横风对高速动车组直线运行动力学性能的影响.pdf

收稿日期:2008-12-25基金项目:国家“973”重点基础基金资助项目(2007CB714700);国家自然科学基金资助项目(50775191);国家重点实验室自主研究课题资助项目(2008TPL-T03);西南交通大学青年教师科研起步基金资助项目(2008Q060).作者简介:马卫华(1979),山东滕州人,博士,讲师,主要从事机车稳定性研究.横风对高速动车组直线运行动力学性能的影响马卫华1,罗世辉1,宋荣荣2(1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室,成都 610031;2.西南民族大学 计算机科学与技术学院,成都 610041)摘要:通过建立高速动车组动力学仿真模型,分析了高速动车组在所受气动升力、侧力和倾覆力矩作用下的运行安全性.以某350 km/h动车组为原型,采用动拖动的编组方式,建立了列车动力学模型.动车转向架采用转臂式轴箱定位结构,二系悬挂由空气弹簧与横向减振器、抗蛇行减振器组成.研究常速横风及阵风对动车组各车的影响.仿真结果表明:横向风对脱轨系数、轮重减载率及轮轨横向力均有很大的影响,尤其是轮重减载率,在所计算的工况下,几乎所有的轮重减载率均超出了标准要求,因此在横向阵风的作用下,动车必须限速运行,否则会有脱轨的危险;另外,阵风对动车组的影响要大于常值侧风,并且横风对头车的影响比其他车辆要大很多.关 键 词:横风;动车组;动力学;轮轨;脱轨中图分类号:U260 文献标识码:A文章编号:1671-0924(2009)03-0001-05Influence of Cross2wind on Dynamic Performance ofHigh2speed EMU on Straight TrackMA Wei2hua1,LUO Shi2hui1,SONG Rong2rong2(1.Traction Power State Key Laboratory,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;2.College of Computer Science and Technology,Southwest University for Nationalities,Chengdu 610041,China)Abstract:By building dynamic simulation model for high2speed EMU,this paper analyzes the runningsafety of EMU under the effect of aerodynamic side force,lift force and rolling moment.Takingone kind of350km/h EMU as a prototype,a train dynamic model is built with the motor2trailer2motor arrangement.The tumbler journal box is adopted in the bogie of the vehicle and the secondary suspension system consistsof air spring,lateral damper and the longitudinal damper.The influence of the mild wind(15 m/s)andthe gust crosswind(25 m/s)on the EMU is researched.Simulation results show that the crosswind has abig influence not only on the wheel set lateral force,derailment coefficient but also on the wheel load de2crease rate.Nearly all of the wheel load reduction rates exceed the criteria.The running speed of the EMU第23卷 第3期Vol.23No.3重 庆 工 学 院 学 报(自然科学)Journal of Chongqing Institute of Technology(Natural Science)2009年3月Mar.2009must decrease to avoid the derailment from the view point of wheel load reduction rate.The gust crosswindhas a bigger influence than the mild wind on the EMU and the front vehicle is more influenced by thecrosswind than the other vehicles.Key words:cross2wind;EMU;dynamics;wheel/rail;derailment 随着列车运行速度的提高,列车的空气动力学问题越来越突出,尤其是高速列车的噪音和在强横风作用下的稳定性问题非常严重.