大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組行車車載控制參數(shù)研究

吳寧，寸冬冬

（1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京 100081；2. 北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司，北京 100094）

大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組行車車載控制參數(shù)研究

吳寧1，寸冬冬2

（1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京 100081；2. 北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司，北京 100094）

由于車體輕量化設(shè)計(jì)和運(yùn)行速度的提高，與普速列車相比氣動(dòng)載荷對(duì)動(dòng)車組的擾動(dòng)效應(yīng)更強(qiáng)，動(dòng)車組在大風(fēng)環(huán)境下的運(yùn)行穩(wěn)定性問題凸顯。分析大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組運(yùn)行穩(wěn)定性，結(jié)合實(shí)車試驗(yàn)和仿真計(jì)算，研究車體振動(dòng)參數(shù)與運(yùn)行穩(wěn)定性指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性，提出以車體橫向加速度導(dǎo)數(shù)和側(cè)滾角速度作為大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組車載關(guān)鍵控制參數(shù)，二者在很大程度上能夠反映大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組爬軌安全性和傾覆安全性。考慮到一定的安全裕量，動(dòng)車組車體橫向加速度導(dǎo)數(shù)和側(cè)滾角速度的限值分別確定為8 m/s3和5 °/s。

大風(fēng)；動(dòng)車組；穩(wěn)定性；控制參數(shù)；車體橫向加速度導(dǎo)數(shù)；側(cè)滾角速度

0 引言

隨著動(dòng)車組車體輕量化設(shè)計(jì)的發(fā)展和運(yùn)行速度的提高，氣動(dòng)載荷對(duì)動(dòng)車組的擾動(dòng)效應(yīng)更加明顯，動(dòng)車組在大風(fēng)環(huán)境下運(yùn)行的安全性和舒適性問題凸顯[1]。為保證列車運(yùn)行安全性和乘坐舒適性，提高運(yùn)輸效率，我國(guó)在高速鐵路大風(fēng)常發(fā)地段修建有擋風(fēng)墻等防風(fēng)設(shè)施，沿線安裝大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)，并進(jìn)行了大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)等研究性試驗(yàn)，對(duì)大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組的開行方案進(jìn)行了探索。試驗(yàn)表明：大風(fēng)區(qū)段設(shè)置擋風(fēng)墻后起到了良好的防風(fēng)效果，大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組在一般擋風(fēng)墻區(qū)段運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行穩(wěn)定性和乘坐舒適性均得到了明顯改善。但另一方面，在個(gè)別路基-路塹防風(fēng)設(shè)施過渡段等突變風(fēng)場(chǎng)位置車體承受氣動(dòng)載荷波動(dòng)明顯，導(dǎo)致車體出現(xiàn)劇烈瞬態(tài)振動(dòng)，乘坐舒適性惡化，并嚴(yán)重影響動(dòng)車組的運(yùn)行穩(wěn)定性[2-3]。在設(shè)置擋風(fēng)墻后，如何控制行車方式以實(shí)現(xiàn)少停輪、少限速的運(yùn)營(yíng)目標(biāo)成為亟待解決的問題。

目前，大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組的行車方案基于大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)在沿線測(cè)風(fēng)點(diǎn)的實(shí)測(cè)風(fēng)速確定，根據(jù)風(fēng)區(qū)沿線測(cè)風(fēng)點(diǎn)的風(fēng)速確定動(dòng)車組是否能夠在風(fēng)區(qū)運(yùn)行及在風(fēng)區(qū)的運(yùn)行速度。這顯然是一種開環(huán)的控制方式，動(dòng)車組進(jìn)入風(fēng)區(qū)的運(yùn)行速度依賴于進(jìn)入風(fēng)區(qū)之前的測(cè)風(fēng)點(diǎn)風(fēng)速數(shù)據(jù)，使行車與風(fēng)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系存在一定滯后，帶來一定安全隱患。另一方面，動(dòng)車組運(yùn)行過程中經(jīng)歷的貼地風(fēng)場(chǎng)復(fù)雜多變，測(cè)風(fēng)點(diǎn)的風(fēng)速并不能反映通過過渡段時(shí)劇烈變化的氣動(dòng)載荷產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊對(duì)動(dòng)車組運(yùn)行穩(wěn)定性的影響。因此，研究基于車載控制參數(shù)的大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組運(yùn)行閉環(huán)控制方式是很有必要的。

