劉帥,梁樹林,王歡聲,池茂儒

(西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610031)

0 引言

近年來(lái),隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步,我國(guó)的高鐵建設(shè)取得了舉世矚目的成就,不斷創(chuàng)造奇跡和驚喜是中國(guó)高鐵給人們留下的最深刻印象。截至2019年底,中國(guó)高鐵不僅在運(yùn)行速度上以350km/h領(lǐng)先于世界各國(guó),而且在運(yùn)行規(guī)模上也以3.5萬(wàn)公里的營(yíng)業(yè)里程穩(wěn)居世界第一[1]。

當(dāng)列車以正常車速行駛于鐵道線路上時(shí),會(huì)不可避免地受到各種風(fēng)載的作用,比如橫風(fēng)、隧道風(fēng)以及列車交會(huì)運(yùn)行時(shí)的風(fēng)載。隨著動(dòng)車組行駛速度的增加,相關(guān)的空氣動(dòng)力學(xué)問題也會(huì)變得愈加突出[2-3],導(dǎo)致列車在通過(guò)這些區(qū)段或受到這些風(fēng)載的作用時(shí),列車的動(dòng)力學(xué)性能會(huì)受到明顯影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)側(cè)風(fēng)效應(yīng)和列車交會(huì)問題已經(jīng)開展了諸多數(shù)值模擬研究[4-6]。當(dāng)列車進(jìn)入隧道時(shí),隧道與列車對(duì)空氣的擠壓作用引發(fā)的壓力波會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)交變壓力的產(chǎn)生,一方面會(huì)嚴(yán)重影響乘客舒適性,另一方面也會(huì)對(duì)隧道內(nèi)襯砌與車體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度提出了一定的挑戰(zhàn)[7-8]。當(dāng)列車在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí),該問題會(huì)更加嚴(yán)重[9-10]。動(dòng)車組高速交會(huì)時(shí),交會(huì)側(cè)的空氣壓力發(fā)生突變,產(chǎn)生瞬態(tài)壓力沖擊,會(huì)對(duì)車體鋼結(jié)構(gòu)、側(cè)窗和車體橫向穩(wěn)定性帶來(lái)不利影響。交會(huì)過(guò)程中若遭遇較大的橫風(fēng),可使交會(huì)壓力波幅值增加,列車將承受更大的橫向沖擊載荷[11-12]。我國(guó)地形及氣象條件比較復(fù)雜,不少行車區(qū)段已處于強(qiáng)風(fēng)區(qū),而隨著高速鐵路的不斷發(fā)展,強(qiáng)風(fēng)區(qū)內(nèi)動(dòng)車組交會(huì)不可避免[13-14]。因此,研究動(dòng)車組在各種特殊風(fēng)載下的氣動(dòng)效應(yīng)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

本文基于時(shí)速400km中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)車組的動(dòng)力學(xué)參數(shù),利用SIMPACK軟件建立動(dòng)力學(xué)模型,模擬了列車在無(wú)風(fēng)、橫風(fēng)激擾、列車交會(huì)以及通過(guò)隧道等狀態(tài)下的運(yùn)行平穩(wěn)性,以便支撐動(dòng)車組的設(shè)計(jì)工作。

1 動(dòng)力學(xué)模型的建立

采用計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真分析是車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)最重要的研究手段之一,也是最常用的動(dòng)力學(xué)分析方法。為研究列車中車輛的動(dòng)力學(xué)性能等動(dòng)力學(xué)問題,需要建立相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)分析模型。動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真的核心問題是,根據(jù)分析問題的需求,從實(shí)際物理模型抽象出有針對(duì)性的、可靠的數(shù)學(xué)模型和多體動(dòng)力學(xué)模型,然后采用合理的數(shù)值方法對(duì)所分析的問題進(jìn)行研究。歸根到底就是仿真模型要有針對(duì)性,要準(zhǔn)確可靠,數(shù)值方法要盡量減小誤差。動(dòng)力學(xué)仿真涉及機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)、多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、數(shù)值計(jì)算方法、數(shù)據(jù)處理方法等多個(gè)方面[15]。

時(shí)速400km中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)車組的車輪踏面外形采用LMA踏面,鋼軌采用CHN60鋼軌,輪對(duì)內(nèi)側(cè)距1 353mm,軌道不平順采用實(shí)測(cè)軌道譜。時(shí)速400km中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)模型由3節(jié)車組成,每節(jié)車由1個(gè)車體、2個(gè)構(gòu)架、4個(gè)輪對(duì)和8個(gè)轉(zhuǎn)臂組成,利用SIMPACK軟件建立時(shí)速400km中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)車組的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 時(shí)速400 km中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)車組的動(dòng)力學(xué)模型

