高速试验列车强度及动力学性能规范》和GB 5599-1985《铁道车辆动力学性能评价和试验鉴定规范》中的相关规定，计算出各项安全性能指标的上限值，对车辆曲线通过能力进行评价[12].图3 高速列车动力学模型Fig 3 Dynamic model of high speed train3.2 车辆曲线通过安全性分析根据前文的分析，设置外轨超高由欠超高(h=0)经平衡超高(h=37.76 mm)到过超高(h=75 mm)共6个数值，瞬态横风的加载设置为无横风作用，瞬态横风从轨道内侧加载，瞬态横风从轨道外侧加载共3种情况，对共计18种工况进行仿真分析，绘制出不同安全性指标图像[13]，如图4∼图8所示.图4 倾覆系数图Fig 4 Overturning factor图5 脱轨系数Fig 5 Derailment coefficient图6 轮重减载率图Fig 6 Wheel load shedding rate图7 轮轨垂向力(kN)Fig 7 Wheel and rail vertical force (kN)对仿真结果进行分析：(1)列车在无横风作用工况下，外轨由欠超高状态变化至平衡超高状态过程中，各项安全性指标值整体都在减小，列车的安全性得到了提高；在平衡超高状态附近，列车的各项安全性指标值趋于最小，车辆的安全性最好；外轨由平衡超高状态变化至过超高状态过程中，各项安全性评价指标值整体又都在变大，列车的安全性不断下降.(2)列车在有横风作用工况下通过曲线时，车辆的倾覆系数，轮重减载率和轮轨垂向力在任何超高状态下都大于无横风作用工况；脱轨系数和轮轴横向力在大多数情况下大于无横风作用工况[14].因此，列车在有横风作用工况下，安全性相对来说比较差.由此说明瞬态横向风无论是作用在曲线内侧还是曲线外侧，在绝大多情况下都会降低车辆运行的安全性.(3)当瞬态横风在曲线内侧加载时，列车在任何超高状态下，安全性评价指标值整体都在增大，安全性降低，说明曲线内侧有瞬态横风作用更加适合欠超高线路；当瞬态横风在曲线外侧加载时，在欠超高状态下，各项安全性指标值整体呈下降趋势，列车的安全性变好，根据仿真结果可以推断出：轨道外侧的瞬态横风作用在车体上时，在一定程度上抵消了部分离心力，提高了列车运行的安全性.图8 轮轴横向力(kN)Fig 8 Axle lateral force (kN)4 结论本文在不同的仿真工况下，对高速列车的曲线通过安全性进行了分析，得到如下结论：(1)介绍了瞬态“中国帽“风载模型及计算方法，将瞬态“中国帽“风载简化为横向力Fs，倾覆力矩MX和摇头力矩MZ.(2)介绍了曲线外轨超高的定义及计算方法等，确定了18种仿真工况.基于多体动力学软件SIMPACK，建立了动力学仿真模型.(3)确定了车辆安全性评价指标，对列车通过曲线时的倾覆系数、脱轨系数、轮轨横向力等安全性评价指标进行了分析，得出了高速列车在不同工况下通过曲线时的规律.参考文献：【相关文献】[1]彭袆恺，罗仁，胡俊波，等.不同侧风模型下的高速列车安全性研究[J].铁道车辆，2015，53(9):5-10.[2]费天翔.侧风作用下列车行驶的安全性研究[D].北京：北京交通大学，2014:57-59.[3]Lu Guandong.Overturning moment of train under strong lateral wind force[J].Railway Vehicles，2008，46(9):9-10.[4]Yang Wei.Analysis on Safety of High Speed Train Operation underCrosswind[J].Mechanical Engineering and Automation，2016(5):19-20.[5]王康.定常稳态风载荷下的高速列车运行安全性研究[J].内蒙古工业大学学报，2018，37(5):1-6.[6]缪炳荣，罗仁.SIMPACK动力学分析高级教程[M].成都:西南交通大学出版社，2010:227-242.[7]冯仲伟.小半径曲线上动车组运行安全性仿真研究[J].中国铁道科学，2017，38(5):9-15.[8]冯仲伟，候茂锐，方兴，等.动车组通过S形小半径曲线安全性影响因素研究[J].铁道建筑，2017(7):112-215.[9]杨琳.基于SIMPACK的二系悬挂参数对轨道车辆曲线通过性能影响研究[J].工程技术研究，2017(6):18-20.[10]Lu Guandong.Aerodynamics of High Speed Trains[J].Railway Vehicles，2006，44(10):1-3.