高架橋橫風(fēng)作用下高速動車組轉(zhuǎn)向架氣動載荷規(guī)律分析

黃尊地，池茂儒，馮永華，常寧

（1.五邑大學(xué) 軌道交通學(xué)院，廣東 江門 529020；2.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點(diǎn)實驗室，四川 成都 610031；3.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

高速動車組轉(zhuǎn)向架位于車體與軌道之間，其引導(dǎo)車輛沿鋼軌行駛，承受來自車體及線路的各種載荷并緩和力的作用，是保證車輛運(yùn)行品質(zhì)的關(guān)鍵部件. 列車運(yùn)行速度的不斷提高，帶來很多力學(xué)問題，尤其是軌道交通空氣動力學(xué)問題[1-2]，如空氣阻力激增、氣動噪聲污染和橫風(fēng)運(yùn)行穩(wěn)定等. 客運(yùn)專線的高速動車組基本都在高架橋上運(yùn)行，加上環(huán)境風(fēng)荷載的作用，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架不僅影響輪軌關(guān)系及地面效應(yīng)，還影響列車的氣動性能及行車安全. 目前因側(cè)風(fēng)效應(yīng)所引起的列車安全性問題分析較多[3-7]，對于轉(zhuǎn)向架引起的氣動特性的研究較少[8-11].

Dong 等[12]研究了轉(zhuǎn)向架的簡化效果對周圍流場和氣動性能的影響. Wang 等[13]結(jié)合轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)形狀和運(yùn)行環(huán)境開展了高速列車轉(zhuǎn)向架積雪的影響研究. 除了研究轉(zhuǎn)向架對周圍流場和積雪的影響，文獻(xiàn)[14]基于車速300 km/h、橫風(fēng)風(fēng)速20m/s 的具體工況，開展了橫風(fēng)作用下轉(zhuǎn)向架非定?？諝鈩恿μ匦匝芯?，得到各個轉(zhuǎn)向架氣動荷載的時域特性、頻域特性以及轉(zhuǎn)向架周圍非定常流動結(jié)構(gòu).鄭循皓等[15]開展了400 km/h 高速列車轉(zhuǎn)向架空氣阻力的數(shù)值模擬研究，得出了車底結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)向架氣動力的影響.

以上文獻(xiàn)基本都是研究平地工況下轉(zhuǎn)向架的氣動載荷，高架橋運(yùn)營環(huán)境的研究偏少. 本文采用以上文獻(xiàn)中研究橫風(fēng)常用的數(shù)值計算方法，計算高架橋上不同車速和不同橫風(fēng)風(fēng)速耦合作用下的高速動車組轉(zhuǎn)向架的氣動載荷，進(jìn)而分析其阻力、橫向力、升力和傾覆力矩的變化規(guī)律.

1 計算模型

1.1 幾何模型

動車組車體進(jìn)行光滑處理，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. 為了節(jié)省成本，減小計算量，所以縮短CRH2 動車組的計算長度. 簡化后的CRH2 動車組模型由頭車+中間車+尾車3 節(jié)車組成. 車體全長77.4 m，車體最大寬度3.4 m，最大高度3.7 m，頭車和尾車長度都為25.7 m，中間車長度為25.0 m，風(fēng)擋長度為0.5 m. 整車結(jié)構(gòu)如圖1-a 所示，由頭車一位端轉(zhuǎn)向架依次往后到尾車二位端轉(zhuǎn)向架，分別命名為轉(zhuǎn)向架1、2、3、4、5 和6. 經(jīng)廣珠城際客專的實地測量，高架橋的截面圖形狀及尺寸如圖1-b 所示.

圖1 計算模型

1.2 計算域及邊界條件

計算域如圖2 所示，長度350 m，寬度300 m，高度100 m. 車的運(yùn)行方向是x 軸的負(fù)方向，列車鼻尖點(diǎn)距x 軸方向速度入口100 m，運(yùn)行速度分別為120 km/h、160 km/h、200 km/h、250 km/h、300 km/h、350 km/h、400 km/h；車距離y 軸方向橫風(fēng)速度入口也是100 m，風(fēng)速分別為10m/s、20m/s、30m/s、40m/s、50m/s、60m/s；模擬真實列車的運(yùn)行情況，車體設(shè)備艙距離軌面0.2 m，同時考慮到列車在高架橋橫風(fēng)環(huán)境下的運(yùn)行情況，軌面距高架橋道床表面為0.2 m；根據(jù)實地測量數(shù)據(jù)設(shè)置高架橋的高度，高架橋底部距離地面為12 m.