采用實(shí)車試驗(yàn)和仿真計(jì)算相結(jié)合的方法，分析過渡段突變荷載作用下動(dòng)車組運(yùn)行穩(wěn)定性問題；考慮現(xiàn)有車載測(cè)試技術(shù)的可靠性、穩(wěn)定性，對(duì)比車體振動(dòng)參數(shù)與行車安全性之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，初步確定動(dòng)車組運(yùn)行穩(wěn)定性的車載控制參數(shù)。

1 大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組運(yùn)行穩(wěn)定性分析

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)大風(fēng)環(huán)境下鐵道車輛的行車安全性做過大量研究，主要以仿真計(jì)算和風(fēng)洞試驗(yàn)為主，重點(diǎn)研究了恒定風(fēng)速橫風(fēng)作用下鐵道車輛的行車安全性[4-11]。這方面的研究一般均以輪重減載率和傾覆系數(shù)作為車輛運(yùn)行穩(wěn)定性的表征參數(shù)，即將橫風(fēng)作用下車輛運(yùn)行穩(wěn)定性的失效模式認(rèn)定為車輛傾覆。然而，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)防風(fēng)設(shè)施過渡段位置（如路塹-路基過渡段、隧道口等）是動(dòng)車組運(yùn)行穩(wěn)定性的薄弱環(huán)節(jié)，由于上述位置風(fēng)場(chǎng)的非均勻分布，動(dòng)車組通過時(shí)車體會(huì)受到突變的橫向氣動(dòng)載荷擾動(dòng)，這種擾動(dòng)引起的車體振動(dòng)響應(yīng)通過車輛懸掛向下傳遞，影響輪軌力的變化，造成脫軌系數(shù)、輪重減載率、傾覆系數(shù)等運(yùn)行穩(wěn)定性指標(biāo)較大甚至超限[2]。在突變風(fēng)載作用下，動(dòng)車組有可能出現(xiàn)向背風(fēng)側(cè)傾覆和向迎風(fēng)側(cè)爬軌2種形式的運(yùn)行穩(wěn)定性失效模式。選取工況1和工況2兩個(gè)具有代表性的過渡段試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，2種工況下的車速、頭車車體兩側(cè)最大壓差、風(fēng)載作用時(shí)間見表1，車體兩側(cè)壓差在一定程度上反映了風(fēng)載的大小。

表1 2種工況下的車速和所受的外部風(fēng)載

工況1動(dòng)車組頭車一位轉(zhuǎn)向架的實(shí)測(cè)脫軌系數(shù)和輪重減載率的數(shù)值變化見圖1?？梢钥闯觯阂惠S迎風(fēng)側(cè)車輪脫軌系數(shù)明顯大于其他車輪，達(dá)到0.86，而其他車輪最大值為0.31；迎風(fēng)側(cè)車輪減載，背風(fēng)側(cè)車輪增載，減載率最大值為0.52，一軸和二軸的幅值大小相當(dāng)。

圖1 工況1動(dòng)車組頭車一位轉(zhuǎn)向架的實(shí)測(cè)脫軌系數(shù)和輪重減載率

工況2動(dòng)車組頭車一位轉(zhuǎn)向架實(shí)測(cè)脫軌系數(shù)和輪重減載率的數(shù)值變化見圖2?？梢钥闯觯憾S背風(fēng)側(cè)車輪脫軌系數(shù)略大于其他車輪，最大值為0.41；迎風(fēng)側(cè)車輪減載，背風(fēng)側(cè)車輪增載，二軸減載率稍大于一軸，最大值達(dá)到0.92。