[11]XU Li，SUN Shulei.Analysis of the Influence of Longitudinal Impulse of Long Trains on Vehicle Curve Operation Safety[J].Railway Locomotive & Rolling Stock，2015，35(5):59-63.[12]罗文俊.曲线轨道车辆稳定性分析[D].南昌：华东交通大学，2005:25-31.[13]杨茜茜.高速列车曲线通过动态性能仿真研究[D].长沙：中南大学，2013：41-43.[14]王开云，翟婉明，封全保.机车牵引状态下曲线通过导向特性研究[J].中国铁道科学，2017，27(2):71-76.。
横风下高速列车通过挡风墙动力学性能
横风下高速列车通过挡风墙动力学性能
李 田， 张继业 ， 张卫华
（ ） 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室 ，四川 成都 ６ １ ０ ０ ３ １ 摘 要 ：基于列车空气动力学和列车系统动力学数值模拟横风下高速列车通过挡风墙的 动 力 学 性 能 。 以 运 行 速 ／ 度为 ３ 分析高速列车通过挡风墙的气动力和动力学响应。当高速列 ５ ０ｋ ｍ ｈ 的高速列车通过一类挡风墙 为 例 ， ／ 列车的安全性和舒适性指标 明 显 变 差 。 当 横 风 速 度 为 ９． 车体横向振动加速 车进入和离开挡风墙时 ， ５ ６ｍ ｓ时 ，
第３ ４ 卷第 ７ 期 ０ １ ２年７月 ２
铁 道 学 报 Ｊ ＯＵＲ ＮＡ Ｌ Ｏ Ｆ ＴＨＥ ＣＨ Ｉ ＮＡ Ｒ Ａ Ｉ ＬＷＡＹ Ｓ Ｏ Ｃ Ｉ Ｅ Ｔ Ｙ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ４ Ｎ ｏ ． ７ Ｊ ｕ ｌ ０ １ ２ ２ ｙ
（ ） 文章编号 ： １ ０ ０ １ ８ ３ ６ ０ ２ ０ １ ２ ０ ７ ０ ０ ３ ０ ０ ６ － － －
２ ／ ； ／ 当横风速度为 １ 列车 的 脱 轨 系 数 超 过 ０． 度最大值达到 ２． ５ｍ ｓ ５． ０ｍ ｓ时 ， ７ 且 轮 重 减 载 率 超 过 ０． ８。 在 此 基
础上提出一类具有缓冲装置的挡风墙 ， 使高速列车通过挡风墙时的安全性和舒适性明显改善 。 关键词 ：高速列车 ；横风 ；挡风墙 ；空气动力学 ： ／ 中图分类号 ：Ｕ ２ ９ ２． ９ １ ４ 文献标志码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ １ ０． ３ ９ ６ ９ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ ８ ３ ６ ０． ２ ０ １ ２． ０ ７． ０ ０ ５ － ｊ
， ｅ ｒ ｅ ｕ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ｗ ａ ｓ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｉ ｍ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄ ｓ ａ ｆ ｅ ｔ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｍ ｆ ｏ ｒ ｔ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｗ ｈ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｈ ｉ ｈ ｓ ｅ ｅ ｄ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ａ ｓ ｓ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ － ｑ ｐ ｐ ｙ ｙ ｇ ｐ ｐ ｗ ｉ ｎ ｄ ｂ ｒ ｅ ａ ｋ． ： ； ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｈ ｉ ｈ ｓ ｅ ｅ ｄ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｃ ｒ ｏ ｓ ｓ ｗ ｉ ｎ ｄ ｗ ｉ ｎ ｄ ｂ ｒ ｅ ａ ｋ； ａ ｅ ｒ ｏ ｄ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｓ － ｇ ｐ ｙ ｙ 在强环境风下列车绕流流场明显改变 ，导致气动 由于强 环 境 风 而 导 致 列 车 脱 轨 及 倾 覆 事 力显著增大 ，
