大風(fēng)工況動車組運行速度限值研究

許自強， 何德華, 于衛(wèi)東

(中國鐵道科學(xué)研究院　機車車輛研究所, 北京 100081)

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大風(fēng)工況動車組運行速度限值研究

許自強， 何德華, 于衛(wèi)東

(中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所, 北京 100081)

對于高速動車組，在風(fēng)區(qū)會設(shè)置擋風(fēng)墻以保證大風(fēng)環(huán)境下的列車運行安全、提高列車運行速度。通過對高速動車組氣動特性以及軌道動力學(xué)特性的綜合分析可以得出列車安全運行極限速度。本文主要針對蘭新客運專線采用的CRH2C型動車組展開研究，采用模擬仿真的方法，分析車輛運行速度、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，動車組最高運行速度為160 km/h；當(dāng)風(fēng)速小于20 m/s，動車組最高運行速度250 km/h。通過仿真分析，得到了蘭新客運專線CRH2C型動車組大風(fēng)風(fēng)速與列車最高安全運行速度之間的關(guān)系，為蘭新客運專線高速動車組運行大風(fēng)工況運行限速提供理論依據(jù)。

蘭新客運專線； 動車組； 大風(fēng)； 輪軌動力學(xué)； 運行速度限值

環(huán)境風(fēng)對高速動車組的運行平穩(wěn)性、安全性影響很大，過大的風(fēng)速不但影響乘客的舒適度甚至?xí){運行安全。為了保證高速動車組的運行安全，司機必須根據(jù)風(fēng)速的大小對動車組的運行速度進行及時調(diào)整[1-2]。

針對大風(fēng)條件下，高速列車的空氣動力學(xué)、動力學(xué)問題，國內(nèi)外科研人員開展了大量的研究工作。一些科研人員通過對橫風(fēng)效應(yīng)所引起的安全性問題進行了分析，把計算流體力學(xué)和動力學(xué)仿真結(jié)合起來對高速列車的安全速度進行了研究[3-8]，研究將列車的幾何外形進行了過度簡化，并將橫風(fēng)風(fēng)場取為均勻風(fēng)，但是由于過度簡化，導(dǎo)致了分析環(huán)境與實際運行狀態(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力學(xué)模型中研究車輛的運行性能[9-12]，由于輸入的風(fēng)載與實際風(fēng)載不同，分析得到的結(jié)果與實際情況有誤差。

以我國CRH2C型高速動車組為研究對象，分析該型高速動車組在平原高路堤、橋梁上兩種環(huán)境下運行的列車性能。首先，根據(jù)改型動車組真實外形進行詳細(xì)建模，采用STAR-CCM+軟件對高速列車以不同行駛速度在不同風(fēng)速橫風(fēng)中運行時的氣動特性進行仿真分析。其次，將計算的六向風(fēng)載以時間函數(shù)的形式輸入SIMPACK軟件進行動力學(xué)仿真分析。最后通過分析結(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型高速動車組的最大安全運行速度限值與橫風(fēng)風(fēng)速之間的關(guān)系，為動車組實際運行限速提供依據(jù)。

1　橫風(fēng)作用下高速列車的空氣動力學(xué)分析

通過模型試驗，確定了數(shù)值模擬方法的適用性，對CRH2C型高速動車組在平原上運行的橫風(fēng)效應(yīng)進行分析。

1.1計算模型

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，考慮真實的轉(zhuǎn)向架、受電弓和風(fēng)擋等結(jié)構(gòu)。

主要計算工況和條件是：

(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個組合工況進行氣動荷載模擬計算；

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

1.2計算域及網(wǎng)格劃分

流場計算模型參照文獻(xiàn)[8]，計算域的長度為420 m、寬度為420 m、高度為100 m。列車頭部鼻尖處到計算域前端邊界距離取120 m，尾部距計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變化較大區(qū)域的網(wǎng)格。整個計算區(qū)域的網(wǎng)格總數(shù)約為3 100萬個，動車組附近網(wǎng)格如圖1所示。