結(jié)合2種工況的風(fēng)載特征及車速，對(duì)比其動(dòng)力學(xué)響應(yīng)可以看出：當(dāng)列車速度較低，風(fēng)載作用時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，風(fēng)載增大到一定程度會(huì)使動(dòng)車組產(chǎn)生向背風(fēng)側(cè)傾覆的穩(wěn)定性失效模式；當(dāng)列車速度較高，風(fēng)載作用時(shí)間較短時(shí)，風(fēng)載增大到一定程度會(huì)使動(dòng)車組產(chǎn)生向迎風(fēng)側(cè)車輪爬軌的失效模式。因此，動(dòng)車組運(yùn)行穩(wěn)定性車載控制參數(shù)必須兼顧這兩種穩(wěn)定性失效模式，特別是車輪向迎風(fēng)側(cè)爬軌的穩(wěn)定性失效模式，其所需的風(fēng)載大小及作用時(shí)間更容易滿足，在實(shí)際動(dòng)車組運(yùn)行過程中發(fā)生的概率相對(duì)較大。

2 大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組列車動(dòng)力學(xué)模型

為了結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)車載控制參數(shù)與安全性指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行驗(yàn)證，建立動(dòng)車組列車動(dòng)力學(xué)模型。計(jì)算采用的風(fēng)載是由試驗(yàn)實(shí)測(cè)車體兩側(cè)壓差綜合解析而得到的。

采用與試驗(yàn)一致的動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)參數(shù)，建立包括頭車、中間車和尾車3節(jié)車的列車動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型（見圖3）。模型包括車體、牽引裝置、構(gòu)架、軸箱、輪對(duì)、一系懸掛裝置、二系懸掛裝置、抗蛇形減振器、抗側(cè)滾扭桿、橫向止擋以及車鉤裝置，共計(jì)156個(gè)自由度，模型中考慮了一系、二系阻尼以及橫向止擋的非線性特性。輪軌接觸采用經(jīng)典的Hertz接觸理論，蠕滑力計(jì)算采用Kalker簡(jiǎn)化非線性理論方法，車輪踏面型面采用實(shí)車車輪型面，鋼軌型面為標(biāo)準(zhǔn)60 kg/m軌，軌底坡為1∶40。

圖3 列車動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型

3 大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組運(yùn)行安全性車載控制參數(shù)

3.1 確定原則

大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組行車車載控制參數(shù)用于大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組的行車控制。穩(wěn)定性指標(biāo)脫軌系數(shù)和輪重減載率等均需要在動(dòng)車組上換裝測(cè)力輪對(duì)進(jìn)行直接測(cè)量，由于測(cè)力輪對(duì)在日常維護(hù)、應(yīng)用管理等方面的特殊性，難以在運(yùn)營(yíng)動(dòng)車組上實(shí)現(xiàn)。因此應(yīng)通過合理的統(tǒng)計(jì)分析和理論分析，確定能夠反映大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組運(yùn)行安全性的車載參數(shù)，作為控制動(dòng)車組運(yùn)行狀態(tài)的輸入?yún)?shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)動(dòng)車組在大風(fēng)環(huán)境下運(yùn)行穩(wěn)定性的在線評(píng)估。確定大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組行車控制參數(shù)應(yīng)遵循以下原則：（1）能夠在運(yùn)營(yíng)動(dòng)車組上進(jìn)行在線測(cè)試和評(píng)估；（2）應(yīng)比較準(zhǔn)確、全面地反映大風(fēng)環(huán)境對(duì)動(dòng)車組運(yùn)行穩(wěn)定性的影響；（3）該參數(shù)的測(cè)試技術(shù)成熟，包括傳感器在內(nèi)的測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。

事實(shí)上，與一般情況下由線路因素或走行部狀態(tài)導(dǎo)致的運(yùn)行安全性問題不同，大風(fēng)環(huán)境下車體的振動(dòng)參數(shù)和輪軌力參數(shù)的因果關(guān)系正好相反。即車體振動(dòng)是輸入項(xiàng)，輪軌力參數(shù)是響應(yīng)項(xiàng)，因此采用車體的振動(dòng)參數(shù)作為運(yùn)行安全性的表征參數(shù)是合理的。根據(jù)前文分析，大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組運(yùn)行穩(wěn)定性應(yīng)通過脫軌系數(shù)和輪重減載率的數(shù)值直接反映。因此，判斷某個(gè)車載參數(shù)是否能夠準(zhǔn)確反映動(dòng)車組的運(yùn)行穩(wěn)定性可依據(jù)其與脫軌系數(shù)和輪重減載率指標(biāo)的相關(guān)性來進(jìn)行。

