懸掛系統(tǒng)參數(shù)對高速列車橫風運行安全性的影響

周 鵬，常 城，李 田，秦 登

懸掛系統(tǒng)參數(shù)對高速列車橫風運行安全性的影響

周 鵬1，常 城2，李 田2，秦 登2

（1. 西南交通大學，交通運輸與物流學院，成都 611756；2. 西南交通大學，牽引動力國家重點實驗室，成都 610036）

列車懸掛系統(tǒng)參數(shù)的變化會對其運行安全穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，特別是在橫風等復雜運行環(huán)境下。針對國內(nèi)某型號動車組，數(shù)值仿真了橫風下的列車氣動特性，并研究了懸掛系統(tǒng)參數(shù)相對標準值變化對運行安全穩(wěn)定性的影響。研究結果表明：橫風作用下，頭車一位輪對脫軌系數(shù)隨二系空氣彈簧垂向剛度、二系空氣彈簧橫向剛度、一系鋼彈簧垂向剛度、一系鋼彈簧橫向剛度的增加而減少；輪軸橫向力會隨著二系空氣彈簧垂向剛度、一系鋼彈簧垂向剛度、一系鋼彈簧橫向剛度的增加而減少，隨著一系鋼彈簧縱向剛度的增加而增加；輪重減載率隨著二系空氣彈簧垂向剛度、二系空氣彈簧橫向剛度、一系鋼彈簧縱向剛度、二系橫向減振器阻尼的增加而減少；輪軌垂向力會隨著二系空氣彈簧橫向剛度、一系鋼彈簧縱向剛度、二系橫向減振器阻尼的增加而減少，隨著一系鋼彈簧橫向剛度、一系鋼彈簧垂向剛度的增加而增加。

懸掛系統(tǒng)；車輛系統(tǒng)動力學；橫風安全性；高速列車

0 引 言

高速列車運行過程中的第一要求是安全性。從高速列車的出現(xiàn)到今天，列車運行安全性以及舒適性始終是國內(nèi)外學者研究的熱點之一，其影響因素可分為兩部分：一是高速列車的運行環(huán)境，如橫風、路堤以及橋梁等，二是列車整體結構設計以及懸掛系統(tǒng)參數(shù)選擇。

為了研究高速列車橫風環(huán)境下的氣動特性，國內(nèi)外學者做了大量的研究。Suzuki[1]分析典型車型在路堤、橋梁上運行時的氣動特性，指出高速列車在運行過程中受到的氣動力與氣動力矩與列車形狀以及軌道基礎形式有關；Diedrichs[2]等對ICE2在復線路堤上以250km/h車速運行的流場結構進行了詳細的分析；Cooper[3]利用風洞實驗對列車在橫風下的氣動特性進行分析發(fā)現(xiàn)橫風會使列車運行安全性惡化12%；針對高速列車在側風環(huán)境下通過曲線受到的氣動載荷，Thomas[4-5]總結了不同陣風載荷對列車氣動性能的影響；Kim[6]等提出了一種針對高速列車在橫風環(huán)境下運行時脫軌系數(shù)的計算公式，計算結果與數(shù)值模擬結果較為吻合；李振等[7]研究了橫風環(huán)境下復線路堤上列車周圍的流場特性研究表明相較于平地，路堤上列車周圍的氣流流速更大，導致路堤上列車氣動性能較平地上惡劣；龍?zhí)K琴等[8]研究了橫風環(huán)境中不同路堤高度及傾角下列車氣動性能的差異，研究表明路堤高度以及傾角越大，列車的橫向力和側滾力矩就越大；任尊松[9]計算了作用在列車上的氣動載荷，在此基礎上計算了橫風對列車運行安全性的影響。

此外，列車懸掛系統(tǒng)參數(shù)對列車動力學性能的影響研究也較為成熟。王開云等[10]計算分析了不同懸掛參數(shù)下“天梭”號電力機車的氣動性能；程冰[11]對CW-200W型轉向架進行了結構設計的改進以及懸掛參數(shù)的優(yōu)化研究；池茂儒等[12]通過分析高速客車轉向架懸掛系統(tǒng)參數(shù)，提出適當?shù)臏p少二系懸掛的橫向剛度，能夠有效的提升車輛運行的橫向平穩(wěn)性；崔濤等[13]針對國內(nèi)部分高速列車車輛晃動問題，通過分析得到最優(yōu)的參數(shù)方案；董錫明[14]指出高速列車的行車安全性和乘坐舒適度與轉向架的取值是否合理密切相關；劉宏友[15]研究總結增加各車之間的橫向連接阻尼系數(shù)將有利于提高列車的曲線通過性；陳華斌等[16]等研究了懸掛剛度和懸掛阻尼對蛇行臨界速度的影響，分析了懸掛剛度和阻尼對運行平穩(wěn)性的影響。