不同级别横风下虚拟轨道车辆动力学性能研究
不同级别横风下虚拟轨道车辆动力学性能研究
张弛;朱涛;张卫华;王超;黄文杰
【期刊名称】《现代交通与冶金材料》
【年(卷),期】2024(4)2
【摘要】为了研究虚拟轨道车辆在不同级别横风下的动力学性能,基于非线性胎地耦合关系建立了3编组虚拟轨道车辆多体动力学模型,研究虚拟轨道车辆在AW0和AW3状态下,不同级别横风对其胎地垂向力、抗倾覆稳定性、抗侧滚性能等主要动力学指标的影响。
结果表明:AW0状态且低速工况下,不同风级的风载和运行速度对各编组车辆影响较小,车辆动力学性能等指标基本一致;AW3状态下,各个指标值均随着运行速度和风级的提高而增大,且AW0状态下车辆的抗倾覆稳定性总体上优于AW3状态;针对各编组车辆而言,中间车的抗侧滚性能优于头车和尾车,其中尾车的抗侧滚性能最差,但各编组之间的抗倾覆稳定性相差不大。
【总页数】7页(P43-48)
【作者】张弛;朱涛;张卫华;王超;黄文杰
【作者单位】西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室;中车南京浦镇车辆有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】U270.11;U482.1
【相关文献】
1.横风下流线箱型桥-轨道交通车辆气动干扰风洞实验研究
2.不同轨道随机激励下的车辆动力学性能仿真研究
3.不同减振轨道上地铁车辆动力学性能对比分析
4.铰接系统减振器对虚拟轨道车辆动力学性能的影响
5.横风下车辆-轨道耦合动力学性能
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收稿日期:2008-12-25基金项目:国家“973”重点基础基金资助项目(2007CB714700);国家自然科学基金资助项目(50775191);国家重点实验室自主研究课题资助项目(2008TPL -T03);西南交通大学青年教师科研起步基金资助项目(2008Q060).作者简介:马卫华(1979—),山东滕州人,博士,讲师,主要从事机车稳定性研究.横风对高速动车组直线运行动力学性能的影响马卫华1,罗世辉1,宋荣荣2(1.西南交通大学牵引动力国家重点实验室,成都 610031;2.西南民族大学计算机科学与技术学院,成都 610041)摘要:通过建立高速动车组动力学仿真模型,分析了高速动车组在所受气动升力、侧力和倾覆力矩作用下的运行安全性.以某350km /h 动车组为原型,采用动拖动的编组方式,建立了列车动力学模型.动车转向架采用转臂式轴箱定位结构,二系悬挂由空气弹簧与横向减振器、抗蛇行减振器组成.研究常速横风及阵风对动车组各车的影响.仿真结果表明:横向风对脱轨系数、轮重减载率及轮轨横向力均有很大的影响,尤其是轮重减载率,在所计算的工况下,几乎所有的轮重减载率均超出了标准要求,因此在横向阵风的作用下,动车必须限速运行,否则会有脱轨的危险;另外,阵风对动车组的影响要大于常值侧风,并且横风对头车的影响比其他车辆要大很多.关 键 词:横风;动车组;动力学;轮轨;脱轨中图分类号:U260 文献标识码:A文章编号:1671-0924(2009)03-0001-05Influence of Cross -wind on Dynamic Performance ofHigh -speed EMU on Straight TrackMA Wei -hua 1,LUO Shi -hui 1,SONG Rong -rong 2(1.Traction Power State Key Laboratory ,South west Jiaotong University ,Chengdu 610031,China ;2.College of Computer Science and Technology ,South west University for Nationalities ,Chen gdu 610041,China )A bstract :B y building dynamic simulation model for high -speed E MU ,this paper analyzes the running safety of E MU under the effect of aerodyna mic side