橫風(fēng)對高速列車動力學(xué)性能的影響

橫風(fēng)對高速列車動力學(xué)性能的影響

隨著運(yùn)營速度的提高，列車的空氣動力學(xué)問題變得越來越突出。尤其是高速列車的噪音和強(qiáng)橫風(fēng)的穩(wěn)定性問題非常嚴(yán)重。中國正在大力發(fā)展高速鐵路。其中大部分分布在強(qiáng)風(fēng)影響較強(qiáng)的沿海地區(qū)。例如，上海、北京和天津的許多地區(qū)可能會發(fā)生超過30ms的強(qiáng)風(fēng)，這將對高速鐵路的運(yùn)營安全構(gòu)成威脅。1車輛的橫向力橫風(fēng)對車輛的作用會引起車體質(zhì)量在兩條鋼軌之間的轉(zhuǎn)移,嚴(yán)重時(shí)會引起車輛的脫軌甚至傾覆.對橫風(fēng)的研究主要考慮橫向力、升力及傾覆力矩對車輛的影響,圖1為高速車輛上作用的風(fēng)力示意圖.圖1中,基于準(zhǔn)靜態(tài)理論,側(cè)向力、升力和傾覆力矩可以表示為=0.5=0.5式中:2氣動升力側(cè)力和側(cè)翻穩(wěn)定性本文中采用動力學(xué)仿真的方法研究橫風(fēng)作用產(chǎn)生的側(cè)向力、升力和傾覆力矩對動車組各車的影響.在橫風(fēng)作用下,動車車體將受到氣動升力、側(cè)力和側(cè)翻力矩的作用.試驗(yàn)研究表明:當(dāng)側(cè)滑角根據(jù)電動車組氣動特性的試驗(yàn)研究結(jié)果,可以推導(dǎo)出三車聯(lián)掛時(shí)各車在不同運(yùn)行速度下的氣動升力、側(cè)力和側(cè)翻力矩,表1給出了部分速度時(shí)的結(jié)果.顯然,頭車、尾車、中車受到的各向力和力矩不同.由表1可看出:當(dāng)3常值側(cè)風(fēng)和陣風(fēng)作用高速動車組采用動—拖—動的編組方式,其中動車和拖車除了驅(qū)動系統(tǒng)之外,結(jié)構(gòu)基本一致.動車轉(zhuǎn)向架采用對橫風(fēng)的考慮有2種,一種是風(fēng)速為15m/s的常值側(cè)風(fēng),另一種是風(fēng)速為25m/s的陣風(fēng),陣風(fēng)的作用時(shí)間為2s.動力學(xué)計(jì)算中,在常值側(cè)風(fēng)工況下,動車車體始終受到風(fēng)速為15m/s的風(fēng)力作用;在陣風(fēng)工況下,車體所受的風(fēng)速為25m/s的風(fēng)力,作用時(shí)間為2s,其中前0.5s風(fēng)力從無風(fēng)達(dá)到陣風(fēng)風(fēng)力,接下來的1s車體持續(xù)受陣風(fēng)作用,最后0.5s陣風(fēng)逐漸消失.4高速動車組輪軸橫向力仿真結(jié)果由于高速動車組在正線上的曲線半徑比較大,通常大于4500m,因此,只給出直線情況,不再單獨(dú)考慮動車組的曲線通過性能.以各節(jié)車在橫風(fēng)作用下的輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率和車體側(cè)滾角為例進(jìn)行分析,計(jì)算時(shí)間為20s,陣風(fēng)作用工況下,陣風(fēng)從第9s施加,至第11s時(shí)結(jié)束.當(dāng)仿真速度為200km/h時(shí),受到15m/s的常值側(cè)風(fēng)和25m/s陣風(fēng)作用時(shí)得到的情況如下:給出了輪軸橫向力和脫軌系數(shù)的時(shí)間歷程;給出了各車所有輪對中,輪軌橫向力和脫軌系數(shù)中最大的一個(gè),其中F,M,R分別表示頭車、中車和尾車;對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了2m濾波.