圖1　動車組附近網(wǎng)格劃分

1.3氣動作用力計算

將列車各個壁面上每個單元受的壓力值進行面積積分，即可得到該面受到的氣動力值，將這些力向某一點簡化，即可得到相應(yīng)的氣動力矩值[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)相對獨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力矩實際上是分析車輛的氣動力矩[13]。車輛空氣力矩是由空氣阻力、升力、橫向力共同作用，繞三個坐標(biāo)方向產(chǎn)生的力矩，包括側(cè)滾力矩(繞x軸)、點頭力矩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；lij是方向的空氣力到力矩原點在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距離方向的下標(biāo)，如lxy即為x方向的空氣力到力矩原點沿y方向的距離。

1.4高速列車的氣動荷載

經(jīng)過仿真計算發(fā)現(xiàn)，橫風(fēng)通過路堤時風(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算結(jié)果。

表1　車速250 km/h時，部分橫風(fēng)載荷的瞬時最大值

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

2　橫風(fēng)作用下高速列車的動力學(xué)仿真

2.1動力學(xué)仿真模型

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

在實際運行中，動車組車間設(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)連掛的動車組模型。在模型中，相鄰動車車輛間考慮了對稱布置的橫向、垂向減振器，其作用主要是降低動車的搖頭力矩。動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動力學(xué)仿真結(jié)果

圖3～圖6為動車組運行速度180，200，250，275 km/h，橫風(fēng)風(fēng)速25～45 m/s的各項動力學(xué)指標(biāo)計算結(jié)果，其中風(fēng)載以6個方向行星力的形式持續(xù)施加于車體上。

圖2　CRH2C型高速動車組的動力學(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，隨著運行速度、橫風(fēng)風(fēng)速的增加，動車組的運行性能將顯著降低。由于風(fēng)速30,35 m/s這兩個工況，動車組受到的風(fēng)載有較大的波動，動力學(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)，因為單個輪對在橫風(fēng)作用下可能出現(xiàn)抬起的現(xiàn)象。

3　列車運行速度安全域分析

對動力學(xué)計算結(jié)果進行整理，以表2的標(biāo)準(zhǔn)對動車組的安全性能進行評價，一共將動車組運行性能分成3類，分別是安全、合格、超標(biāo)，對應(yīng)不同的輪軸橫向力、脫軌系數(shù)以及動態(tài)輪重減載率范圍(以3個指標(biāo)中最差的那個指標(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，超過限制值為超標(biāo)。

表2　列車運行性能考核指標(biāo)

表3　列車在不同運行速度時風(fēng)速的安全運行限制值

通過對CRH2C橫風(fēng)動力學(xué)性能校核得到的列車運行安全運行域見表3。從表3中可以看出，在有風(fēng)擋的路堤上運行，當(dāng)列車車速為275 km/h時，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，為了運行安全環(huán)境風(fēng)速應(yīng)不大于35 m/s；當(dāng)列車車速為200 km/h時，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)下安全運行。

4　橫風(fēng)作用下列車運行速度限值

原鐵道部《鐵路客運專線技術(shù)管理辦法(試行)》(200～250 km/h部分)第172條關(guān)于動車組列車遇大風(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，列車可以正常速度運行；當(dāng)環(huán)境風(fēng)風(fēng)速不大于25 m/s時，列車運行速度不能超過200 km/h；當(dāng)環(huán)境風(fēng)風(fēng)速不大于30 m/s時，運行速度不能超過120 km/h；環(huán)境風(fēng)風(fēng)速大于30 m/s時，嚴(yán)禁動車組列車進入風(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)作用下的列車運行速度安全區(qū)域

*系列1：現(xiàn)有計規(guī)規(guī)范；系列2：安裝擋風(fēng)墻后的計算結(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，動車組可以安全運行，而技規(guī)在此速度需要輪；當(dāng)風(fēng)速為20 m/s，動車組可以以最大運營速度250 km/h運行，與技規(guī)一致；當(dāng)風(fēng)速不大于20 m/s，動車組在275 km/h的運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時的動車組運行速度。

5　結(jié)　論

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

(1) 風(fēng)載對動車組動力學(xué)的影響基本增加的趨勢，即風(fēng)速越大動車組性能越差；計算發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)速為30 m/s時，動車組的動力學(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風(fēng)對動車組運行性能的影響，相比無擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)，計算發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)速大于30 m/s，只要車速降低至160 km/h，動車組可以安全運行；當(dāng)風(fēng)速不大于20 m/s，動車組可以以最大運營速度250 km/h運行。

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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