force ,lift force and r olling moment .Taking one kind of 350km /h E MU as a prototype ,a train dyna mic model is built with the motor -trailer -motor arrangement .The tumbler journal box is adopted in the bogie of the vehicle and the secondary suspension system consists of air spring ,lateral da mper and the longitudinal damper .The influence of the mild wind (15m /s )and the gust crosswind (25m /s )on the E MU is researched .Simulation results sho w that the crosswind has a big influence not only on the wheel set lateral force ,derailment coefficient but also on the wheel load de -cr ease rate .Nearly all of the wheel load reduction rates exceed the criteria .The r unning speed of the E MU第23卷 第3期Vol .23 No .3重庆工学院学报(自然科学)Journal of Chongqing Institute of Technology (Natural Science )2009年3月Mar .2009must decrease to avoid the derailment from the view point of wheel load reduction rate .The gust crosswind has a bigger influence than the mild wind on the EMU and the front vehicle is more influenced by the crosswind than the other vehicles .Key words :cross -wind ;E MU ;dynamics ;wheel /rail ;derailment 随着列车运行速度的提高,列车的空气动力学问题越来越突出,尤其是高速列车的噪音和在强横风作用下的稳定性问题非常严重.我国正在大力发展高速铁路,其中相当大一部分线路分布在大风频繁的沿海地区,比如京沪高铁沿线的许多地区均可能发生风速大于30m /s 的强风,对高速铁路的运行安全形成威胁[1].由于横风对高速车辆运行安全性的重要影响,国内外众多的研究者通过实车试验、模型试验及数值仿真的方法对车辆运行安全性进行了针对性的研究.研究表明:当高速列车的运行速度达到300km /h ,甚至350km /h 时,列车受到的气动力、力矩的作用非常强烈,尤其是当车体的质量较轻时,列车的运行稳定性将主要受气动作用的影响[2].文献[3]中为了测量轨道车辆局部的气动载荷,提出了一种基于面压力的新的测量方法,得到了车体的气动载荷.文献[4]中研究了考虑不同轨道设置的车体的气动力和气动载荷,并得出垂直于车体的侧风对车体的侧翻影响最大的结论.邓永权等采用动力学仿真的方法研究了横风作用时间对200km /h 客车直线运行的安全性的影响[5].王永冠研究了270km /h 高速动车的曲线通过性能,分析了阵风和常值侧风对动车曲线安全性的影响,并提出了各工况下的限制速度[6].本文中结合国内外对高速车辆气动性能的研究,建立了3节车的高速动车组模型,通过动力学仿真,研究了动车组在横风作用下的运行安全性,并对比了横风对头车、中车和尾车的不同影响.1 横风对车辆的作用 横风对车辆的作用会引起车体质量在两条钢轨之间的转移,严重时会引起车辆的脱轨甚至倾覆.对横风的研究主要考虑横向力、升力及倾覆力矩对车辆的影响,图1为高速车辆上作用的风力示意图.图1 车辆气动特性 图1中,U 为风速相对于车辆的速度;A (h ×l )为车辆的侧面积;h (m )为车高;l (m )为车长;v 为车速;W C 为风速;β为相对风速与车辆前进方向之间的夹角,β=arctan (W C /v ).