以上研究只是針對列車在橫風環(huán)境下運行安全性，或是懸掛參數(shù)變化對列車運行安全性的影響，缺乏高速列車在橫風環(huán)境下運行時懸掛系統(tǒng)參數(shù)變化對列車運行安全性影響研究，本文以此為出發(fā)點，以國內(nèi)某型號動車組為研究對象，考慮列車運行速度為250km/h和橫風速度為20m/s，研究懸掛系統(tǒng)參數(shù)變化對橫風下列車運行安全性的影響。

1 列車空氣動力學模型及計算結果

計算模型取國內(nèi)某三車編組列車模型，其空氣動力學計算區(qū)域和邊界條件如圖1所示，其中計算域長度、寬度和高度分別為400m、100m和40m。其中正前方的速度入口距頭車鼻尖點100m，列車正后方的壓力出口距尾車鼻尖點200m,列車車體底面距離地面0.376m,列車位于計算區(qū)域中心截面上。頭尾車車身最大網(wǎng)格尺寸為60mm，轉向架最大網(wǎng)格尺寸為25mm，網(wǎng)格數(shù)量約為3583萬，表面網(wǎng)格示意如圖2所示。

圖1 計算域與邊界條件示意圖

圖2 頭車及轉向架的表面網(wǎng)格

列車運行正前方及右側面為速度入口邊界，速度為列車運行速度和環(huán)境風的合成風速，運行正后方及左側面為壓力出口邊界，地面設置為滑移壁面以模擬地面效應，滑移速度為列車運行速度，頂面為對稱邊界。采用流體計算軟件STAR-CCM+對上述網(wǎng)格進行計算，計算參數(shù)設置如下：采用三維、定常、不可壓縮兩方程SST-湍流模型，輸出穩(wěn)定后求平均值，如表1所示。

表1 列車氣動特性

Tab.1 Train aerodynamic characteristics

2 高速列車多體系統(tǒng)動力學模型

為了分析列車在氣動作用下懸掛參數(shù)變化對其在平地上行駛的安全穩(wěn)定性影響，采用多體動力學軟件SIMPACK建立高速列車動力學模型，如圖3所示。車輛系統(tǒng)動力學單車模型由一個車體、兩個轉向架、四個輪對以及八個轉臂組成。剛性車體、構架和輪對均有6個自由度，即縱向、垂向、橫向、點頭、搖頭，側滾。轉臂有1個自由度，即點頭。單車模型共計50個自由度，整車模型一共150個自由度[17]。

圖3 車輛系統(tǒng)動力學模型

車輛系統(tǒng)動力學模型中懸掛系統(tǒng)包括二系空氣彈簧、抗蛇形減振器、一系鋼彈簧等，車輪踏面類型選擇LMA。具體計算工況以國內(nèi)某動車組列車標準懸掛參數(shù)為基準，分別計算懸掛參數(shù)為標準值的50%、75%、125%、150%時對列車運行安全性和舒適性的影響，如表2所示。

表2 懸掛參數(shù)標準值

3 懸掛參數(shù)對列車運行安全性的影響

橫風環(huán)境中，高速列車還會受到一個較大的側力作用，對列車運行安全性產(chǎn)生威脅，嚴重時甚至可能會出現(xiàn)脫軌或者傾覆的情況。以《高速列車整車試驗規(guī)范》[18]為參考標準，通過分析脫軌系數(shù)、輪軌垂向力、輪重減載率和輪軸橫向力來評定高速列車的運行安全性。

3.1 脫軌系數(shù)與輪軸橫向力對列車運行安全性的影響

列車在車輛結構參數(shù)、運行和線路狀態(tài)等不利因素下運行時，可能導致車輪脫軌，某一時刻作用在車輪上的橫向力和垂向力的比值/為這一時刻車輪的脫軌系數(shù)，該定義最初由法國科學家Nadal提出。

