劉金明，高鴻瑞，劉堂紅

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410075）

隨著列車輕量化和高速化的發(fā)展，風致列車傾覆、線路中斷、弓網(wǎng)接觸失效等鐵路事故也更易發(fā)生，大風環(huán)境下的列車氣動/動力學性能急劇惡化，如何保證大風環(huán)境下列車運行安全性和旅客乘坐舒適性已成為鐵路運輸中的重要問題。

國內外學者針對大風下的列車氣動載荷展開了大量研究［1-5］。在英國，Baker 及其研究團隊利用實車試驗、風洞試驗和數(shù)值仿真等手段，深入研究了大風下的列車氣動及動力學響應特性［6-7］。在瑞典，Krajnovi? 等［8］采用大渦模擬的方法對簡化列車模型進行數(shù)值仿真，對比了大風下靜止和運動時列車受到的氣動力，結果表明動態(tài)與靜態(tài)條件下的最大氣動力和力矩有明顯差異。在意大利，Cheli等［9］通過風洞試驗測量了不同縮比的ETR500 列車在不同基礎設施場景下的氣動力系數(shù)，從不同列車模型的路堤試驗結果得出側滾力矩系數(shù)受氣流加速影響較大。除此之外，國外其他國家也對大風環(huán)境下的列車氣動載荷進行了相關研究，例如，韓國［10］、澳大利亞［11］、西班牙［12］等。國內相關專家對此問題也展開了深入研究。田紅旗［13］采用數(shù)值仿真、風洞試驗、動模型試驗和在線實車試驗的方法，對大風環(huán)境下列車氣動特性、列車對周圍環(huán)境的影響等問題進行了系統(tǒng)研究。梁習鋒等［14］基于三維模型采用數(shù)值仿真方法，研究了不同風速、風向下磁浮列車以430 km·h-1速度等速交會時的列車氣動載荷，結果發(fā)現(xiàn)在90°風向角下風速增大導致列車受到的側向力和側滾力矩也增大，側向力約與風速的0.8 次方成正比，側滾力矩約與風速的1.3～1.5 次方成正比。楊明智等［15］利用風洞試驗研究了不同類型列車在強風下的氣動載荷，結果發(fā)現(xiàn)側向力和側滾力矩系數(shù)隨著側滑角的增大而增大，增大到一定側滑角數(shù)值后兩者開始隨著側滑角的增加不斷減小。劉堂紅等［16-17］采用數(shù)值模擬方法研究了大風環(huán)境下列車運行安全性，提出了防風設施改造方案，使得大風環(huán)境下列車運行安全速度限值顯著提升。以上對大風環(huán)境下列車氣動載荷的研究大部分采用數(shù)值仿真、風洞試驗的方法，由于實車試驗成本高、實時測試氣動載荷難度大，國際上采用實車試驗的方法對大風環(huán)境下列車氣動載荷的研究并不多，而我國由于新疆鐵路常年遭受大風，對行車安全影響極大，近年來開展了大量的實車試驗，得到了寶貴的試驗數(shù)據(jù)。

本文采用實車試驗方法，對蘭新高鐵大風環(huán)境下動車組的橫向力、升力、傾覆力矩等氣動載荷進行了測試，得到了其氣動載荷與環(huán)境風速、風向以及車速、運行方向等因素之間的關系，為大風環(huán)境下列車安全評估提供了依據(jù)。

1 現(xiàn)場試驗

1.1 試驗條件

本次大風環(huán)境下列車氣動載荷的實車試驗測試在蘭新高鐵展開。蘭新高鐵位于甘肅、青海、新疆3 個省區(qū)，線路長度約1 776 km，其中甘肅境內的正線長798.93 km，青海境內266.92 km，新疆境內709.92 km［18］；通過了安西風區(qū)、煙墩風區(qū)、百里風區(qū)、三十里風區(qū)、達坂城風區(qū)等5大風區(qū)，其中百里風區(qū)、三十里風區(qū)的風力最為強勁，部分地段年均大于8級大風天氣達到208天［18-19］。大風區(qū)以極端天氣下列車可以停輪，但一般情況下少限速少停輪為運營目標，為此，在蘭新高鐵開展了大風條件下的專項試驗。擬通過試驗研究，提出大風條件下動車組開行條件建議，為保障動車組大風條件下安全運行積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗［20］。