基于准静态理论,侧向力、升力和倾覆力矩可以表示为[7]F S =0.5C S ρU 2A ;F L =0.5C L ρU 2A ;M R =0.5C RM ρU 2A h式中:ρ为空气密度(1.226kg /m 3);C S 为侧向力系数;C L 为升力系数;C RM 为倾覆力矩系数.2 动车组受到的横风作用力 本文中采用动力学仿真的方法研究横风作用产生的侧向力、升力和倾覆力矩对动车组各车的影响.在横风作用下,动车车体将受到气动升力、侧力和侧翻力矩的作用.试验研究表明:当侧滑角β(横风速度与动车运行速度的合成矢量与动车前进方向的夹角)满足β=16°～37°时,头车C y 大于尾车C y ,头车C z 大于拖车C z 大于尾车C z ,且相应的头车、尾车、拖车的升力系数C z 和侧力系数C y 近似成线性关系增加;当侧滑角小于45°时,侧翻力矩系数也基本成线性增加[7].根据电动车组气动特性的试验研究结果,可以推导出三车联挂时各车在不同运行速度下的气动升力、侧力和侧翻力矩,表1给出了部分速度时的结果.显然,头车、尾车、中车受到的各向力和力矩不同.2重庆工学院学报表1 各车受到的侧力、升力和侧翻力矩U /(m ·s -1)1515151525252525V x /(km ·h -1)200250300350200250300350β/(°)15.1112.1910.28.7724.2319.816.714.42头车侧力/kN18.2618.7416.8315.8540.5346.1049.6049.52升力/kN 27.1231.0136.8042.2759.9960.6869.4475.93侧翻力矩/kN ·m78.388.0101.2112.4177.1183.1201.0223.7拖车侧力/kN16.7119.6323.3625.4332.7737.7943.3747.67升力/kN 12.7113.8013.1912.7239.0134.3637.0035.49侧翻力矩/kN ·m45.648.448.754.1114.9111.0116.4124.8尾车侧力/kN13.3818.7423.8829.0619.8625.8832.6539.62升力/kN 3.983.453.923.1715.2011.9011.1610.45侧翻力矩/kN ·m20.6121.9925.2928.1153.9151.9953.4058.55 由表1可看出:当β角较大时,头部动车的气动力和力矩几乎都大于相应的尾部动车的气动力和力矩;在横风风速不变的条件下,除横风风速较小时尾部动车的气动侧力外,头部动车、拖车和尾部动车的其他气动力和力矩都随列车速度的增加而增大.3 仿真模型 高速动车组采用动—拖—动的编组方式,其中动车和拖车除了驱动系统之外,结构基本一致.动车转向架采用B 0轴式,每节动车由2台完全相同的转向架组成.转向架采用无摇枕H 形构架;为了减少簧下质量,采用了小轮径车轮和空心车轴;轴箱采用转臂式定位,轴箱弹簧采用双圈圆钢簧;二系采用抗蛇行减振器、横向减振器和空气弹簧,构架设附加气室;采用单拉杆式牵引装置传递纵向力[8].充分考虑上述结构特点后建立了动力学仿真模型,如图2所示.轮轨接触采用LMA 型踏面与Rail60钢轨的匹配.动力学仿真过程中采用德国高速低干扰轨道谱作为不平顺输入.以3节车编组的动车组为研究对象,研究横风作用下头车、中车和尾车的不同动力学反应,分析横风对各车的不同影响.对横风的考虑有2种,一种是风速为15m /s 的常值侧风,另一种是风速为25m /s 的阵风,阵风的作用时间为2s .动力学计算中,在常值侧风工况下,动车车体始终受到风速为15m /s 的风力作用;在阵风工况下,车体所受的风速为25m /s 的风力,作用时间为2s ,其中前0.5s 风力从无风达到阵风风力,接下来的1s 车体持续受阵风作用,最后0.5s 阵风逐渐消失.图2 列车动力学模型4 仿真分析 由于高速动车组在正线上的曲线半径比较大,通常大于4500m ,因此,只给出直线情况,不再单独考虑动车组的曲线通过性能.以各节车在横风作用下的轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率和车体侧滚角为例进行分析,计算时间为20s ,阵风作用工况下,阵风从第9s 施加,至第11s 时结束.当仿真速度为200km /h 时,受到15m /s 的常值侧风和25m /s 阵风作用时得到的情况如下:给出了轮轴横向力和脱轨系数的时间历程;给出了各车所有轮对中,轮轨横向力和脱轨系数中最大的一个,其中F ,M ,R 分别表示头车、中车和尾车;对计算结果进行了2m 滤波.3马卫华,等:横风对高速动车组直线运行动力学性能的影响由于高速动车组轴重11.5t ,所以,轮轴横向力Q ≤0.85[10+1/3(11.5×9.8)]=40.46kN .