3.2 與安全性指標(biāo)關(guān)聯(lián)性分析

從工程技術(shù)的角度考慮，將加速度和角速度作為車載關(guān)鍵控制參數(shù)是容易實(shí)現(xiàn)的。另一方面，大風(fēng)環(huán)境下車體橫向振動(dòng)和側(cè)滾振動(dòng)是引起輪軌力變化的主要原因，同時(shí)輪軌力的變化又會(huì)通過車輛懸掛反饋在車體橫向加速度和側(cè)滾角速度上。因此，選擇車體橫向加速度和側(cè)滾角速度作為直接的車載控制參數(shù)或作為車載控制參數(shù)的輸入項(xiàng)，無論從工程實(shí)現(xiàn)的角度還是在原理上都是可行的。

在大風(fēng)導(dǎo)致脫軌系數(shù)超限或數(shù)值較大的情況下，車體橫向加速度均存在明顯的振蕩，出現(xiàn)明顯的反相位突變（見圖4）。一般情況下，這種反相位突變會(huì)導(dǎo)致其導(dǎo)數(shù)出現(xiàn)較大的值，即車體的橫向沖動(dòng)（車體橫向加速度的導(dǎo)數(shù)）與脫軌系數(shù)可能存在很好的相關(guān)性。

圖4 脫軌系數(shù)大值點(diǎn)處動(dòng)力學(xué)響應(yīng)變化

利用建立的動(dòng)車組列車動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算給出各個(gè)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的數(shù)值，對(duì)上述推論進(jìn)行驗(yàn)證。具體計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同橫向風(fēng)載作用下動(dòng)力學(xué)指標(biāo)最大值

將表2中各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，對(duì)比其隨橫向風(fēng)載增大的變化趨勢(shì)（見圖5）。從圖中可以看出：車體橫向沖動(dòng)與脫軌系數(shù)的變化趨勢(shì)最為相近，相對(duì)于其他參數(shù)，車體橫向沖動(dòng)與脫軌系數(shù)的相關(guān)性最好，可以考慮將車體橫向沖動(dòng)作為大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組行車車載關(guān)鍵控制參數(shù)。此外，車體側(cè)滾角速度與輪重減載率的變化趨勢(shì)也有較好的相似性。

圖5 不同橫向風(fēng)載作用下車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)最大值歸一化曲線

3.3 參數(shù)確定

基于上述研究，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)車體振動(dòng)參數(shù)和運(yùn)行穩(wěn)定性指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。大風(fēng)區(qū)段和道岔區(qū)段車體橫向沖動(dòng)和脫軌系數(shù)的散點(diǎn)對(duì)應(yīng)分布分別見圖6和圖7，大風(fēng)區(qū)段和道岔區(qū)段車體側(cè)滾角速度和輪重減載率的散點(diǎn)對(duì)應(yīng)分布分別見圖8和圖9。圖中大風(fēng)區(qū)段的散點(diǎn)總數(shù)為2 173個(gè)，道岔區(qū)段散點(diǎn)總數(shù)為498個(gè)。參照UIC518—2009關(guān)于采用車體加速度進(jìn)行安全性評(píng)判的濾波方法，車體橫向沖動(dòng)和側(cè)滾角速度均采用6 Hz濾波。

