許自強(qiáng)， 何德華, 于衛(wèi)東

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車車輛研究所, 北京 100081)

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大風(fēng)工況動(dòng)車組運(yùn)行速度限值研究

許自強(qiáng)， 何德華, 于衛(wèi)東

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所, 北京 100081)

對(duì)于高速動(dòng)車組，在風(fēng)區(qū)會(huì)設(shè)置擋風(fēng)墻以保證大風(fēng)環(huán)境下的列車運(yùn)行安全、提高列車運(yùn)行速度。通過(guò)對(duì)高速動(dòng)車組氣動(dòng)特性以及軌道動(dòng)力學(xué)特性的綜合分析可以得出列車安全運(yùn)行極限速度。本文主要針對(duì)蘭新客運(yùn)專線采用的CRH2C型動(dòng)車組展開研究，采用模擬仿真的方法，分析車輛運(yùn)行速度、不同線路條件、不同風(fēng)載荷情況下列車安全性能。分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)風(fēng)速大于30 m/s，動(dòng)車組最高運(yùn)行速度為160 km/h；當(dāng)風(fēng)速小于20 m/s，動(dòng)車組最高運(yùn)行速度250 km/h。通過(guò)仿真分析，得到了蘭新客運(yùn)專線CRH2C型動(dòng)車組大風(fēng)風(fēng)速與列車最高安全運(yùn)行速度之間的關(guān)系，為蘭新客運(yùn)專線高速動(dòng)車組運(yùn)行大風(fēng)工況運(yùn)行限速提供理論依據(jù)。

蘭新客運(yùn)專線； 動(dòng)車組； 大風(fēng)； 輪軌動(dòng)力學(xué)； 運(yùn)行速度限值

環(huán)境風(fēng)對(duì)高速動(dòng)車組的運(yùn)行平穩(wěn)性、安全性影響很大，過(guò)大的風(fēng)速不但影響乘客的舒適度甚至?xí){運(yùn)行安全。為了保證高速動(dòng)車組的運(yùn)行安全，司機(jī)必須根據(jù)風(fēng)速的大小對(duì)動(dòng)車組的運(yùn)行速度進(jìn)行及時(shí)調(diào)整[1-2]。

針對(duì)大風(fēng)條件下，高速列車的空氣動(dòng)力學(xué)、動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外科研人員開展了大量的研究工作。一些科研人員通過(guò)對(duì)橫風(fēng)效應(yīng)所引起的安全性問(wèn)題進(jìn)行了分析，把計(jì)算流體力學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)合起來(lái)對(duì)高速列車的安全速度進(jìn)行了研究[3-8]，研究將列車的幾何外形進(jìn)行了過(guò)度簡(jiǎn)化，并將橫風(fēng)風(fēng)場(chǎng)取為均勻風(fēng)，但是由于過(guò)度簡(jiǎn)化，導(dǎo)致了分析環(huán)境與實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)差距較大，分析精度并不高；還有些科研人員將不同的風(fēng)載模型，以激擾的形式輸入動(dòng)力學(xué)模型中研究車輛的運(yùn)行性能[9-12]，由于輸入的風(fēng)載與實(shí)際風(fēng)載不同，分析得到的結(jié)果與實(shí)際情況有誤差。

以我國(guó)CRH2C型高速動(dòng)車組為研究對(duì)象，分析該型高速動(dòng)車組在平原高路堤、橋梁上兩種環(huán)境下運(yùn)行的列車性能。首先，根據(jù)改型動(dòng)車組真實(shí)外形進(jìn)行詳細(xì)建模，采用STAR-CCM+軟件對(duì)高速列車以不同行駛速度在不同風(fēng)速橫風(fēng)中運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析。其次，將計(jì)算的六向風(fēng)載以時(shí)間函數(shù)的形式輸入SIMPACK軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。最后通過(guò)分析結(jié)果，初步得到線路設(shè)置擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)后的橫風(fēng)作用下，CRH2C型高速動(dòng)車組的最大安全運(yùn)行速度限值與橫風(fēng)風(fēng)速之間的關(guān)系，為動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)行限速提供依據(jù)。

1　橫風(fēng)作用下高速列車的空氣動(dòng)力學(xué)分析

通過(guò)模型試驗(yàn)，確定了數(shù)值模擬方法的適用性，對(duì)CRH2C型高速動(dòng)車組在平原上運(yùn)行的橫風(fēng)效應(yīng)進(jìn)行分析。