試驗列車采用8 車編組動車組，其編組示意如圖1所示。其中，列車從烏魯木齊開往哈密為上行，此時頭車為8車；反之為下行，此時頭車為1車。

圖1 動車組編組示意圖

1.2 試驗內容及方法

影響大風環(huán)境下列車運行安全的關鍵是大風引起的氣動載荷［21-22］，其中最重要的氣動載荷是橫向力、升力和傾覆力矩。因此，通過實時測量動車組在不同運行環(huán)境及側風條件下的空氣壓力變化以及所受到的由側風引起的橫向力、升力和傾覆力矩，探索車速-風速風向-列車氣動載荷之間的關系，總結不同地段環(huán)境風對動車組氣動載荷的影響規(guī)律，是大風環(huán)境下列車運行安全研究的關鍵。

現(xiàn)場試驗中，無法像風洞試驗那樣采用測力天平直接進行氣動載荷的測量［15］；而在地面布置相應設備測試氣動載荷的方法也只是針對個別地點進行，無法反映列車全線運行時的氣動載荷變化特征［6］。因此，目前對于大風環(huán)境下列車橫向力、升力、傾覆力矩等氣動載荷的測量，主要采用測量列車表面壓力，然后采用積分的方法得到。文獻［17，22］證明了該測試方法的誤差基本在10%以內，個別差異較大的也在15%以內，考慮到現(xiàn)場復雜地形、環(huán)境瞬變風速等影響因素，這個誤差是可以接受的；國外也給出過類似的對比，即使采用靜置列車進行測試，其試驗與計算的誤差均在10%以上［6］。

對于不同的局部單元，測得其形心的壓差，則得到整個單元上的氣動力和力矩分別為

式中：Fe為積分單元的氣動力；p為積分單元的壓力；dxdy為積分單元的面積；Me為積分單元的氣動力矩；L為積分單元中心點至力矩作用點的距離。

根據(jù)上述原理，可以求出每個單元上的力和力矩，進行矢量相加后，就可得到整個車的氣動升力、橫向力和傾覆力矩［17，22］。

為了保證不同測點試驗數(shù)據(jù)的同步性，需要保證所有的采樣管長度相同，且采樣管長度的合理確定，需要結合測試載荷的頻譜特性，以能反映載荷的響應頻率［23］。

大風環(huán)境下列車空氣動力學性能的測試與明線交會、列車過隧道時列車氣動性能測試有較大差異，明線交會或過隧道時的測試一般只關注短時間內（如交會過程、列車通過隧道或隧道內交會）的氣動參數(shù)［24-25］，但大風環(huán)境下列車氣動性能的測試是1個長區(qū)段、長時間連續(xù)測試的過程，受當?shù)卮髿鈮杭碍h(huán)境溫度和濕度的影響，參考壓力會發(fā)生變化。因此，為了準確測得車體表面壓力分布，采用絕壓傳感器測量車體表面的壓力變化，其不僅包括風載引起的壓力變化，還包括由于海拔差等引起的壓力變化，如海拔差1 000 m 引起的壓力變化將近10 kPa，風載引起的壓力變化一般只有幾百至幾千Pa；為了準確測得大風環(huán)境下列車橫向力、升力、傾覆力矩等氣動參數(shù)，采用小量程、高精度的差壓傳感器直接測量車體左右兩側或上下的壓差，以排除海拔差引起的壓力變化，然后再采用積分的方法求得整個車輛的氣動載荷。

實車動態(tài)壓力測試系統(tǒng)由壓力傳感器、采集器、連接器、計算機及相應的分析軟件組成。該系統(tǒng)以計算機為中心，在軟件的支持下集成多種虛擬儀器的功能，能對多點、多種隨時間變化的參量進行動態(tài)在線實時測量，并能快速進行信號分析處理，有效排除噪聲干擾、消除偶然誤差、修正系統(tǒng)誤差，從而實現(xiàn)測量結果的高準確度并具備對被測信號的高分辨能力［20］。測試使用的壓力傳感器為Honeywell 的DC010 壓力傳感器，量程為±2 500 Pa，精度為0.25%；采集器采用阿爾泰科技的NET2801，采樣頻率最高可達30 kHz。

