□ 劉平安 □ 涂小華 □ 霍永剛

1.華東交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院 南昌 330013 2.青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 山東青島 266111

1 分析背景

列車在高速運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生升浮力和仰俯力矩,升浮力和仰俯力矩會(huì)隨著運(yùn)行速度的提高而不斷增大,從而使列車處于類似飄浮的狀態(tài)。在高速列車并行運(yùn)行過程中,列車運(yùn)行的安全特性會(huì)受線間距、速度變化的影響,嚴(yán)重情況下,會(huì)出現(xiàn)脫軌甚至傾覆事故。

1996年,歐洲各鐵路公司啟動(dòng)了為期3 a的研究項(xiàng)目鐵路系統(tǒng)瞬態(tài)空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化,對(duì)高速列車運(yùn)行安全進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1-2]進(jìn)行橫風(fēng)對(duì)高速動(dòng)車組氣動(dòng)特性影響的試驗(yàn),得出高速動(dòng)車組在橫風(fēng)作用下所受的氣動(dòng)升力、側(cè)翻力矩、側(cè)力,并利用SIMPACK軟件分析高速動(dòng)車組在橫風(fēng)工況下的直線運(yùn)行動(dòng)力學(xué)性能。王希理[3]利用FLUENT軟件對(duì)側(cè)風(fēng)下高速列車在地面和橋面上運(yùn)行時(shí)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬,結(jié)果表明,在側(cè)風(fēng)條件下地面結(jié)構(gòu)對(duì)高速列車周圍流場(chǎng)影響不大,而橋面結(jié)構(gòu)會(huì)使高速列車周圍流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜,側(cè)風(fēng)下單線高速列車在地面和橋面上運(yùn)行時(shí),都是頭車受到的橫向氣動(dòng)力極值和波動(dòng)幅值最大。楊婧[4]分析不同車速、風(fēng)速、風(fēng)向角對(duì)高速列車安全性指標(biāo)的影響,并依據(jù)高速列車運(yùn)行安全性限定標(biāo)準(zhǔn),確定不同風(fēng)速下高速列車的最高安全運(yùn)行速度。相關(guān)學(xué)者對(duì)于單線高速列車風(fēng)阻問題的研究成果頗豐,而對(duì)于高速列車并行運(yùn)行風(fēng)阻問題的研究稍顯不足。近年來,隨著高速列車技術(shù)在我國的普及應(yīng)用,高速列車空氣動(dòng)力學(xué)逐漸引起廣大軌道車輛研究人員的重視。劉為亞、王進(jìn)等[5]采用FLUENT軟件模擬仿真了我國某新型高速動(dòng)車組在橫風(fēng)條件下的空氣動(dòng)力學(xué)性能,并研究了不同橫風(fēng)風(fēng)速下高速列車同向并行運(yùn)行時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)性能,將仿真結(jié)果與單線列車在相同條件下運(yùn)行時(shí)的情況進(jìn)行了對(duì)比。于夢(mèng)閣[6]采用半解析方法和蒙特卡洛模擬方法,以隨機(jī)風(fēng)速、側(cè)滾力矩因數(shù)、側(cè)力因數(shù)、搖頭力矩因數(shù)、升力因數(shù)、點(diǎn)頭力矩因數(shù)為變量,計(jì)算橫風(fēng)環(huán)境下高速列車運(yùn)行安全的隨機(jī)可靠性和可靠性靈敏度。王進(jìn)等[7-8]對(duì)某新型高速動(dòng)車組進(jìn)行數(shù)值模擬仿真,研究并行運(yùn)行情況下高速列車的空氣動(dòng)力學(xué)性能,分析高速列車在不同線間距及速度情況下,同向并行運(yùn)動(dòng)時(shí)的氣動(dòng)阻力影響。然而,以上文獻(xiàn)都沒有對(duì)高速列車并行運(yùn)行安全性受線間距及通道占比的影響進(jìn)行研究。

筆者針對(duì)高速列車并行運(yùn)行不停車上下旅客所面臨的空氣載荷變化規(guī)律問題展開研究。并行運(yùn)行不停車上下旅客的車站線路圖如圖1所示。車站在原有的正線旁邊進(jìn)行道路改造,修建環(huán)形中轉(zhuǎn)線,使中轉(zhuǎn)列車與正線列車在列車對(duì)接區(qū)段同速前進(jìn)對(duì)接,在上下旅客區(qū)段實(shí)現(xiàn)上下旅客之間的轉(zhuǎn)移,在列車分離區(qū)段實(shí)現(xiàn)中轉(zhuǎn)列車與正線列車的分離。建立包含由頭車廂、中間車廂、尾車廂組成的正線列車和由一節(jié)頭車廂、一節(jié)尾車廂組成的中轉(zhuǎn)列車的高速列車空氣動(dòng)力學(xué)模型,研究不同線間距及通道占比情況下高速列車并行運(yùn)行氣動(dòng)載荷的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上,建立拖-動(dòng)-拖編組的高速列車多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,將計(jì)算出的氣動(dòng)載荷作為外加負(fù)載加載到高速列車上,研究高速列車并行運(yùn)行的安全性。