懸掛參數(shù)同樣對列車橫風環(huán)境中運行的安全性有很大影響。由圖4可知，在氣動作用下，頭車的一位輪對的脫軌系數(shù)受懸掛參數(shù)影響較大，特別是二系空氣彈簧垂向剛度，其次是二系空氣彈簧橫向剛度。頭車一位輪對脫軌系數(shù)隨二系空氣彈簧垂向剛度、二系空氣彈簧橫向剛度、一系鋼彈簧垂向剛度、一系鋼彈簧橫向剛度的增加而減少，其中二系空氣彈簧垂向剛度減少一半時，脫軌系數(shù)的最大值達到1.38，大于安全閾值0.8，使列車有脫軌的風險。

圖4 懸掛系統(tǒng)參數(shù)變化對列車頭車一位輪對脫軌系數(shù)的影響

過大的輪軸橫向力會導致輪對橫移，同時會使線路部件損耗加快甚至損壞導致列車脫軌，《高速動車組整車試驗規(guī)范》規(guī)定高速列車的輪軸橫向力允許限值采用計算公式如下：

輪軸橫向力增加會使列車運行安全穩(wěn)定性下降，在橫風等復雜線路工況下輪軸橫向力增加造成的影響更加惡劣，因此有必要研究高速列車在橫風環(huán)境中運行時懸掛參數(shù)變化對輪軸橫向力的影響。研究表明：輪軸橫向力會隨著二系空氣彈簧垂向剛度、一系鋼彈簧垂向剛度、一系鋼彈簧橫向剛度的增加而減少，隨著一系鋼彈簧縱向剛度的增加而增加，如圖5所示。

懸掛裝置使列車具有良好的減振特性，緩和車輛與線路之間的相互作用力，減少振動與沖擊，從而提高列車在運行過程中的平穩(wěn)性、安全性和可靠性。列車懸掛參數(shù)的變化必然會導致車輛橫向或垂向約束發(fā)生變化，從而影響列車的運行安全穩(wěn)定性。

圖5 懸掛系統(tǒng)參數(shù)對輪軸橫向力的影響

以二系空氣彈簧垂向剛度變化為例，圖6為頭車一位背風側輪對脫軌系數(shù)時程曲線。脫軌系數(shù)的大小與輪對同時刻輪軌橫向力以及輪軌垂向力相關，其中左右兩側輪軌的橫向力共同決定了輪軌橫向力的值，當二系空氣彈簧垂向剛度變化時，列車一位輪對背風側車輪的輪軌橫向力與輪軌垂向力曲線如圖7所示。圖（a）為輪軌橫向力變化曲線，變化趨勢與背風側車輪脫軌系數(shù)變化趨勢基本相同，隨著空簧垂向剛度的相對增加，車輪的最大輪軌橫向力隨之增加。由圖6可知當高速列車在橫風環(huán)境下運行4s左右時，也就是橫風加載量達到最大時，脫軌系數(shù)達到最大值，隨后急劇減少趨于穩(wěn)定。脫軌系數(shù)為同時刻車輪輪軌橫向力與輪軌垂向力的比值，4s之前背風側輪軌橫向力達到最大值，而輪軌垂向力在相同時刻也隨時間增加，輪軌橫向力和垂向力同時增加，車輪脫軌系數(shù)達到峰值。在這個時間周期內(nèi)，空簧垂向剛度值為標準值的50%時，輪軌橫向力變化率為45.7%，輪軌垂向力變化率為13.6%，相對來說，輪軸橫向力的增加是背風側車輪脫軌系數(shù)增加的主要原因。

圖6 頭車一位背風側輪對脫軌系數(shù)時程曲線

圖7 二系空氣彈簧垂向剛度對輪軌力的影響

輪對橫移是輪軌橫向力變化的影響因素之一，同時也是輪軸橫向力變化的影響因素。二系空氣彈簧垂向剛度變化下頭車一位輪對背風側車輪、轉向架1、轉向架2和車體的橫移量如圖8所示。從圖中可以看出，在對車體施加氣動載荷后，車輪、轉向架和車體的橫移量發(fā)生明顯的變化，在氣動載荷的作用下，橫移量隨著列車運行時間的增加急速變化，在4s前后達到最值，之后逐漸變化并趨于穩(wěn)定。