1.1計(jì)算模型

由于列車中部截面不變，縮短的模型不改變列車流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的基本特征[6]，模型采用3輛車編組，即頭車+拖車+尾車，考慮真實(shí)的轉(zhuǎn)向架、受電弓和風(fēng)擋等結(jié)構(gòu)。

主要計(jì)算工況和條件是：

(1)路況參考蘭新第二雙線路堤(高10.89 m，單側(cè)4 m高擋風(fēng)墻)與橋梁(高40.9 m，設(shè)置雙側(cè)3.5 m擋風(fēng)屏，擋風(fēng)屏上方2 m為20%透孔，下方為10%透孔)；

(2)計(jì)算車速為120,160,180,200,250,275 km/h；橫風(fēng)采用大氣底層邊界速度型，風(fēng)速分別為10～60 m/s，橫風(fēng)風(fēng)向角為90°，共120個(gè)組合工況進(jìn)行氣動(dòng)荷載模擬計(jì)算；

(3)采用相對(duì)運(yùn)動(dòng)模擬列車附近的外流場(chǎng)。使用剪切應(yīng)力輸運(yùn)SST模型湍流模型，流場(chǎng)內(nèi)黏性流體為可壓縮、定常流動(dòng)。用有限體積法(FVM)將控制方程離散，擴(kuò)散項(xiàng)用二階精度中心差分格式離散，用分離式解法對(duì)離散后的控制方程組求解。使用SIMPLE法耦合壓力-速度場(chǎng)，壓力采用迭代法修正。

1.2計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

流場(chǎng)計(jì)算模型參照文獻(xiàn)[8]，計(jì)算域的長(zhǎng)度為420 m、寬度為420 m、高度為100 m。列車頭部鼻尖處到計(jì)算域前端邊界距離取120 m，尾部距計(jì)算域后端邊界距離取300 m，橫風(fēng)入口距列車的距離取120 m，橫風(fēng)出口距列車的距離取300 m。采用六面體網(wǎng)格，在車體表面及地面處生成邊界層網(wǎng)格，加密尾流、列車表面和受電弓等流場(chǎng)變化較大區(qū)域的網(wǎng)格。整個(gè)計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格總數(shù)約為3 100萬(wàn)個(gè)，動(dòng)車組附近網(wǎng)格如圖1所示。

圖1　動(dòng)車組附近網(wǎng)格劃分

1.3氣動(dòng)作用力計(jì)算

將列車各個(gè)壁面上每個(gè)單元受的壓力值進(jìn)行面積積分，即可得到該面受到的氣動(dòng)力值，將這些力向某一點(diǎn)簡(jiǎn)化，即可得到相應(yīng)的氣動(dòng)力矩值[13]。

(1)

其中Fpx、Fpy、Fpz分別為空氣壓差阻力、空氣壓升力和空氣壓差橫向力；Fτx、Fτy、Fτz分別為表面空氣摩擦阻力、表面空氣摩擦升力和表面空氣摩擦橫向力；Pbx、Pby、Pbz分別為列車的表面壓力Pb在x、y、z向的分力；τix、τiy、τiz分別為表面切應(yīng)力τ在X、Y、Z方向上的分量；SF為列車的外表面積,m2。

由于高速列車是由多節(jié)相對(duì)獨(dú)立的車輛編組在一起的，列車的整體失穩(wěn)也是由某節(jié)或某幾節(jié)車輛失穩(wěn)引發(fā)的，所以分析列車的氣動(dòng)力矩實(shí)際上是分析車輛的氣動(dòng)力矩[13]。車輛空氣力矩是由空氣阻力、升力、橫向力共同作用，繞三個(gè)坐標(biāo)方向產(chǎn)生的力矩，包括側(cè)滾力矩(繞x軸)、點(diǎn)頭力矩My(繞y軸)和搖頭力矩Mz(繞z軸)。

(2)

Fxk、Fyk、Fzk分別為車輛阻力、升力、橫向力(N)，下標(biāo)k代表車號(hào)；lij是方向的空氣力到力矩原點(diǎn)在j方向的距離(m)，下標(biāo)i=x、y、z；j=x、y、z；其中i為空氣力方向的下標(biāo)，y為空氣力與力矩原點(diǎn)距離方向的下標(biāo)，如lxy即為x方向的空氣力到力矩原點(diǎn)沿y方向的距離。