▲圖1 車站線路圖

2 高速列車并行運(yùn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算

為了保證高速列車并行運(yùn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果的精確度,同時(shí)縮短計(jì)算時(shí)間,需要對(duì)高速列車進(jìn)行合理的簡化。

將正線列車模型簡化為由兩節(jié)中間車廂、一節(jié)尾車廂、一節(jié)頭車廂組成,尾車廂與頭車廂具有不同的結(jié)構(gòu)及形狀。對(duì)于中轉(zhuǎn)列車模型,采用兩節(jié)車廂進(jìn)行模擬,由一節(jié)頭車廂和一節(jié)尾車廂組成。

高速列車模型尺寸見表1。

表1 高速列車模型尺寸 m

高速列車表面有很多種不規(guī)則的零件,如電弓、門把手、車燈等,凹凸不平,會(huì)影響高速列車的表面光滑性,從而產(chǎn)生氣動(dòng)阻力,本次模擬仿真均忽略不計(jì)。高速列車并行運(yùn)行簡化模型如圖2所示。

▲圖2 高速列車并行運(yùn)行簡化模型

通過邊界條件可以確定流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),根據(jù)需要加入相應(yīng)的約束條件。CRH系列高速列車并行運(yùn)行的時(shí)速為300 km/h,設(shè)置為無滑移壁面邊界。

不考慮自然橫風(fēng)的作用,高速列車并行運(yùn)行時(shí),由于中轉(zhuǎn)列車與正線列車的長度不同,受空氣壓縮及對(duì)周圍空氣的影響,會(huì)使車輛產(chǎn)生側(cè)力、升力、傾覆力矩、搖頭力矩、點(diǎn)頭力矩作用。氣動(dòng)力與力矩簡化中心如圖3所示,由此可以得出高速列車并行運(yùn)行時(shí)車體上的分布?jí)毫Α?/p>

▲圖3 氣動(dòng)力與力矩簡化中心

3 高速列車多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算

通過SIMPACK軟件創(chuàng)建高速列車的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。動(dòng)力學(xué)模型包含15個(gè)個(gè)體、8個(gè)轉(zhuǎn)臂、4個(gè)輪對(duì)、2個(gè)構(gòu)架、1個(gè)車體。高速列車的車體、構(gòu)架、輪對(duì)等部分包含6個(gè)自由度,分別為垂向、橫向、縱向、側(cè)滾、搖頭、點(diǎn)頭。簡化后的高速列車模型總共有50個(gè)自由度、8個(gè)約束、42個(gè)獨(dú)立鉸支。動(dòng)車與拖車間采用拖-動(dòng)-拖的連接方式,懸掛參數(shù)、結(jié)構(gòu)、約束關(guān)系、連接部件、自由度選取等均與列車系統(tǒng)相符合,并且在某些參數(shù)上存在一定不同,主要體現(xiàn)在車體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)心高度、車體質(zhì)量等方面。

將仿真得到的氣動(dòng)力與力矩加載到多體動(dòng)力學(xué)模型上,對(duì)高速列車并行運(yùn)行的安全性進(jìn)行分析。由于空氣動(dòng)力學(xué)與多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的計(jì)算坐標(biāo)不同,因此要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,這樣才能保證氣動(dòng)力與力矩加載的正確性,以及多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果的正確性。計(jì)算坐標(biāo)系如圖4所示,空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算坐標(biāo)系{a}與多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算坐標(biāo)系{r}的轉(zhuǎn)換關(guān)系為:

(1)

(2)

(3)

式中:Fxa、Fya、Fza依次為空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算坐標(biāo)系下X、Y、Z軸方向上的氣動(dòng)力;Mxa、Mya、Mza依次為空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算坐標(biāo)系下X、Y、Z軸方向上的氣動(dòng)力矩;Fxr、Fyr、Fzr依次為多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算坐標(biāo)系下X、Y、Z軸方向上的氣動(dòng)力;Mxr、Myr、Mzr依次為多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算坐標(biāo)系下X、Y、Z軸方向上的氣動(dòng)力矩。

▲圖4 計(jì)算坐標(biāo)系

通過時(shí)間激勵(lì)法在軟件中將氣動(dòng)載荷添加到高速列車車體模型上,對(duì)高速列車車體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。

4 風(fēng)致安全性指標(biāo)分析

根據(jù)《高速動(dòng)車組整車試驗(yàn)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)送審稿,將脫軌因數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力、輪軌垂向力四項(xiàng)指標(biāo)用于評(píng)定高速列車并行運(yùn)行的風(fēng)致安全性[9-10]。各項(xiàng)指標(biāo)中,脫軌因數(shù)應(yīng)不大于0.8,輪重減載率應(yīng)不大于0.8,輪軸橫向力應(yīng)不大于10 kN+P0/3,輪軌垂向力應(yīng)不大于170 kN。其中,P0為軸載荷。