對(duì)于時(shí)速400km中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的運(yùn)行平穩(wěn)性計(jì)算,采用武廣50軌道譜,軌道具有4個(gè)方向的隨機(jī)不平順。在進(jìn)行運(yùn)行平穩(wěn)性計(jì)算時(shí),認(rèn)為軌道的隨機(jī)輸入是各態(tài)歷經(jīng)的,因此可以用一段有限長(zhǎng)的時(shí)間歷程曲線來(lái)模擬車輛在實(shí)際線路上的運(yùn)行情況。為了較為完全地反映車輛系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)響應(yīng),計(jì)算時(shí)先讓車輛在一段無(wú)激擾直線軌道上運(yùn)行,然后在一段足夠長(zhǎng)的不平順軌道上運(yùn)行。

評(píng)價(jià)車輛運(yùn)行品質(zhì)的主要指標(biāo)包括車輛運(yùn)行橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度等,因此本文主要基于所建立的時(shí)速400km中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的動(dòng)力學(xué)模型,仿真計(jì)算列車在無(wú)風(fēng)、橫風(fēng)激擾、列車交會(huì)以及通過(guò)隧道等狀態(tài)下的運(yùn)行品質(zhì),以便支撐動(dòng)車組設(shè)計(jì)工作。

2 無(wú)風(fēng)工況下的車輛運(yùn)行品質(zhì)分析

當(dāng)列車在無(wú)風(fēng)工況下運(yùn)行時(shí),列車運(yùn)行的橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度分別如圖2—圖4所示。

圖2 橫向平穩(wěn)性(無(wú)風(fēng)工況)

圖3 垂向平穩(wěn)性(無(wú)風(fēng)工況)

圖4 乘坐舒適度(無(wú)風(fēng)工況)

由圖2—圖4分析可知在無(wú)風(fēng)狀態(tài)下:1)車速對(duì)列車橫向平穩(wěn)性的影響較大,對(duì)列車垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度的影響較小;2)在新輪和磨耗輪兩種狀態(tài)下,隨著車速的增大,頭車、中間車和尾車的橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度都在增大;3)同一車速等級(jí)下,在新輪狀態(tài)下,列車頭車的橫向平穩(wěn)性最大,中間車次之,尾車最小,3節(jié)車在設(shè)定的各個(gè)速度等級(jí)下均滿足橫向平穩(wěn)性的限值要求。在磨耗輪狀態(tài)下,列車中間車的橫向平穩(wěn)性最大,且當(dāng)車速大于400km/h時(shí),中間車的橫向平穩(wěn)性超過(guò)限值要求。

3 有風(fēng)工況下的車輛運(yùn)行品質(zhì)分析

3.1 “中國(guó)帽”橫風(fēng)

當(dāng)列車在橫風(fēng)的作用下運(yùn)行時(shí),列車運(yùn)行的橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度分別如圖5—圖7所示。

圖5 橫向平穩(wěn)性(橫風(fēng))

圖6 垂向平穩(wěn)性(橫風(fēng))

圖7 乘坐舒適度(橫風(fēng))

由圖5—圖7可知在橫風(fēng)激擾下:1)車速對(duì)列車橫向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度的影響較大,對(duì)列車垂向平穩(wěn)性的影響相對(duì)較小;2)在新輪和磨耗輪兩種狀態(tài)下,隨著車速的增大,頭車、中間車和尾車的橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度都在增大;3)當(dāng)列車以同一車速運(yùn)行時(shí),均是列車頭車的橫向平穩(wěn)性最大,中間車次之,尾車最小,且在磨耗輪狀態(tài)下,當(dāng)車速大于400km/h時(shí),中間車的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)略微超過(guò)限值要求。建議限定車輛運(yùn)行速度在400km/h以下來(lái)保證車輛具有較優(yōu)的運(yùn)行平穩(wěn)性。

3.2 列車交會(huì)運(yùn)行

當(dāng)兩列車交會(huì)運(yùn)行時(shí),列車運(yùn)行的平穩(wěn)性以及乘坐舒適度分別如圖8—圖10所示。

圖8 橫向平穩(wěn)性(交會(huì)運(yùn)行)

圖9 垂向平穩(wěn)性(交會(huì)運(yùn)行)

圖10 乘坐舒適度(交會(huì)運(yùn)行)