1.4高速列車的氣動(dòng)荷載

經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，橫風(fēng)通過(guò)路堤時(shí)風(fēng)速在路堤頂部達(dá)到最大，并且將在擋風(fēng)墻背面形成渦流，雖然橋梁高度高于路堤，但是橫風(fēng)的流場(chǎng)較路堤更加均勻，所以路堤工況比橋梁工況的橫風(fēng)載荷大。由于工況較多，僅在表1中列出了部分路堤工況的計(jì)算結(jié)果。

表1　車速250 km/h時(shí)，部分橫風(fēng)載荷的瞬時(shí)最大值

從表1中發(fā)現(xiàn)，在這兩個(gè)速度的橫風(fēng)作用下，中間車受到的風(fēng)載最大，而且6個(gè)方向載荷中側(cè)向力以及搖頭力矩的數(shù)值最大，對(duì)動(dòng)車組運(yùn)行性能影響貢獻(xiàn)最高。

2　橫風(fēng)作用下高速列車的動(dòng)力學(xué)仿真

2.1動(dòng)力學(xué)仿真模型

根據(jù)CRH2C型高速動(dòng)車組的結(jié)構(gòu)參數(shù)與懸掛參數(shù)，建立了CRH2C型高速動(dòng)車組的動(dòng)力學(xué)模型，如圖2所示，模型充分考慮了車體、構(gòu)架、輪對(duì)、軸箱轉(zhuǎn)臂等車體大部件。

在實(shí)際運(yùn)行中，動(dòng)車組車間設(shè)置有橫向、垂向阻尼，可以顯著減小搖頭力矩的作用，所以本文建立了3節(jié)連掛的動(dòng)車組模型。在模型中，相鄰動(dòng)車車輛間考慮了對(duì)稱布置的橫向、垂向減振器，其作用主要是降低動(dòng)車的搖頭力矩。動(dòng)車間還采用了具有三向剛度的彈簧力元模擬鉤緩裝置，傳遞列車間的縱向力。

2.2動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果

圖3～圖6為動(dòng)車組運(yùn)行速度180，200，250，275 km/h，橫風(fēng)風(fēng)速25～45 m/s的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果，其中風(fēng)載以6個(gè)方向行星力的形式持續(xù)施加于車體上。

圖2　CRH2C型高速動(dòng)車組的動(dòng)力學(xué)模型

圖3　輪軸橫向力

圖4　脫軌系數(shù)

圖5　輪重減載率

圖6　傾覆系數(shù)

從圖中可以看出，隨著運(yùn)行速度、橫風(fēng)風(fēng)速的增加，動(dòng)車組的運(yùn)行性能將顯著降低。由于風(fēng)速30,35 m/s這兩個(gè)工況，動(dòng)車組受到的風(fēng)載有較大的波動(dòng)，動(dòng)力學(xué)指標(biāo)在30 m/s工況迅速增加，到了35 m/s又有一定下降。從圖5、圖6發(fā)現(xiàn)，橫風(fēng)作用下輪重減載率大于傾覆系數(shù)，因?yàn)閱蝹€(gè)輪對(duì)在橫風(fēng)作用下可能出現(xiàn)抬起的現(xiàn)象。

3　列車運(yùn)行速度安全域分析

對(duì)動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理，以表2的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)動(dòng)車組的安全性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，一共將動(dòng)車組運(yùn)行性能分成3類，分別是安全、合格、超標(biāo)，對(duì)應(yīng)不同的輪軸橫向力、脫軌系數(shù)以及動(dòng)態(tài)輪重減載率范圍(以3個(gè)指標(biāo)中最差的那個(gè)指標(biāo)為準(zhǔn))。其中安全的范圍為小于規(guī)定限制值的80%，在限制值80%～100%為合格，超過(guò)限制值為超標(biāo)。

表2　列車運(yùn)行性能考核指標(biāo)

表3　列車在不同運(yùn)行速度時(shí)風(fēng)速的安全運(yùn)行限制值

通過(guò)對(duì)CRH2C橫風(fēng)動(dòng)力學(xué)性能校核得到的列車運(yùn)行安全運(yùn)行域見表3。從表3中可以看出，在有風(fēng)擋的路堤上運(yùn)行，當(dāng)列車車速為275 km/h時(shí)，環(huán)境風(fēng)速應(yīng)不大于25 m/s；當(dāng)列車車速為250 km/h時(shí)，為了運(yùn)行安全環(huán)境風(fēng)速應(yīng)不大于35 m/s；當(dāng)列車車速為200 km/h時(shí)，列車受到的橫風(fēng)不能大于30 m/s；如果列車車速下降至180 km/h及以下，列車可以在50 m/s的橫風(fēng)下安全運(yùn)行。