定義邊界條件，列車運(yùn)行前方為速度入口：velocity_inlet，對應(yīng)圖2 的ABFE；迎風(fēng)面對應(yīng)圖2的EFGH，也定義為：velocity_inlet；與速度入口相對的面（DCGH）和迎風(fēng)面相對的面（ABCD）都定義為壓力出口：pressure outlet；計算域的頂面、三節(jié)車的車體及其轉(zhuǎn)向架與風(fēng)檔、地面和高架橋都定義為wall. 具體數(shù)值計算算法詳見文獻(xiàn)[16]和[17].

圖2 計算域模型（單位：m）

1.3 網(wǎng)格模型

為更好地控制網(wǎng)格數(shù)量同時保證網(wǎng)格質(zhì)量，車體離散尺寸為0.10 m，風(fēng)擋離散尺寸為0.06 m，轉(zhuǎn)向架離散尺寸為0.05 m，高架橋兩側(cè)面以及底面的離散尺寸為1 m；車底離高架橋只有0.20 m 的距離，需要用控制函數(shù)來控制車橋計算域網(wǎng)格劃分，用車體底面控制高架橋道床表面，增長因子為1.1，離散至0.20 m，高架橋橋面的離散尺寸為0.30 m；高架橋底面距離地面12 m，同樣需要用一個控制函數(shù)來控制整個計算域的網(wǎng)格劃分，離散尺寸為1 m，增長因子為1.2，離散至8 m，得到計算域地面的離散尺寸為7.9 m 和6.3 m，設(shè)置計算域其他面的離散尺寸為10 m. 整個計算域最后網(wǎng)格數(shù)量約為5 000 000，車體和轉(zhuǎn)向架網(wǎng)格如圖3 所示.

圖3 網(wǎng)格模型

2 計算結(jié)果

根據(jù)上述計算網(wǎng)格和算法開展數(shù)值計算，得到不同車速（120 ～400 km/h）和風(fēng)速（10 ～60m/s）耦合作用下的高速動車組轉(zhuǎn)向架的氣動載荷數(shù)據(jù).

2.1 阻力分析

當(dāng)車速恒定為400 km/h 時，不同轉(zhuǎn)向架阻力隨風(fēng)速的變化規(guī)律如圖 4-a 所示；當(dāng)風(fēng)速恒定為60m/s 時，不同轉(zhuǎn)向架阻力隨車速的變化規(guī)律如圖4-b 所示.

圖4 阻力變化規(guī)律

由圖4 可知，當(dāng)車速一定時，轉(zhuǎn)向架1～6 的阻力隨風(fēng)速的增加而增加；當(dāng)風(fēng)速一定時，轉(zhuǎn)向架1～6 的阻力隨車速的增加而增加. 當(dāng)風(fēng)速超過30m/s 時，轉(zhuǎn)向架6 受到的阻力最大；當(dāng)風(fēng)速增加至60m/s 后，在不同的車速下，轉(zhuǎn)向架6 受到的阻力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他轉(zhuǎn)向架的阻力，且差別顯著.

2.2 側(cè)向力分析

當(dāng)車速恒定為400 km/h 時，不同轉(zhuǎn)向架側(cè)向力隨風(fēng)速的變化規(guī)律如圖5-a 所示；當(dāng)風(fēng)速恒定為60m/s 時，不同轉(zhuǎn)向架側(cè)向力隨車速的變化規(guī)律如圖5-b 所示.