中央懸掛系統(tǒng)不但能夠支撐車體，均勻傳遞載荷給各個輪軸，同時可以衰減車輛振動和沖擊。作為中央懸掛裝置組成之一的二系空氣彈簧，其垂向剛度變?yōu)闃藴手档?0%時，會導致列車的內(nèi)部約束力度發(fā)生變化，使車體向背風側的橫移量發(fā)生變化，由標準值的4.84mm減少到3.84mm。轉向架承受車體與輪對之間的各種載荷和作用力并使其均勻分配，保證列車平穩(wěn)運行。當二系空氣彈簧垂向剛度發(fā)生變化時，轉向架抑制車體橫向移動的能力發(fā)生變化，頭車的第一個轉向架向迎風側的橫移量增大，由0.98mm增加到1.11mm，第二個轉向架的橫移量由0.74mm減少到0.70mm，橫向作用傳遞到輪對使輪對橫向移動由0.90mm增加大0.93mm。二系空簧垂向剛度減少一半時，車體橫移量變化率為20.7%，轉向架變化率分別為12.7%和4.3%，車輪橫移量變化率為3.1%。由于中央懸掛裝置和軸箱懸掛裝置的緩沖、衰減和傳遞等功能，變化率逐漸減少。

3.2 輪軌垂向力與輪重減載率對列車運行安全性的影響

列車運行速度越高，輪軌之間的作用力也越大，輪軌之間的垂向力也會越大，過大的輪軌垂向力會導致輪軌之間的磨損增加，同時過大的輪軌垂向力也會使其他部件如扣件、軌枕產(chǎn)生損傷，定期維護的成本增加，嚴重時甚至危及行車安全。參考《高速列車整車試驗規(guī)范》知輪軌垂向力的限制條件為：

根據(jù)赫茲非線性彈性接觸理論，輪軌垂向力的表達式為：

圖9（a）為懸掛參數(shù)變化對頭車最大輪軌垂向力的影響，由圖可以看出：輪軌垂向力會隨著二系空氣彈簧橫向剛度、一系鋼彈簧縱向剛度、二系橫向減振器阻尼的增加而減少；隨著一系鋼彈簧橫向剛度、一系鋼彈簧垂向剛度的增加而增加。輪軌垂向力均在規(guī)定安全范圍之內(nèi)，這是因為列車空載沒有任何負重。

輪重減載率為評定車輛在輪對橫向力為零或接近于零的條件下，由于車輪某側嚴重減載而脫軌的安全性指標。設

高速列車輪重減載率與車輛的結構參數(shù)以及運行工況有關，當高速列車運行過程中懸掛參數(shù)變化時，必然導致列車的輪重減載率發(fā)生變化。圖9（b）為懸掛參數(shù)變化對頭車最大輪重減載率的影響。列車最大輪重減載率隨著二系空氣彈簧垂向剛度、二系空氣彈簧橫向剛度、一系鋼彈簧縱向剛度、二系橫向減振器阻尼的增加而減少。

圖9 懸掛系統(tǒng)參數(shù)變化對頭車最大輪軌垂向力與輪重減載率的影響

當二系空氣彈簧垂向剛度懸掛參數(shù)變化時，輪軌垂向力變化明顯，隨著橫風的不斷加載，頭車一位輪對左右車輪的輪軌垂向力發(fā)生明顯變化，如圖10所示，迎風側車輪隨著風載荷的增加而減載，背風側車輪隨著風載荷的增加而增載。由公式（1）可知，輪軌之間垂向相對位移是列車輪軌垂向力的重要影響因素之一，公式（2）和（3）表明輪重減載率的變化是由對應的輪軌垂向力變化導致的。頭車一位輪對左右車輪、頭車轉向架和頭車車體的抬升量變化曲線如圖11所示。高速列車在未加氣動載荷之前抬升量穩(wěn)定，在2s時期施加氣動載荷之后升量急劇提高，前后到達頂峰后減少，之后增加到一定范圍趨于穩(wěn)定。

