側(cè)風(fēng)對高鐵車輛安全性影響分析

徐宏偉

摘 要 隨著高鐵網(wǎng)絡(luò)經(jīng)營的疾速進(jìn)步和列車速度的加快，列車與空中交互的動態(tài)需要得到解決。本文對側(cè)風(fēng)環(huán)境下車輛的運(yùn)轉(zhuǎn)姿勢和操作安全性進(jìn)行了仿真剖析，提出了進(jìn)步側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的方法。結(jié)果表明，在給定的變動范圍內(nèi)，每個懸架參數(shù)對列車運(yùn)轉(zhuǎn)安全性的影響不明顯。而后，提出半自動動橫向阻尼器和主動抗崎嶇扭桿安裝來克服由側(cè)風(fēng)惹起的車輛振動。這兩項(xiàng)辦法的管制效果與Simpack軟件和Matlab/Simulink控制模塊相結(jié)合。

關(guān)鍵詞 高鐵列車 側(cè)風(fēng) 運(yùn)行姿態(tài) 運(yùn)行安全 懸掛參數(shù) 抗風(fēng)措施

中圖分類號：U298.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

關(guān)于高速鐵路運(yùn)用，側(cè)風(fēng)擾動是一個既不確定又重要的平安要素。然而，側(cè)風(fēng)擾動的主要負(fù)荷特性（稱為風(fēng)荷載特性）尚不清楚。結(jié)合當(dāng)前對高速鐵路應(yīng)用的需求，必須從保守的穩(wěn)定性和穩(wěn)健性角度確定風(fēng)荷載特性。從我國高鐵應(yīng)用的安全性和經(jīng)濟(jì)性的角度來看，風(fēng)荷載個性的研究是一項(xiàng)十分迫切的研究課題。因此，從高速鐵路車輛安全性的角度動身，本文首先探討了曲線經(jīng)過輪軌安全和尾端車輛穩(wěn)固狀態(tài)的兩個問題，以闡明橫風(fēng)擾動的重要性。

1車輛系統(tǒng)動力學(xué)模型

在分析風(fēng)荷載下高速列車的安全性時，通常創(chuàng)建高速列車的動態(tài)模型。風(fēng)速工夫序列用作系統(tǒng)的動態(tài)激活輸入，Simpack軟件用于在時域中計(jì)算和求解。為了保證計(jì)算結(jié)果的合理性，脈動風(fēng)速時間盡量與自然風(fēng)的特性接近。

基于中國高速列車的結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文采納Simpack多體動力學(xué)軟件創(chuàng)立車輛模型。在本文中，選擇高速動車組的頭車進(jìn)行動態(tài)研究，因?yàn)轭^車的動力性能在側(cè)風(fēng)環(huán)境中是最差的。懸架系統(tǒng)包含一系列懸架安裝和二級懸架裝置，主要撐持車身，傳遞縱向力，隔離軌道擾動傳遞的振動，并克制車輛的蛇運(yùn)動。第一懸掛裝置包含一系列彈簧，一系列垂直阻尼器和一系列定位節(jié)點(diǎn);第二懸架裝置包括空氣彈簧，兩級橫向阻尼器，雙線垂直阻尼器和防蛇形減振裝置、抗?jié)L動扭桿。

本文主要研究側(cè)風(fēng)對列車運(yùn)行安全性的影響，因而有必要對模型進(jìn)行簡化，忽略影響較小的因素，因此假設(shè)如下：

（1）考慮到懸架系統(tǒng)更靈便，輪對，車架和車身可視為剛體;

（2）因?yàn)檐囕v系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，故能夠方便地對某些非線性關(guān)系的非線性線性化進(jìn)行建模。

車輛系統(tǒng)非線性主要體現(xiàn)在輪軌接觸關(guān)系非線性以及懸掛參數(shù)非線性。輪軌非線性接觸關(guān)系是指輪軌蠕化力與輪對橫移、點(diǎn)頭運(yùn)動之間的非線性關(guān)系，是由接觸幾何非線性、接觸理論非線性和蠕滑系數(shù)非線性等引起的。在懸掛裝置中，一系列雙系列橫向垂直減震器、抗蛇節(jié)流減震器和臥式止振器具有非線性特性。

2側(cè)風(fēng)作用下的列車通過安全問題

2.1運(yùn)行安全性指標(biāo)