我国正在大力发展高速铁路,其中相当大一部分线路分布在大风频繁的沿海地区,比如京沪高铁沿线的许多地区均可能发生风速大于30 m/s的强风,对高速铁路的运行安全形成威胁1.由于横风对高速车辆运行安全性的重要影响,国内外众多的研究者通过实车试验、模型试验及数值仿真的方法对车辆运行安全性进行了针对性的研究.研究表明:当高速列车的运行速度达到300 km/h,甚至350km/h时,列车受到的气动力、力矩的作用非常强烈,尤其是当车体的质量较轻时,列车的运行稳定性将主要受气动作用的影响2.文献3中为了测量轨道车辆局部的气动载荷,提出了一种基于面压力的新的测量方法,得到了车体的气动载荷.文献4中研究了考虑不同轨道设置的车体的气动力和气动载荷,并得出垂直于车体的侧风对车体的侧翻影响最大的结论.邓永权等采用动力学仿真的方法研究了横风作用时间对200 km/h客车直线运 行 的 安 全 性 的 影 响5.王 永 冠 研 究 了270 km/h高速动车的曲线通过性能,分析了阵风和常值侧风对动车曲线安全性的影响,并提出了各工况下的限制速度6.本文中结合国内外对高速车辆气动性能的研究,建立了3节车的高速动车组模型,通过动力学仿真,研究了动车组在横风作用下的运行安全性,并对比了横风对头车、中车和尾车的不同影响.1 横风对车辆的作用 横风对车辆的作用会引起车体质量在两条钢轨之间的转移,严重时会引起车辆的脱轨甚至倾覆.对横风的研究主要考虑横向力、升力及倾覆力矩对车辆的影响,图1为高速车辆上作用的风力示意图.图1 车辆气动特性 图1中,U为风速相对于车辆的速度;A(hl)为车辆的侧面积;h(m)为车高;l(m)为车长;v为车速;WC为风速;为相对风速与车辆前进方向之间的夹角,=arctan(WC/v).基于准静态理论,侧向力、升力和倾覆力矩可以表示为7FS=0.5CSU2A;FL=0.5CLU2A;MR=0.5CRMU2Ah式中:为空气密度(1.226 kg/m3);CS为侧向力系数;CL为升力系数;CRM为倾覆力矩系数.2 动车组受到的横风作用力 本文中采用动力学仿真的方法研究横风作用产生的侧向力、升力和倾覆力矩对动车组各车的影响.在横风作用下,动车车体将受到气动升力、侧力和侧翻力矩的作用.试验研究表明:当侧滑角(横风速度与动车运行速度的合成矢量与动车前进方向的夹角)满足=16 37 时,头车Cy大于尾车Cy,头车Cz大于拖车Cz大于尾车Cz,且相应的头车、尾车、拖车的升力系数Cz和侧力系数Cy近似成线性关系增加;当侧滑角小于45 时,侧翻力矩系数也基本成线性增加7.根据电动车组气动特性的试验研究结果,可以推导出三车联挂时各车在不同运行速度下的气动升力、侧力和侧翻力矩,表1给出了部分速度时的结果.显然,头车、尾车、中车受到的各向力和力矩不同.2重 庆 工 学 院 学 报表1 各车受到的侧力、升力和侧翻力矩U/(ms-1)1515151525252525Vx/(kmh-1)200250300350200250300350/()15.1112.1910.28.7724.2319.816.714.42头车侧力/kN18.2618.7416.8315.8540.5346.1049.6049.52升力/kN27.1231.0136.8042.2759.9960.6869.4475.93侧翻力矩/kNm78.388.0101.2112.4177.1183.1201.0223.7拖车侧力/kN16.7119.6323.3625.4332.7737.7943.3747.67升力/kN12.7113.8013.1912.7239.0134.3637.0035.49侧翻力矩/kNm45.648.448.754.1114.9111.0116.4124.8尾车侧力/kN13.3818.7423.8829.0619.8625.8832.6539.62升力/kN3.983.453.923.1715.2011.9011.1610.45侧翻力矩/kNm20.6121.9925.2928.1153.9151.9953.4058.55 由表1可看出:当角较大时,头部动车的气动力和力矩几乎都大于相应的尾部动车的气动力和力矩;在横风风速不变的条件下,除横风风速较小时尾部动车的气动侧力外,头部动车、拖车和尾部动车的其他气动力和力矩都随列车速度的增加而增大.3 仿真模型 高速动车组采用动 拖 动的编组方式,其中动车和拖车除了驱动系统之外,结构基本一致.动车转向架采用B0轴式,每节动车由2台完全相同的转向架组成.转向架采用无摇枕H形构架;为了减少簧下质量,采用了小轮径车轮和空心车轴;轴箱采用转臂式定位,轴箱弹簧采用双圈圆钢簧;二系采用抗蛇行减振器、横向减振器和空气弹簧,构架设附加气室;采用单拉杆式牵引装置传递纵向力8.充分考虑上述结构特点后建立了动力学仿真模型,如图2所示.