圖5 側(cè)向力變化規(guī)律

由圖5 可知，當(dāng)車速一定時，轉(zhuǎn)向架1～6 的側(cè)向力隨風(fēng)速的增加而增加；當(dāng)風(fēng)速一定時，轉(zhuǎn)向架1～6 的側(cè)向力隨車速的增加而增加. 在風(fēng)速和車速的耦合作用下，高架橋上運(yùn)行的高速動車組尾車6 號轉(zhuǎn)向架受到的側(cè)向力變化規(guī)律與其他轉(zhuǎn)向架基本相同，但是側(cè)向力的方向發(fā)生變化.

2.3 升力分析

當(dāng)車速恒定為400 km/h 時，不同轉(zhuǎn)向架升力隨風(fēng)速的變化規(guī)律如圖 6-a 所示；當(dāng)風(fēng)速恒定為60m/s 時，不同轉(zhuǎn)向架升力隨車速的變化規(guī)律如圖6-b 所示.

圖6 升力變化規(guī)律

由圖6 可知，當(dāng)車速一定時，隨著風(fēng)速的增加，轉(zhuǎn)向架1～5 的升力為負(fù)值且基本不變，轉(zhuǎn)向架6 的升力為正值且逐漸增大；當(dāng)風(fēng)速一定時，隨著車速的增加，轉(zhuǎn)向架1～5 的升力為負(fù)值且基本不變，轉(zhuǎn)向架6 的升力為正值且有所波動. 在風(fēng)速和車速的耦合作用下，高架橋上運(yùn)行的高速動車組尾車6 號轉(zhuǎn)向架受到的升力與其他轉(zhuǎn)向架變化規(guī)律和受力方向不同.

2.4 傾覆力矩分析

當(dāng)車速恒定為400 km/h 時，不同轉(zhuǎn)向架傾覆力矩隨風(fēng)速的變化規(guī)律如圖7-a 所示；當(dāng)風(fēng)速恒定為60m/s 時，不同轉(zhuǎn)向架傾覆力矩隨車速的變化規(guī)律如圖7-b 所示.

圖7 傾覆力矩變化規(guī)律

由圖7 可知，當(dāng)車速一定時，隨著風(fēng)速的增加，轉(zhuǎn)向架1～5 的傾覆力矩轉(zhuǎn)變方向且波動不大，轉(zhuǎn)向架6 的傾覆力矩逐漸增大；當(dāng)風(fēng)速一定時，隨著車速的增加，轉(zhuǎn)向架1～5 的傾覆力矩變動不大，轉(zhuǎn)向架6 的傾覆力矩逐漸增大. 在風(fēng)速和車速的耦合作用下，高架橋上運(yùn)行的高速動車組尾車6 號轉(zhuǎn)向架受到的傾覆力矩變化規(guī)律與其他轉(zhuǎn)向架完全不同，傾覆力矩的方向也不相同. 轉(zhuǎn)向架 6的傾覆力矩數(shù)值最大.

3 結(jié)論

本文采用數(shù)值計算方法，計算高架橋上不同車速和不同橫風(fēng)風(fēng)速耦合作用下的高速動車組轉(zhuǎn)向架的氣動載荷，進(jìn)而分析其阻力、橫向力、升力和傾覆力矩的變化規(guī)律. 在風(fēng)速和車速的耦合作用下，尾車尾渦波動劇烈，高架橋上運(yùn)行的高速動車組尾車6 號轉(zhuǎn)向架受到的阻力、側(cè)向力、升力和傾覆力矩等氣動載荷變化規(guī)律與其他轉(zhuǎn)向架完全不同，是所有轉(zhuǎn)向架中最危險的一個. 轉(zhuǎn)向架6 的氣動載荷隨風(fēng)速和車速耦合作用的增大而增大. 氣動載荷中的傾覆力矩，當(dāng)車速較低時，車速的影響敏感程度高于風(fēng)速；當(dāng)車速很高時，受風(fēng)速影響顯著.

本文研究轉(zhuǎn)向架的氣動載荷規(guī)律，僅開展了各工況的數(shù)值計算工作，得到了變化規(guī)律，后期可以進(jìn)一步開展高速動車組轉(zhuǎn)向架的風(fēng)洞試驗，驗證數(shù)值計算的結(jié)果和規(guī)律.