由圖8—圖10分析可知當(dāng)兩列車交會(huì)運(yùn)行時(shí):1)車速對(duì)列車橫向平穩(wěn)性的影響較大,對(duì)列車垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度的影響相對(duì)較小;2)同一車速等級(jí)下,在新輪狀態(tài)下,列車頭車的橫向平穩(wěn)性最大,中間車次之,尾車最小,3節(jié)車在設(shè)定的各個(gè)速度等級(jí)下均滿足橫向平穩(wěn)性的限值要求;在磨耗輪狀態(tài)下,列車中間車的橫向平穩(wěn)性最大,且當(dāng)車速大于400km/h時(shí),中間車的橫向平穩(wěn)性超過(guò)限值要求。建議當(dāng)兩列車在交會(huì)運(yùn)行時(shí),限定車輛運(yùn)行速度在400km/h以下來(lái)保證車輛具有較優(yōu)的運(yùn)行平穩(wěn)性。

3.3 隧道內(nèi)運(yùn)行

當(dāng)列車在隧道中運(yùn)行時(shí),列車運(yùn)行的橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度分別如圖11—圖13所示。

圖11 橫向平穩(wěn)性(隧道內(nèi)運(yùn)行)

圖12 垂向平穩(wěn)性(隧道內(nèi)運(yùn)行)

圖13 乘坐舒適度(隧道內(nèi)運(yùn)行)

由圖11—圖13分析可知當(dāng)列車在隧道中運(yùn)行時(shí):1)車速對(duì)列車橫向平穩(wěn)性的影響較大,對(duì)列車垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度的影響相對(duì)較小;2)在新輪和磨耗輪兩種狀態(tài)下,隨著車速的增大,頭車、中間車和尾車的橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度都在增大;3)同一車速等級(jí)下,在新輪狀態(tài)下,列車頭車的橫向平穩(wěn)性最大,中間車次之,尾車最小,3節(jié)車在設(shè)定的各個(gè)速度等級(jí)下均滿足橫向平穩(wěn)性的限值要求;在磨耗輪狀態(tài)下,列車中間車的橫向平穩(wěn)性最大,且當(dāng)車速大于400km/h時(shí),中間車的橫向平穩(wěn)性超過(guò)限值要求。建議當(dāng)列車在隧道中運(yùn)行時(shí),限定車輛運(yùn)行速度在400km/h以下來(lái)保證車輛具有較優(yōu)的運(yùn)行平穩(wěn)性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要基于所建立的時(shí)速400km中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的動(dòng)力學(xué)模型,仿真計(jì)算列車在無(wú)風(fēng)、橫風(fēng)激擾、列車交會(huì)以及通過(guò)隧道等狀態(tài)下的車輛運(yùn)行品質(zhì),所得結(jié)論具體如下。

1)在無(wú)風(fēng)、兩列車交會(huì)運(yùn)行以及通過(guò)隧道的狀態(tài)下,車速對(duì)列車橫向平穩(wěn)性的影響較大,對(duì)列車垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度的影響較小;在橫風(fēng)激擾的狀態(tài)下,車速對(duì)列車橫向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度的影響較大,對(duì)列車垂向平穩(wěn)性的影響相對(duì)較小。

2)在無(wú)風(fēng)、橫風(fēng)激擾以及通過(guò)隧道的狀態(tài)下,在新輪和磨耗輪兩種狀態(tài)下,隨著車速的增大,頭車、中間車和尾車的橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度都在增大。

3)在無(wú)風(fēng)、列車交會(huì)運(yùn)行以及通過(guò)隧道的狀態(tài)下,同一車速等級(jí)下,在新輪狀態(tài)下,列車頭車的橫向平穩(wěn)性最大,中間車次之,尾車最小,3節(jié)車在設(shè)定的各個(gè)速度等級(jí)下均滿足橫向平穩(wěn)性的限值要求。在磨耗輪狀態(tài)下,列車中間車的橫向平穩(wěn)性最大,且當(dāng)車速大于400km/h時(shí),中間車的橫向平穩(wěn)性超過(guò)限值要求。

4)當(dāng)列車在橫風(fēng)激擾下運(yùn)行時(shí),在新輪和磨耗輪兩種狀態(tài)下,當(dāng)列車以同一車速運(yùn)行時(shí),均是列車頭車的橫向平穩(wěn)性最大,中間車次之,尾車最小,且在磨耗輪狀態(tài)下,當(dāng)車速大于400km/h時(shí),中間車的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)略微超過(guò)限值要求。建議當(dāng)列車在橫風(fēng)激擾下行駛時(shí),限定車輛運(yùn)行速度在400km/h以下來(lái)保證車輛具有較優(yōu)的運(yùn)行平穩(wěn)性。