當(dāng)運(yùn)行速度為300 km/h時(shí),正線列車與中轉(zhuǎn)列車的脫軌因數(shù)隨線間距、通道占比的變化規(guī)律如圖5所示。

由圖5可知,隨著線間距、通道占比的變化,正線列車與中轉(zhuǎn)列車的脫軌因數(shù)均小于0.8,滿足脫軌因數(shù)指標(biāo)條件,符合高速列車運(yùn)行安全要求。當(dāng)通道占比小于1.0時(shí),正線列車與中轉(zhuǎn)列車脫軌因數(shù)的變化趨勢(shì)大體一致。當(dāng)通道占比達(dá)到1.0時(shí),中轉(zhuǎn)列車與正線列車對(duì)接完成,此時(shí)中轉(zhuǎn)列車頭車廂的脫軌因數(shù)增大,正線列車中間車廂的脫軌因數(shù)減小。

當(dāng)運(yùn)行速度為300 km/h時(shí),正線列車與中轉(zhuǎn)列車的輪重減載率隨線間距、通道占比的變化規(guī)律如圖6所示。

由圖6可知,隨著線間距、通道占比的變化,正線列車與中轉(zhuǎn)列車的輪重減載率均小于0.8,滿足輪重減載率指標(biāo)條件,符合高速列車運(yùn)行安全要求。通道占比一定時(shí),正線列車與中轉(zhuǎn)列車的輪重減載率隨線間距的增大整體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。當(dāng)通道占比為1.0時(shí),中轉(zhuǎn)列車與正線列車對(duì)接完成,此時(shí)正線列車中間車廂的輪重減載率突然增大,中轉(zhuǎn)列車頭車廂的輪重減載率減小。

當(dāng)運(yùn)行速度為300 km/h時(shí),正線列車與中轉(zhuǎn)列車的輪軸橫向力隨線間距、通道占比的變化規(guī)律如圖7所示。

由圖7可知,當(dāng)通道占比小于0.8時(shí),正線列車尾車廂、中轉(zhuǎn)列車頭車廂、中轉(zhuǎn)列車尾車廂的輪軸橫向力隨線間距的增大整體基本不變,正線列車頭車廂、正線列車中間車廂呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。當(dāng)通道占比為1.0時(shí),中轉(zhuǎn)列車與正線列車對(duì)接完成,此時(shí)正線列車中間車廂的輪軸橫向力突然減小,中轉(zhuǎn)列車頭車廂的輪軸橫向力方向改變。

當(dāng)運(yùn)行速度為300 km/h時(shí),正線列車與中轉(zhuǎn)列車的輪軌垂向力隨線間距、通道占比的變化規(guī)律如圖8所示。

由圖8可知,隨著線間距、通道占比的變化,正線列車與中轉(zhuǎn)列車的輪軌垂向力均小于170 kN,滿足輪軌垂向力指標(biāo)條件,符合高速列車運(yùn)行安全要求。隨著線間距的增大,正線列車頭車廂呈現(xiàn)增大趨勢(shì),正線列車中間車廂呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。當(dāng)通道占比為1.0時(shí),中轉(zhuǎn)列車與正線列車對(duì)接完成,此時(shí)正線列車中間車廂的輪軌垂向力減小。隨著線間距的增大,正線列車中間車廂的輪軌垂向力逐漸小于中轉(zhuǎn)列車頭車廂的輪軌垂向力。

5 結(jié)束語

筆者對(duì)300 km/h高速列車并行運(yùn)行的風(fēng)致安全性進(jìn)行全面分析,通過仿真得出結(jié)論。

(1) 高速列車各車廂的脫軌因數(shù)、輪重減載率均小于0.8,輪軌垂向力小于170 kN,符合高速列車運(yùn)行安全要求。

▲圖5 高速列車脫軌因數(shù)隨線間距、通道占比變化規(guī)律

▲圖6 高速列車輪重減載率隨線間距、通道占比變化規(guī)律▲圖7 高速列車輪軸橫向力隨線間距、通道占比變化規(guī)律

▲圖8 高速列車輪軌垂向力隨線間距、通道占比變化規(guī)律

(2) 當(dāng)通道占比由0增大至0.8的過程中,正線列車中間車廂最危險(xiǎn),但仍在安全要求范圍內(nèi)。當(dāng)通道占比由0.8增大至1.0時(shí),正線列車中間車廂的各指標(biāo)減小,中轉(zhuǎn)列車頭車廂的指標(biāo)有所增大,其它車廂無明顯變化。

(3) 結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)和列車動(dòng)力學(xué),可以確定線間距為4.5～5 m時(shí),高速列車并行運(yùn)行風(fēng)致安全性指標(biāo)波動(dòng)比較平穩(wěn),并且符合要求。

所做分析為提高高速列車并行運(yùn)行的風(fēng)致安全性提供了理論依據(jù)。