本節(jié)探討這些安全指標(biāo)與不同風(fēng)速下的風(fēng)向和車速的關(guān)系。

在側(cè)風(fēng)環(huán)境下，列車車體遭到比較大的橫向力，車身的橫向驅(qū)動車輪對橫穿左右車軸的橫向力的準(zhǔn)靜態(tài)斷裂。軸的過大的側(cè)向力招致線路中的穩(wěn)固性問題，進(jìn)一步影響列車的操作安全性。

（1）當(dāng)車速和風(fēng)速恒定時，軸的橫向力在風(fēng)向角處為90按锏階畬籩？當(dāng)風(fēng)向角為銳角時，軸的橫向力大于約90??？

（2）當(dāng)風(fēng)速和風(fēng)向角固定時，軸的橫向力隨著車速的增加而增加。

車身的橫向加速度是車輛穩(wěn)定性的指標(biāo)。國內(nèi)外高速鐵路設(shè)計(jì)評價指標(biāo)存在一定差異。根據(jù)規(guī)定，車體橫向加速度的高速鐵路極限指標(biāo)為0.5m/s2。

當(dāng)列車以直線行駛時，車輪踏板與軌道正常接觸，并且當(dāng)曲線通過時，由于離心力和側(cè)風(fēng)效應(yīng)，列車脫軌并爬上軌道。

2.2輪軌作用安全問題

當(dāng)?shù)陀谇€的曲線通過時，當(dāng)過低的低彎曲線通過時，軸的橫向力似乎完全由外輪承受，增加脫軌或傾翻事故的風(fēng)險。根據(jù)脫軌事故產(chǎn)生機(jī)理的調(diào)查研究，車輪減載是形成脫軌事故的首個要素之一，因此型式實(shí)驗(yàn)提出了針對三角坑軌道弊端的靜態(tài)脫軌試驗(yàn)。

3車輛系統(tǒng)懸掛參數(shù)對運(yùn)行安全性的影響

對于高速轉(zhuǎn)向架，二線懸架采用德國空氣彈簧，其動態(tài)剛度在高頻激勵的作用下增加。該系統(tǒng)的懸架由軸箱鋼彈簧和一系列垂直減震器組成。隨著擾動頻率的放大，其動態(tài)剛度降低，但相位呼應(yīng)滯后。因而，高速懸架個性具備以下兩個特征：（1）無論高頻激勵還是低頻鼓勵，二次懸架和抗?jié)L動扭桿配合構(gòu)成高阻抗。（2）懸架不同，難以形成高頻阻抗。為此，應(yīng)該運(yùn)用傾翻系數(shù)作為比例來判別。傾翻系數(shù)是轉(zhuǎn)向架（2個）內(nèi)部的總減載率。

4結(jié)論

因?yàn)橹袊熊嚳諝鈩恿W(xué)探討的相對滯后，本文無法對側(cè)風(fēng)擾動對高速鐵路行駛的安全影響作出明確的論斷，但應(yīng)明確認(rèn)識到以下幾點(diǎn)：

（1）因?yàn)槠涮厥庑愿咚勹F路懸架特性性別，即隨著車輛速度的增加，空氣彈簧懸架的動態(tài)剛度（或阻抗）也迅速增加，抗傾覆能力降低，這是其中之一影響高鐵安全的主要要素。

（2）必須清楚地識別主要風(fēng)荷載特性。當(dāng)前高速鐵路使用的重要性。CFD計(jì)算和分析應(yīng)結(jié)合路邊，路堤，高架（或跨海大橋）和隔震屏障的布置，氣動載荷的計(jì)算結(jié)果值得仔細(xì)研究，以正確理解高速主要風(fēng)荷載特性鐵路應(yīng)用。

（3）協(xié)調(diào)測試和計(jì)算資源，系統(tǒng)布局列車空氣動力學(xué)研討。結(jié)合對高鐵的需求，目前CFD的主要科研任務(wù)不是降低阻力，而是確定側(cè)風(fēng)擾動對高速鐵路使用的穩(wěn)定性和安全性影響。其中，主要的風(fēng)荷載特性是一項(xiàng)非常緊迫的科研任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉加利，于夢閣，張繼業(yè)等.基于大渦模擬的高速列車橫風(fēng)運(yùn)行安全性研究川[J].鐵道學(xué)報，2011，33（04）：13-21.

[2] 干鋒.高速列車輪軌接觸關(guān)系研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2015.

[3] 李艷.高速列車動力學(xué)參數(shù)影響度的研究與應(yīng)用田[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.