脱轨系数和轮重减载率的标准分别为Q /P ≤0.8和ΔP /P ≤0.65.图3 常值侧风时的轮轴横向力和脱轨系数图4 阵风时的轮轴横向力和脱轨系数 从图3可以看出,在常值侧风作用下,轮轴横向力向背风侧发生了偏转.在200km /h 的速度下,同时受到15m /s 的常值侧风作用时,轮轴横向力的最大值约为23kN ,脱轨系数的最大值为0.27,均发生在头车上,头车的轮轴横向力、脱轨系数值远大于中车、尾车的轮轴横向力和脱轨系数.25m /s 阵风作用下动车组的仿真结果如图4所示.从中可以看到,在阵风作用的时刻,轮轴横向力和脱轨系数迅速增大,轮轴横向力的瞬态最大值可达60kN ,超出了轮轴横向力的限制值;而脱轨系数的最大值约为0.55.受到阵风作用时,头车和中车的轮轴横向力和脱轨系数比尾车的轮轴横向力和脱轨系数大很多.为了系统地比较不同速度时横风作用对动车组的影响,计算了从150km /h 到350km /h 速度时,动车组分别受到15m /s 的常值侧风和25m /s 的阵风作用时的轮轴横向力、脱轨系数和轮重减载率.分别给出了轮轴横向力的3δ统计值和脱轨系数、轮重减载率的最大值,各指标均选择同一节车的最大值,得到的结果分别见图5～图7.图5 常值侧风和阵风对轮轴横向力的影响 从图5中可以看到,随着动车组运行速度的提高,各车的轮轴横向力不断增大,在15m /s 的常值侧风作用下,即使在350km /h 的速度时,动车组的轮轴横向力依然没有超出标准的限制值.而在25m /s 的阵风作用下,由于风速的大幅增大,当速4重庆工学院学报度达到300km /h 时,头车轮轴横向力的统计值就超出了标准的限制.图6 常值侧风和阵风对脱轨系数的影响图7 常值侧风和阵风对轮重减载率的影响 常值侧风和阵风对动车组的影响见图6,从中可以看到,在所有的计算工况下,动车组各车脱轨系数的最大值均满足合格的标准. 横风对动车组各轮对轮重减载率的影响如图7所示.从中可以看到横风对轮重减载率的影响非常大,在所有的计算工况中,只有150km /h 速度时动车组的轮重减载率基本满足合格的要求,在其余各工况下,无论是风速为15m /s 的常值侧风还是风速为25m /s 的阵风作用下,动车组的轮重减载率均超出了标准的要求,因此,从这个角度出发,就要求在横风的作用下,动车组必须限速运行,否则会有减载脱轨的危险.5 结束语 通过动力学仿真及对试验数据的综合分析,发现横风对动车组头车、中车和尾车的影响程度不同.一般来说,横风作用对头车的影响最大,中车次之,对尾车的影响略小.在容易受横风作用影响的各指标中,轮重减载率对横风及动车组运行速度的变化最敏感.当受到横风作用时,为了保证动车组的安全性,必须限速运行或停运.常值侧风和阵风对动车组的影响有很大不同,从仿真结果也可以看出,在常值侧风作用下,动车组始终受到侧力、升力和侧翻力矩的作用,其各指标值的变化比较均匀,而阵风的作用会导致动车组在受到阵风作用的时刻,引起动车组各性能指标的瞬间增大,对动车组运行安全性的影响更大.参考文献:[1] 刘庆宽,杜彦良.日本列车横风和强风对策研究[J ].铁道学报,2008,30(1):82-88.[2] Xu Y L ,Ding Q S .Interaction of railway vehicles with trackin cross -winds [J ].Journal of Fluids and Structures ,2006(22):295-314.[3] Stephane Sanquer ,Christian Barre .Effect of cross winds onhigh -speed trains :develop ment of a new experimental methodology [J ].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics ,2004(92):535-545.[4] Minoru Suzuki ,Katsuji Tanemoto .Aerodynamic characteris -tics of train /vehicles under cross winds [J ].Journal of 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