圖6 大風(fēng)區(qū)段車體橫向沖動(dòng)相對(duì)于脫軌系數(shù)的散點(diǎn)分布

不難看出：（1）在大風(fēng)作為主要影響因素的條件下，車體橫向沖動(dòng)與脫軌系數(shù)具有較好的相關(guān)性，若將6 Hz濾波后的車體橫向沖動(dòng)限值確定為8 m/s3，以脫軌系數(shù)限值0.8作為安全性是否符合要求的標(biāo)準(zhǔn)，無漏判點(diǎn)出現(xiàn)，漏判率為0；共有8個(gè)誤判點(diǎn)，僅占散點(diǎn)總數(shù)的0.36%。在線路條件（道岔）作為主要影響因素的條件下，則不會(huì)出現(xiàn)誤判點(diǎn)。即選擇車體橫向沖動(dòng)作為行車關(guān)鍵控制參數(shù)既能較好地間接反映大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組的爬軌安全性，又能很好地屏蔽線路因素的影響，不會(huì)造成動(dòng)車組正常側(cè)向進(jìn)出道岔時(shí)的誤判。（2）大風(fēng)環(huán)境下車體側(cè)滾角速度與輪重減載率具有很好的相關(guān)性，若將6 Hz濾波后的車體側(cè)滾角速度限值確定為5°/s，以輪重減載率限值0.8作為安全性是否符合要求的標(biāo)準(zhǔn)，無漏判點(diǎn)出現(xiàn)，僅有7個(gè)誤判點(diǎn)。即選擇車體側(cè)滾角速度作為行車關(guān)鍵控制參數(shù)較好地間接反映了大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組的傾覆安全性。

圖7 道岔區(qū)段車體橫向沖動(dòng)相對(duì)于脫軌系數(shù)的散點(diǎn)分布

圖8 大風(fēng)區(qū)段車體側(cè)滾角速度相對(duì)于輪重減載率的散點(diǎn)分布

圖9 道岔區(qū)段車體側(cè)滾角速度相對(duì)于輪重減載率的散點(diǎn)分布

綜上所述，車體橫向沖動(dòng)和側(cè)滾角速度能夠在很大程度上分別反映大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組爬軌安全性和傾覆安全性，宜將車體橫向沖動(dòng)和車體側(cè)滾角速度作為大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組行車關(guān)鍵控制參數(shù)，對(duì)于分析的動(dòng)車組，考慮到一定的安全裕量，限值可以分別確定為8 m/s3和5°/s。另一方面，由于與運(yùn)行安全性指標(biāo)并不完全對(duì)應(yīng)，存在一定的隨機(jī)性，車體橫向沖動(dòng)和側(cè)滾角速度并不能完全替代安全性指標(biāo)作為大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組運(yùn)行安全性的評(píng)判指標(biāo)。

4 結(jié)論

（1）在突變風(fēng)載作用下，動(dòng)車組存在向背風(fēng)側(cè)傾覆和向迎風(fēng)側(cè)爬軌2種形式的運(yùn)行穩(wěn)定性失效模式。動(dòng)車組在大風(fēng)環(huán)境下的運(yùn)行安全性除傳統(tǒng)認(rèn)知中的傾覆穩(wěn)定性之外，還應(yīng)關(guān)注突變風(fēng)載作用下車輪爬軌脫軌的可能。

（2）通過仿真計(jì)算和試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果的綜合分析，提出了以車體橫向加速度導(dǎo)數(shù)和側(cè)滾角速度作為大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組車載關(guān)鍵控制參數(shù)，二者在很大程度上能夠分別反映大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組爬軌安全性和傾覆安全性，對(duì)于分析的動(dòng)車組，考慮到一定的安全裕量，6 Hz濾波后的限值分別確定為8 m/s3和5 °/s。

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On EMU Train Operation & Load-carrying Control Parameters in High Wind Environment

WU Ning1，CUN Dongdong2
（1. Locomotive & Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2. Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co，Beijing 100094，China）

Due to lightweight design of the train body and increase of running speed of the train, aerodynamic load exerts a stronger perturbing effect on EMU trains than on conventional speed ones, thus the operational stability of EMU trains running in high wind becomes an issue. Based on tests on real trains and simulation calculation, this paper examines operation stability of EMU trains running in high wind and the relationship between vibration parameters and the running stability indexes of the train body, puts forward the idea that the train body lateral acceleration derivative and the side-roll angular speed, which to a large extent are able to show safety in terms of rail-climbing and overturning of EMU trains in high wind, shall be the EMU train loadcarrying key control parameters. Taking into account the safety margin, the paper concludes that the train body lateral acceleration derivative and side-roll angular speed shall be 8 m/s3and 5 °/s respectively.

high wind；EMU；stability；control parameters；train body lateral acceleration derivative；sideroll angular speed

U270.1+1

A

1001-683X（2017）11-0082-06

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.11.082

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2015T002-C）

吳寧（1980—），男，副研究員，碩士。E-mail：buxzhewn@sina.com

責(zé)任編輯 李鳳玲

2017-01-16