彭 華 朱柏鋮 蔡小培 侯博文

(北京交通大學土木建筑工程學院 北京 100044)

強側風下高架橋上軌道列車的安全運行

彭 華 朱柏鋮 蔡小培 侯博文

(北京交通大學土木建筑工程學院 北京 100044)

城市軌道列車在高架橋上運行時會受到強側風的影響，危及列車的安全運行。結合北京地鐵13號線、昌平線等線路的實際情況，針對強側向風下列車的安全運行問題，采用SIMPACK軟件建立單車三維動力學仿真模型。以高速列車在側向風下的空氣動力學模擬計算得到的風載荷數據為基礎，推導出列車在低速行駛的風荷載，分析強側風對列車在高架線路曲線段上動力學性能的影響。結果表明，在強側風影響下，列車的輪軌動力參數考察指標(如輪軌橫向力、脫軌系數及減載率)均顯著增大。最后提出在強側風影響下，列車在不同曲線半徑下安全運行的最高車速參考值。

城市軌道交通;安全運行;強側風;SIMAPACK軟件;動力學仿真;減載率;最高車速

1 列車系統動力學模型

在進行強側風條件下的車線模型仿真計算時，做了如下簡化:1)不考慮橋梁的本身結構受力，以及橋梁在強側風條件下的振動和變形;2)不考慮組合列車的影響，僅考慮一節(jié)車輛的動力學性能;3)在強側風情況下往往伴有雨水，在本研究中不考慮水介質對輪軌動力的影響。

1.1 列車模型

結合虛擬樣機技術，應用SIMPACK中的wheel/rail模塊建模，在前處理中輸入的模型參數包括各種不同被定義體的質量、質心、慣性力矩等。同時還要定義體結構三維幾何形狀數據和體上要施加的各種力元、傳感器等標志點及其安裝位置，然后輸入模型約束力等［3］;該車輛模型包含車體模型、2個轉向架及4個輪對。車體和構架考慮各自的垂向、橫向、縱向、點頭、側滾和搖頭共6個自由度，車體和構架之間由二系懸掛連接。單個輪對考慮輪對的垂向、橫移、側滾、搖頭共4個自由度，輪對同構架之間由一系懸掛與構架相連。單車模型考慮了34個自由度，所構成的列車動力學模型見圖1。仿真模型車體采用B 型車，載客狀態(tài)分別為 AW3(超員)、AW0(空載)［4］。

圖1 列車所受氣動荷載的動力仿真模型

1.2 軌道譜

根據北京地鐵4號線上的實測不平順樣本，導入SIMPACK生成軌道隨機不平順的樣本曲線。具體的軌道不平順樣本如圖2所示，(a)(b)分別為左軌軌向不平順、左軌高低不平順樣本。在圖2(a)中，從上到下依次為:左軌軌向不平順值與軌道長度的關系(橫坐標單位為m，縱坐標單位為m)，左軌軌向不平順值的一階導數與軌道長度的關系，左軌軌向不平順值的二階導數與軌道長度的關系。同理，圖2(b)表示的是左軌高低不平順值、不平順值的一階導數、二階導數隨軌道長度的變化走向。

圖2 軌道不平順樣本

1.3 曲線軌道的設定

要計算在不同曲線上的輪軌動力安全參數，需設置不同的曲線半徑來進行分析計算。參照《地鐵設計規(guī)范》，計算選取的曲線半徑、緩和曲線長度、曲線外軌超高如表1 所示［5］。

表1 曲線線型參數

1.4 模型計算

基于文獻［6］，建立了“風-車輛-軌道”動力學分析模型，計算10、11、12 級風速，曲線半徑300 ～600 m，不同車速下的城市軌道列車安全運行動力學參數值。圖3計算的是AW3工況、12級強側風、車速100 km/h、曲線半徑600 m的列車安全運行動力參數值。在風荷載輸入方式中，5～18 s為風荷載常加載時間段，0～3 s、15～18 s分別是增載和減載時間段。藍色曲線表示列車在背風處車輪(左輪)的輪軌動力參數時程曲線，紅色曲線表示列車在迎風處車輪(右)的輪軌動力參數時程曲線，圖中輪軌橫向力與脫軌系數出現負值，是因為與SIMPACK中的方向相反。