1.3 測點布置

采用積分方法時，測點的合理布置非常重要，需要結合理論分析、數(shù)值仿真的結果合理確定測點，對于壓力變化較大的列車流線型部位需要對測點進行加密。本文采用的測點布置等方法與文獻［17，20-22］中所述相同，這里不再贅述。

由于環(huán)境風主要影響頭車的氣動載荷和運行安全［20-22］，而中間車的影響相對較小，考慮到列車上下行2 個方向運行，因此，這里主要分析頭尾車氣動載荷的變化規(guī)律。試驗時，測試車輛選取動車組頭尾車（1 車和8 車）、中間車（5 車和7 車）進行測試，其中在頭車和尾車上布置車體氣動載荷和表面壓力變化測點，在中間車上布置表面壓力變化測點。頭車氣動載荷的測點布置如圖2 所示（僅給出頭車測點布置，尾車與頭車相同）。由圖2 可以看出：左右或上下測點均對稱布置，左右共布置58 個測點測量橫向力，其中括號外的為迎風側測點編號，括號內的為背風側測點編號；上下共布置48 個測點測量升力，其中括號外的為車體底部測點編號，括號內的為車體頂部測點編號。

圖2 頭車測點布置（單位：mm）

2 不同因素影響下列車氣動載荷變化規(guī)律

2.1 環(huán)境風速的影響

試驗時環(huán)境風速基本在20～25 m·s-1之間，風速變化范圍較小，且受車速、風向角、地形、防風設施等因素的綜合影響，環(huán)境風速對列車氣動載荷的影響比較復雜。由于測試車輛的氣動載荷與其在頭車還是尾車位置差異較大，這里選取200 km·h-1速度等級同一方向運行的試驗數(shù)據(jù)進行分析，地點選取地形比較平坦且距測風站較近的K3 016+000路堤柱板式擋風墻和K3 017+060 橋式擋風墻處，且考慮試驗時風向的影響，選取風向角差異不超過5°的測試數(shù)據(jù)進行分析，測試結果見表1，得到傾覆力矩與環(huán)境風速擬合曲線如圖3 所示（橫向力、升力變化趨勢與傾覆力矩類似，不再單獨分析）。圖中：M為傾覆力矩，傾覆力矩為負時表示其使列車產(chǎn)生逆風方向的傾覆；vw為環(huán)境風速。從圖3可以看出：隨著風速的增加，傾覆力矩增大，約與風速的1.4次方成正比。

圖3 傾覆力矩隨環(huán)境風速變化測試結果

表1 動車組不同風速下測試結果

實際上，隨著車速的不同，環(huán)境風速變化對列車氣動載荷的影響規(guī)律也有所不同［20］，因此，補充部分數(shù)值計算結果分析不同車速條件下環(huán)境風速對列車氣動載荷的影響。計算基于剪切應力輸運（Shear Stress Transfer，SST）k-ω湍流模型，采用改進的延遲分離渦模擬（Improved Delayed Detached Eddy Simulation，IDDES）方法，計算不同車速、不同環(huán)境風速條件下列車受到的氣動載荷；時間步長設置為0.1 ms，此時庫朗數(shù)約為2；計算域以及計算網(wǎng)格的設置與文獻［22］相同。為了驗證數(shù)值計算結果的可靠性，將其與實車試驗車體表面壓差進行對比，最大誤差小于15%，大部分測點誤差小于10%。考慮到實車試驗中的復雜條件以及數(shù)值計算時的簡化處理，上述誤差是可以接受的，因此可認為數(shù)值計算是可靠的。

通過數(shù)值計算補充無擋風墻和4 m 高擋風墻地段不同車速下列車傾覆力矩隨環(huán)境風速的變化關系如圖4 所示。圖中：M120，M200和M250分別為120，200 和250 km·h-1車速時的傾覆力矩；vt為車速。從圖4可以看出：無擋風墻地段，傾覆力矩與環(huán)境風速的1.3～1.6 次方成正比，且隨著車速的增加，傾覆力矩與環(huán)境風擬合的冪次越?。挥袚躏L墻地段，傾覆力矩與環(huán)境風速的1.2～1.5 次方成正比，同樣也是隨著車速的增加，傾覆力矩與環(huán)境風擬合的冪次越小。