圖10 二系空氣彈簧垂向剛度變化對頭車一位輪對輪軌垂向力影響

中央懸掛系統(tǒng)參數(shù)的變化會影響整個中央懸掛系統(tǒng)的功能，第一不能很好的將車體的重量以及載荷比較均衡地傳遞給各個輪軸，第二對于緩和沖動和衰減振動的能力有所降低，特別是列車在橫風環(huán)境等復雜工況下運行時。高速列車在橫風環(huán)境下運行時，二系空氣彈簧垂向剛度變化會影響整個中央懸掛系統(tǒng)的功能，當參數(shù)變?yōu)闃藴手档?0%時，車體的抬升量發(fā)生變化，其最大值由標準參數(shù)下的40.8mm增加到56.5mm，車體往上移了38.72%，在車體的帶動下，轉向架的抬升量也隨之發(fā)生變化，轉向架1抬升量由3.85mm增加到4.02，而轉向架2抬升量由2.32mm減少到2.01mm。圖12為高速列車動力學模型的輪軌踏面圖，二系空氣彈簧垂向剛度的變化會影響左右車輪的抬升量，在橫風作用下車輪向迎風側橫移，由于踏面錐度迎風側車輪與鋼軌接觸點向下移動，背風側車輪與鋼軌接觸點向上移動，即輪軌之間的垂向位移發(fā)生變化，最終導致輪軌垂向力發(fā)生變化。

圖12 高速列車動力學模型的輪軌踏面圖

4 結 論

（1）頭車一位輪對左右兩個車輪的脫軌系數(shù)最大值隨二系空氣彈簧垂向剛度、橫向剛度；一系鋼彈簧垂向剛度、橫向剛度的增加而減少，其中二系空氣彈簧垂向剛度變?yōu)闃藴手档?0%時，頭車一位輪對迎風側車輪的最大脫軌系數(shù)達到1.38，大于安全閾值0.8，列車在運行過程中有脫軌的風險。

（2）輪軸橫向力會隨著二系空氣彈簧垂向剛度、一系鋼彈簧垂向剛度、一系鋼彈簧橫向剛度的增加而減少；隨著一系鋼彈簧縱向剛度的增加而增加，這是由于輪對、轉向架、車體的橫移量發(fā)生變化，導致轉向架分配在車輪上的載荷發(fā)生變化，最終造成輪軸橫向力發(fā)生變化。

（3）列車最大輪重減載率隨著二系空氣彈簧垂向剛度、二系空氣彈簧橫向剛度、一系鋼彈簧縱向剛度、二系橫向減振器阻尼的增加而減少；輪軌垂向力會隨著二系空氣彈簧橫向剛度、一系鋼彈簧縱向剛度、二系橫向減振器阻尼的增加而減少；隨著一系鋼彈簧橫向剛度、一系鋼彈簧垂向剛度的增加而增加，主要是由于懸掛參數(shù)變化導致車輪與鋼軌之間的相對位移變化使輪軌垂向力變化。

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Effect of Suspension-system Parameters on Crosswind Stability of High-speed Trains

ZHOU Peng1, CHANG Cheng2, LI Tian2, QIN Deng2

(1. School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China;2. State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610036, China)

The change in the train suspension-system parameters affects the safety and stability of its operation, especially in complex operating environments such as under crosswind. For a certain type of electric multiple unitin China, a numerical simulation was performed to investigate the aerodynamic characteristics of a train under crosswind and to study the influence of the relative standard value of the suspension-system parameters on the safety and stability of operation. Research indicated that the derailment coefficient of the first wheelset of the head vehicle decreases with the increase in the vertical and lateral stiffness of the air spring of secondary suspension as well as the lateral and vertical stiffness of steel spring of primary suspension. The wheelset lateral force decreases with the increase in the vertical stiffness of the air spring of secondary suspension, as well as the lateral and vertical stiffness of steel spring of primary suspension. The wheel unloading rate decreases with the increase in the vertical and lateral stiffness of the air spring of secondary suspension, longitudinal stiffness of the steel spring of primary suspension, and damping of the lateral damper in secondary suspension. The wheel–rail vertical force decreases with the increase in the lateral stiffness of the air spring of secondary suspension, longitudinal stiffness of the steel spring of primary suspension, and damping of the lateral damper in secondary suspension, along with the increase in the lateral and vertical stiffness of the steel spring of primary suspension.

suspension system; vehicle system dynamics; crosswind safety; high-speed train

1672-4747（2020）04-0083-10

U270.1+1

A

10.3969/j.issn.1672-4747.2020.04.011

2020-12-12

周鵬（1991—），漢族，安徽淮北人，西南交通大學助教，碩士，研究方向為車輛系統(tǒng)動力學、空氣動力學等，E-mail：398097277@qq.com

周鵬，常城，李田，等. 懸掛系統(tǒng)參數(shù)對高速列車橫風運行安全性的影響[J]. 交通運輸工程與信息學報，2020, 18(4): 83-92

（責任編輯：劉娉婷）