4　橫風(fēng)作用下列車運(yùn)行速度限值

原鐵道部《鐵路客運(yùn)專線技術(shù)管理辦法(試行)》(200～250 km/h部分)第172條關(guān)于動(dòng)車組列車遇大風(fēng)行車限速的規(guī)定如下：

當(dāng)環(huán)境風(fēng)風(fēng)速不大于20 m/s時(shí)，列車可以正常速度運(yùn)行；當(dāng)環(huán)境風(fēng)風(fēng)速不大于25 m/s時(shí)，列車運(yùn)行速度不能超過(guò)200 km/h；當(dāng)環(huán)境風(fēng)風(fēng)速不大于30 m/s時(shí)，運(yùn)行速度不能超過(guò)120 km/h；環(huán)境風(fēng)風(fēng)速大于30 m/s時(shí)，嚴(yán)禁動(dòng)車組列車進(jìn)入風(fēng)區(qū)。

蘭新第二雙線設(shè)置防風(fēng)結(jié)構(gòu)后，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)蘭新第二雙線設(shè)置防風(fēng)結(jié)構(gòu)后，列車運(yùn)行安全速度有了提升，如表4所示。

表4　橫風(fēng)作用下的列車運(yùn)行速度安全區(qū)域

*系列1：現(xiàn)有計(jì)規(guī)規(guī)范；系列2：安裝擋風(fēng)墻后的計(jì)算結(jié)果。

在設(shè)置擋風(fēng)墻后，當(dāng)風(fēng)速大于30 m/s，只要車速降低至160 km/h，動(dòng)車組可以安全運(yùn)行，而技規(guī)在此速度需要輪；當(dāng)風(fēng)速為20 m/s，動(dòng)車組可以以最大運(yùn)營(yíng)速度250 km/h運(yùn)行，與技規(guī)一致；當(dāng)風(fēng)速不大于20 m/s，動(dòng)車組在275 km/h的運(yùn)行速度下也是安全的。綜上所述，擋風(fēng)墻的建立可以提高環(huán)境風(fēng)速大于20m/s時(shí)的動(dòng)車組運(yùn)行速度。

5　結(jié)　論

通過(guò)對(duì)蘭新二線設(shè)置擋風(fēng)墻以后的高路堤、橋梁路段空氣動(dòng)力學(xué)、列車動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到了以下結(jié)論：

(1) 風(fēng)載對(duì)動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)的影響基本增加的趨勢(shì)，即風(fēng)速越大動(dòng)車組性能越差；計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)速為30 m/s時(shí)，動(dòng)車組的動(dòng)力學(xué)性能有較大的降低；

(2) 設(shè)置擋風(fēng)墻可以有效的降低強(qiáng)風(fēng)對(duì)動(dòng)車組運(yùn)行性能的影響，相比無(wú)擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)，計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)速大于30 m/s，只要車速降低至160 km/h，動(dòng)車組可以安全運(yùn)行；當(dāng)風(fēng)速不大于20 m/s，動(dòng)車組可以以最大運(yùn)營(yíng)速度250 km/h運(yùn)行。

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Research on Limit Operational Speed of CRH Train under High-speed Wind Condition

XU Ziqiang, HE Dehua, YU Weidong

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

For High-speed EMU trains, the wind-break wall had been set to ensure the train operation safety and increase the operational speed under wind condition. Based on the comprehensive analysis of aerodynamic characteristics and wheel/rail dynamics, the limit speed of EMU trains can be concluded. This article mainly aims at CRH2ctrain which running at the Lanxin passenger line, using simulation method to analysis the train safety performance under different running speed, line conditions and wind load. The results indicate that: when the wind speed is larger than 30 m/s, the maximum speed of CRH trains are 160 km/h; when the wind speed is smaller than 20 m/s, the maximum speed of CRH trains are 250 km/h. Through simulation, the relationships between wind speed and maximum operational safety speed have been revealed which provides theoretical basis of CRH trains operational speed limit under high wind condition.

lanxin passenger line; EMU trains; high speed wind; wheel/rail dynamics; limit operation speed

1008-7842 (2016) 01-0039-05

??)男，助理研究員(

2015-08-14)

U260.11+1

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.09