圖4 不同車速下傾覆力矩隨環(huán)境風速變化結果

2.2 車速的影響

由于本次試驗的速度等級較少，主要集中在180～250 km·h-1之間，且受運行方向、環(huán)境風速等條件的影響，用于分析氣動載荷隨車速變化的數(shù)據(jù)較少。根據(jù)文獻［20］，不同風速條件下，傾覆力矩隨車速的變化規(guī)律不同：風速越高，車速對列車氣動載荷的影響越小。因此，分析車速對列車氣動載荷的影響時，需要保證風速條件基本相同。選取無擋風墻和4 m 高擋風墻條件下的結果進行分析，其中選取的無擋風墻地段數(shù)據(jù)對應的風速為20±2 m·s-1，選取的4 m 高擋風墻地段數(shù)據(jù)對應的風速為25±2.5 m·s-1；得到傾覆力矩隨車速的變化曲線如圖5 所示。從圖5 可以看出：無擋風墻地段，傾覆力矩約與車速的0.60 次方成正比；有擋風墻地段，傾覆力矩約與車速的0.46 次方成正比。

圖5 不同風速下傾覆力矩隨車速變化結果

2.3 車輛編組位置的影響

頭尾車的最大正、負傾覆力矩測試結果如圖6所示。圖中：試驗工況序號為奇數(shù)時表示列車上行（烏魯木齊至哈密），為偶數(shù)時表示列車下行（哈密至烏魯木齊）。從圖6可以看出：傾覆力矩為正時，大部分試驗工況下頭車大于尾車；傾覆力矩為負時，列車上行方向運行時尾車大于頭車。從傾覆力矩的總體變化趨勢看，頭車大于尾車。從頭尾車全程氣動載荷試驗也可以看出：橫向力、傾覆力矩均是頭車大于尾車；升力在峰值上也是頭車大于尾車，但平均升力尾車較頭車大，且頭尾車的升力均為正值［20］，正升力會減小輪軌接觸力，不利于列車運行安全。

圖6 列車頭尾車傾覆力矩測試結果對比

2.4 擋風墻類型的影響

選取防風明洞、板式擋風墻、橋式擋風墻、路塹及其過渡段等地段，分析典型地段氣動傾覆力矩變化規(guī)律。K3 005—K3 015 地段氣動傾覆力矩測試曲線如圖7 所示。從圖7 可以看出：防風明洞（K3009+767—K3010+857）和橋式擋風墻（K3 012+200—600）的防風效果都非常好，傾覆力矩接近0；柱板式擋風墻（K3 011+500—K3 012+100）后氣動傾覆力矩為負值，說明防風能力過度，但負的傾覆力矩較小，滿足運行安全需要。全程測試過程發(fā)現(xiàn)，氣動載荷突變或氣動載荷過大的地段主要集中在采用不同防風設施的過渡地段。

圖7 典型地段列車氣動傾覆力矩典型測試曲線

頭車和尾車氣動傾覆力矩測試結果最大值出現(xiàn)位置的統(tǒng)計見表2。由表2 可知：最大正傾覆力矩出現(xiàn)次數(shù)最多的是過渡段，其次是路塹和板式擋風墻；最大負傾覆力矩出現(xiàn)次數(shù)最多的是板式擋風墻，其次是路塹，過渡段沒有出現(xiàn)。板式擋風墻和路塹同時出現(xiàn)最大正或負傾覆力矩，主要是因為地形的影響，一般地段4 m 高的擋風墻均處于防風能力過渡地段，但如果迎風側存在山包或堆積砂石的情況，其防風能力會大大下降；路塹的防風能力主要跟路塹的深度有關。

表2 傾覆力矩大值點出現(xiàn)位置統(tǒng)計表

為分析典型過渡段氣動載荷的突變情況，選取動車組1車作為頭車運行的某趟在K3 002—K3 004里程的氣動傾覆力矩測試結果如圖8 所示。從圖8可以看出：幾個氣動載荷突變點分別出現(xiàn)在路塹與板式擋風墻過渡（K3 002+240—420）、板式擋風墻（K3 002+680—820）、路塹與板式擋風墻過渡（K3 002+900—K3 003+060）、路塹與板式擋風墻過渡（K3 003+200—340）、深路塹（K3 003+500—900）等典型過渡地段和受地形影響的擋風墻及路塹地段，防風能力比較薄弱的地段（圖中正傾覆力矩較大的地段）主要出現(xiàn)在過渡地段。