由于高速動車組軸重11.5t,所以,輪軸橫向力從圖3可以看出,在常值側(cè)風(fēng)作用下,輪軸橫向力向背風(fēng)側(cè)發(fā)生了偏轉(zhuǎn).在200km/h的速度下,同時(shí)受到15m/s的常值側(cè)風(fēng)作用時(shí),輪軸橫向力的最大值約為23kN,脫軌系數(shù)的最大值為0.27,均發(fā)生在頭車上,頭車的輪軸橫向力、脫軌系數(shù)值遠(yuǎn)大于中車、尾車的輪軸橫向力和脫軌系數(shù).25m/s陣風(fēng)作用下動車組的仿真結(jié)果如圖4所示.從中可以看到,在陣風(fēng)作用的時(shí)刻,輪軸橫向力和脫軌系數(shù)迅速增大,輪軸橫向力的瞬態(tài)最大值可達(dá)60kN,超出了輪軸橫向力的限制值;而脫軌系數(shù)的最大值約為0.55.受到陣風(fēng)作用時(shí),頭車和中車的輪軸橫向力和脫軌系數(shù)比尾車的輪軸橫向力和脫軌系數(shù)大很多.為了系統(tǒng)地比較不同速度時(shí)橫風(fēng)作用對動車組的影響,計(jì)算了從150km/h到350km/h速度時(shí),動車組分別受到15m/s的常值側(cè)風(fēng)和25m/s的陣風(fēng)作用時(shí)的輪軸橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率.分別給出了輪軸橫向力的3從圖5中可以看到,隨著動車組運(yùn)行速度的提高,各車的輪軸橫向力不斷增大,在15m/s的常值側(cè)風(fēng)作用下,即使在350km/h的速度時(shí),動車組的輪軸橫向力依然沒有超出標(biāo)準(zhǔn)的限制值.而在25m/s的陣風(fēng)作用下,由于風(fēng)速的大幅增大,當(dāng)速度達(dá)到300km/h時(shí),頭車輪軸橫向力的統(tǒng)計(jì)值就超出了標(biāo)準(zhǔn)的限制.常值側(cè)風(fēng)和陣風(fēng)對動車組的影響見圖6,從中可以看到,在所有的計(jì)算工況下,動車組各車脫軌系數(shù)的最大值均滿足合格的標(biāo)準(zhǔn).橫風(fēng)對動車組各輪對輪重減載率的影響如圖7所示.從中可以看到橫風(fēng)對輪重減載率的影響非常大,在所有的計(jì)算工況中,只有150km/h速度時(shí)動車組的輪重減載率基本滿足合格的要求,在其余各工況下,無論是風(fēng)速為15m/s的常值側(cè)風(fēng)還是風(fēng)速為25m/s的陣風(fēng)作用下,動車組的輪重減載率均超出了標(biāo)準(zhǔn)的要求,因此,從這個(gè)角度出發(fā),就要求在橫風(fēng)的作用下,動車組必須限速運(yùn)行,否則會有減載脫軌的危險(xiǎn).5常值側(cè)風(fēng)和陣風(fēng)對動車組運(yùn)行的影響通過動力學(xué)仿真及對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析,發(fā)現(xiàn)橫風(fēng)對動車組頭車、中車和尾車的影響程度不同.一般來說,橫風(fēng)作用對頭車的影響最大,中車次之,對尾車的影響略小.在容易受橫風(fēng)作用影響的各指標(biāo)中,輪重減載率對橫風(fēng)及動車組運(yùn)行速度的變化最敏感.當(dāng)受到橫風(fēng)作用時(shí),為了保證動車組的安全性,必須限速運(yùn)行或停運(yùn).常值側(cè)風(fēng)和陣風(fēng)對動車組的影響有很大不同,從仿真結(jié)果