圖3 輪軌動力參數

圖3中的結果同文獻［2］中的結果基本吻合。列車在此工況下，輪軌橫向力最大可達55.4 kN，脫軌系數為0.41，減載率最大為0.51。同時，由該計算結果可知，在強風條件下，列車的背風處車輪(左輪)的輪軌力最大值大于迎風處車輪的輪軌力，左右輪軌的脫軌系數最大差值可達0.1。表明在強側風條件下，列車背風處車輪受力狀況惡化，極有可能發(fā)生危險事故。

2 計算結果及分析

2.1 工況選取

在橫風環(huán)境下，合成風總是以某一側偏角作用在車輛上，由于列車迎風側和背風側流場的非對稱性，車輛必然經受橫向氣動力的作用。在橫向氣動力和力矩的作用下，相對于在強側風作用下，列車在運行狀況下，要受到6個荷載的由風力附加的荷載。在6個風力荷載中，其中對列車安全運行影響最大的荷載是側向力、側翻力矩、擺頭力矩、點頭力矩［7］。筆者討論的是列車在低速情況的安全運行，不考慮升浮力和升浮力矩的影響［8］。當車速和風速相差不大時，合成矢量的大小和方向受風速的影響較大，此時車輛受到的氣動力和氣動力矩基本上與車速成線性關系［9］。表2為不同車速對應的風荷載參數。

2.2 計算結果分析

表3為曲線半徑600 m、列車在城市軌道高架橋段的安全參數。表4為曲線半徑為300 m、列車在城市軌道高架橋段的安全參數。根據表3～4可以得到:

1)在風速12級、車速60 km/h，曲線半徑從600 m減小到300 m時，減載率從0.54變化到0.67，脫軌系數從0.35 增到0.39，橫向力從 35.8 kN 增到 40.6 kN，這表明:在一定情況下，減載率、橫向力受曲線半徑影響比較大，而脫軌系數受曲線半徑影響較小。所以，在強側風的影響下，列車更容易發(fā)生傾覆的危險。建議用減載率、橫向力來評定列車的安全運行。

2)在12級風速、600 m半徑下，車速從100 km/h降到40 km/h，減載率從0.71減小到0.46，脫軌系數從0.51 減小到 0.28，橫向力從 55.4 kN 減小到 24.3 kN，這表明:在強風條件下，列車速度降低，各項安全參數也隨之減小。

表2 不同工況下的動力參數

表3 600 m半徑下的安全參數

表4 300 m半徑下的安全參數

2.3 確定不同工況下最高安全運行速度

1)在計算完列車超員工況下的動力學參數之后，需要根據行業(yè)標準對不同的動力學參數進行對比。動力學參數標準為:輪軌橫向力限值為40 kN，脫軌系數限值為0.8，減載率限值為0.6。圖4所示為在曲線半徑為600 m的情況下，輪軌橫向力、脫軌系數、減載率在不同工況下的變化趨勢。

以圖4為例，采用插值法，觀察輪軌動力安全參數走勢，從各個指標中得出相對應的最大速度，再在這三個最大速度中選取最小的速度，即為列車最高安全運行速度。最后得出在曲線半徑為600 m，風速分別為10、11、12級時列車的最高安全運行速度分別為90、80、63 km/h。

圖4 曲線半徑為600 m的動力學參數

按照以上方法，改變線路參數，可以計算出曲線半徑為300、400、500 m時，城市軌道列車在不同風速影響下的最高安全運行速度(見表5)。

表5 超員情況下的最高安全運行速度

2)同理，在空載情況下的，可以計算出在不同工況下的輪軌動力學參數。圖5為工況AW0、12級強側風、曲線半徑為300 m、列車在40 km/h速度下的輪軌動力學參數。