圖8 K3 002—K3 004里程氣動傾覆力矩突變地段

2.5 運行線別及方向的影響

1）運行線別

分析運行線別對列車氣動傾覆力矩的影響，首先要保證列車運行方向相同且測試車輛在列車編組中的位置、車速相同，試驗時下行線多被運營動車組占用，所以試驗列車基本在上行線運行，很難采集相同工況下的多趟試驗數(shù)據(jù)、采用統(tǒng)計的方法分析，因此，這里選用試驗列車的工況4 和工況8 全程數(shù)據(jù)進行分析，分別對應動車組上行線（靠近擋風墻）下行和下行線（遠離擋風墻）下行。作為頭車的1車在不同線別上運行（下行方向運行）時的氣動傾覆力矩測試結果如圖9 所示。從圖9 可以看出：上行線的氣動力矩整體上比下行線運行時小，即靠近擋風墻的線路防風效果更好。

圖9 動車組頭車在不同線路上運行時傾覆力矩測試結果比較

2）運行方向

大風環(huán)境下的列車氣動傾覆力矩與車速、風速的合成速度有關，在相同的車速、風速、風向條件下，若環(huán)境風速與線路不垂直，對于不同的列車運行方向，車速與風速的合成速度則不同。車速與風速合成速度示意圖如圖10所示。圖中：-vt為空氣相對列車的速度。從圖10可以看出：當風速垂直線路偏向線路上行方向時（即大風監(jiān)測點中的270°～360°風向角），列車上行方向運行時車速與環(huán)境風速的合成速度v1小于列車下行方向運行時車速與環(huán)境風速的合成速度v2；當風速垂直線路偏向線路下行方向時（即大風監(jiān)測點中的0～90°風向角），列車上行方向運行時車速與環(huán)境風速的合成速度v3大于列車下行方向運行時車速與環(huán)境風速的合成速度v4；即列車逆風方向運行時，車速與環(huán)境風速的合成速度更大，列車受到的氣動載荷也就更大。

由于用某個地點的數(shù)值對比分析時受環(huán)境風速的影響差異較大，這里選取測試車輛均位于前進方向的頭車、試驗車速均為180 km·h-1、不同運行方向的2 趟試驗全程數(shù)據(jù)進行比較，分析運行方向對列車氣動傾覆力矩的影響，2 趟全程數(shù)據(jù)比較如圖11 所示。從圖11 可以看出：下行方向運行時的氣動傾覆力矩比上行方向運行時大，說明環(huán)境風速與車速的合成速度下行比上行大，對應圖10（b）的情況，也就是現(xiàn)場環(huán)境風偏向上行方向即風向角為270°～360°的環(huán)境風占主導。

圖10 車速與風速合成速度示意圖

圖11 列車不同運行方向傾覆力矩結果比較

3 結論

（1）隨著環(huán)境風速的增加，氣動傾覆力矩增加，在車速為0且風向角不變的情況下，列車氣動傾覆力矩與環(huán)境風速的平方關系仍然成立；車速不為0時，環(huán)境風速改變后，風速與車速的合成速度和側滑角均發(fā)生變化，所以，不同車速下列車氣動傾覆力矩與環(huán)境風的關系有所不同，車速在120→250 km·h-1變化時，列車氣動傾覆力矩與環(huán)境風速的1.6→1.2 次方成正比，且隨著車速的增加，與環(huán)境風速擬合的冪次越小。

（2）風速條件不同，列車氣動傾覆力矩隨車速的變化規(guī)律不同，風速越高，車速對傾覆力矩的影響越小。風速在20→25 m·s-1變化時，列車氣動傾覆力矩與車速的0.60→0.46 次方成正比，且隨著環(huán)境風速的增加，與車速擬合的冪次越小。

（3）在環(huán)境風速和車速等參數(shù)相同的條件下，處于列車前進方向的頭車受到的氣動載荷大于尾車。

（4）在環(huán)境風方向有一定偏角的情況下，列車逆風方向運行時的氣動力比順風方向大，蘭新高鐵試驗中列車下行方向運行測試結果總體比上行方向運行大，說明列車下行方向運行是逆風情況，可見，蘭新高鐵現(xiàn)場垂直線路偏向上行方向（即270°～360°風向角）的環(huán)境風較多。