轮轨接触采用LMA型踏面与Rail60钢轨的匹配.动力学仿真过程中采用德国高速低干扰轨道谱作为不平顺输入.以3节车编组的动车组为研究对象,研究横风作用下头车、中车和尾车的不同动力学反应,分析横风对各车的不同影响.对横风的考虑有2种,一种是风速为15 m/s的常值侧风,另一种是风速为25 m/s的阵风,阵风的作用时间为2 s.动力学计算中,在常值侧风工况下,动车车体始终受到风速为15 m/s的风力作用;在阵风工况下,车体所受的风速为25 m/s的风力,作用时间为2 s,其中前0.5 s风力从无风达到阵风风力,接下来的1 s车体持续受阵风作用,最后0.5 s阵风逐渐消失.图2 列车动力学模型4 仿真分析 由于高速动车组在正线上的曲线半径比较大,通常大于4 500 m,因此,只给出直线情况,不再单独考虑动车组的曲线通过性能.以各节车在横风作用下的轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率和车体侧滚角为例进行分析,计算时间为20 s,阵风作用工况下,阵风从第9 s施加,至第11 s时结束.当仿真速度为200 km/h时,受到15 m/s的常值侧风和25 m/s阵风作用时得到的情况如下:给出了轮轴横向力和脱轨系数的时间历程;给出了各车所有轮对中,轮轨横向力和脱轨系数中最大的一个,其中F,M,R分别表示头车、中车和尾车;对计算结果进行了2 m滤波.3马卫华,等:横风对高速动车组直线运行动力学性能的影响由于高速动车组轴重11.5 t,所以,轮轴横向力Q0.8510+1/3(11.59.8)=40.46 kN.脱轨系数和轮重减载率的标准分别为Q/P0.8和P/P0.65.图3 常值侧风时的轮轴横向力和脱轨系数图4 阵风时的轮轴横向力和脱轨系数 从图3可以看出,在常值侧风作用下,轮轴横向力向背风侧发生了偏转.在200 km/h的速度下,同时受到15 m/s的常值侧风作用时,轮轴横向力的最大值约为23 kN,脱轨系数的最大值为0.27,均发生在头车上,头车的轮轴横向力、脱轨系数值远大于中车、尾车的轮轴横向力和脱轨系数.25m/s阵风作用下动车组的仿真结果如图4所示.从中可以看到,在阵风作用的时刻,轮轴横向力和脱轨系数迅速增大,轮轴横向力的瞬态最大值可达60 kN,超出了轮轴横向力的限制值;而脱轨系数的最大值约为0.55.受到阵风作用时,头车和中车的轮轴横向力和脱轨系数比尾车的轮轴横向力和脱轨系数大很多.为了系统地比较不同速度时横风作用对动车组的影响,计算了从150 km/h到350 km/h速度时,动车组分别受到15 m/s的常值侧风和25 m/s的阵风作用时的轮轴横向力、脱轨系数和轮重减载率.分别给出了轮轴横向力的3统计值和脱轨系数、轮重减载率的最大值,各指标均选择同一节车的最大值,得到的结果分别见图5图7.图5 常值侧风和阵风对轮轴横向力的影响 从图5中可以看到,随着动车组运行速度的提高,各车的轮轴横向力不断增大,在15 m/s的常值侧风作用下,即使在350 km/h的速度时,动车组的轮轴横向力依然没有超出标准的限制值.而在25 m/s的阵风作用下,由于风速的大幅增大,当速4重 庆 工 学 院 学 报度达到300 km/h时,头车轮轴横向力的统计值就超出了标准的限制.图6 常值侧风和阵风对脱轨系数的影响图7 常值侧风和阵风对轮重减载率的影响 常值侧风和阵风对动车组的影响见图6,从中可以看到,在所有的计算工况下,动车组各车脱轨系数的最大值均满足合格的标准.横风对动车组各轮对轮重减载率的影响如图7所示.从中可以看到横风对轮重减载率的影响非常大,在所有的计算工况中,只有150 km/h速度时动车组的轮重减载率基本满足合格的要求,在其余各工况下,无论是风速为15 m/s的常值侧风还是风速为25 m/s的阵风作用下,动车组的轮重减载率均超出了标准的要求,因此,从这个角度出发,就要求在横风的作用下,动车组必须限速运行,否则会有减载脱轨的危险.5 结束语 通过动力学仿真及对试验数据的综合分析,发现横风对动车组头车、中车和尾车的影响程度不同.一般来说,横风作用对头车的影响最大,中车次之,对尾车的影响略小.在容易受横风作用影响的各指标中,轮重减载率对横风及动车组运行速度的变化最敏感.当受到横风作用时,为了保证动车组的安全性,必须限速运行或停运.常值侧风和阵风对动车组的影响有很大不同,从仿真结果也可以看出,在常值侧风作用下,动车组始终受到侧力、升力和侧翻力矩的作用,其各指标值的变化比较均匀,而阵风的作用会导致动车组在受到阵风作用的时刻,引起动车组各性能指标的瞬间增大,对动车组运行安全性的影响更大.参考文献:1 刘庆宽,杜彦良.日本列车横风和强风对策研究J.铁道学报,2008,30(1):82-88.2Xu YL,Ding Q S.Interaction of railway vehicles with trackin cross2windsJ.Journal of Fluids and 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