圖5 空載情況下的輪軌動力學參數

在低速、空載情況下的輪軌垂向力、橫向力幅值隨時間變化趨于穩(wěn)定，輪軌橫向力值最大為30 kN，脫軌系數最大值為0.37，通過輪軌左右垂向力值計算出最大的減載率為0.625。而表4中超員情況下，輪軌橫向力值最大為30.9 kN，脫軌系數為0.32，減載率為0.62。所以城市軌道列車受強側風影響時，分別在空載和超員的載客狀態(tài)下，其動力參數響應差異不大。

3)由于模型的簡化，在實際中很多影響城市軌道列車在高架橋上安全運行的因素并沒有完全考慮到，比如外部侵入物進入線路軌道、水介質的存在。綜合考慮，筆者引入安全系數對表5中的最高限速進行修正，在此，安全系數取1.3。表6為城市軌道列車在高架橋上運行時強側風條件下的最高安全運行速度。

表6 強側風條件下的最高安全運行速度

3 結論與建議

1)列車在受強側風的影響時，分別在超員與空載的情況下，相應的動力安全參數差異不大，說明列車在運行時的軸重差異對城市軌道列車在高架橋上安全運行的影響差異不大。而主要影響安全運行的因素是風速大小、列車速度以及曲線半徑。

2)城市軌道列車在高架橋上受強風影響，受力復雜多變，筆者沒有考慮到橋梁—軌道—車輛在多場作用下的耦合，以后有待深入研究。所以，為使城市軌道列車在高架橋上安全運行，建議結合實際，參照表6中的最高限速值指導列車的安全運行。

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Safe Operation of Beijing’s Railway Train on the Viaduct under Strong Crosswinds

Peng Hua Zhu Bocheng Cai XiaopeiHou Bowen
(School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044)

Abstract:Urban rail trains can be endangered by strong crosswinds.To solve of the problem of safe operation under strong crosswinds，SIMPACK software is used to establish a threedimension dynamic simulation model of the train running on the viaduct in Beijing Metro Line 13 and Changping Line.U-sing the aerodynamic simulation data of the high－speed train under crosswinds load，the paper deduced the train wind loads at low speeds，and analyzed dynamics performance of the trains on viaduct curve segments under strong crosswinds.The results showed that the parameters of wheel－rail such as wheel rail lateral force，derailment coefficient，and rate of wheel load reduction increased obviously under the influence of strong crosswinds.Finally，the paper put forward the maximum reference value of train speeds for different radius curves for safe operation under strong crosswinds.

Key words:urban rail transit;safe operation;strong crosswinds;SIMAPACK;dynamics simulation;rate of wheel load reduction;top speed

U231+.4

A

1672-6073(2014)01-0063-05

10.3969/j.issn.1672-6073.2014.01.016

收稿日期:2013-05-10

2013-06-28

作者簡介:彭華，男，副教授，道路與鐵道工程方向，hpeng@bjtu.edu.cn

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金(2012JBZ011);國家自然科學基金資助項目(51108025)

隨著城市軌道交通的發(fā)展，線路正迅速延伸至城市遠郊區(qū)，一般情況下這些地段都將優(yōu)先考慮采用高架線路或地面線路的形式。強風對行車安全的威脅主要來自側向風(橫向風)產生的橫向阻力。側向風速越高，車速越高，對列車的傾覆威脅就越大。加上地鐵列車車輛的輕量化，導致其抗風能力減弱。隨著極端天氣發(fā)生的頻率越來越高，危害越來越大，對地鐵高架橋梁在強風(尤其是強側風)條件下“車-線-橋”系統的危險因素進行監(jiān)測，量化指標、分級響應，最大限度地防范風險、規(guī)避災害，保障列車安全運行，成為當前亟須研究的課題。針對強側風的影響，德國、日本等國家已開發(fā)出可根據風速的大小對列車車速實施同步調節(jié)的側風預警系統［1］，目前我國也在開發(fā)車載側風安全預警和控制系統。為了更好地揭示在強側風影響下列車的運行狀況，借助SIMPACK軟件建立車輛-軌道分析模型，以推導出的列車在低速行駛下的風荷載數據作為外界輸入條件［2］，分析了強風條件下的列車運行安全參數，提出了列車安全運行的速度閥值。

(編輯:曹雪明)