基于動(dòng)力學(xué)性能的更高速度鐵路合理線(xiàn)間距研究

付連著 李紅艷 孫加林 李紅梅

（1.鐵科院（深圳）研究設(shè)計(jì)院有限公司，廣東深圳518055；2.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)中心，北京100081；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京100081；4.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京100081）

鐵路運(yùn)輸?shù)母咚倩鞘澜绺鲊?guó)鐵路技術(shù)發(fā)展的方向。隨著列車(chē)運(yùn)行速度的提高，列車(chē)高速交會(huì)引起列車(chē)之間的氣流劇烈擾動(dòng)，產(chǎn)生的瞬態(tài)壓力沖擊對(duì)列車(chē)運(yùn)行安全性和旅客舒適性帶來(lái)不利影響。

為了分析列車(chē)交會(huì)時(shí)氣動(dòng)效應(yīng)引起的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了大量工作。何德華等［1］利用列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)和車(chē)輛動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的方法研究了動(dòng)車(chē)組明線(xiàn)交會(huì)時(shí)氣動(dòng)力對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的影響。王一偉等［2］研究了隧道壓力波的形成和峰值影響因素，推導(dǎo)了壓力極值對(duì)應(yīng)的最不利隧道長(zhǎng)度關(guān)于列車(chē)長(zhǎng)度、運(yùn)行馬赫數(shù)的表達(dá)式。郗艷紅等［3］提出了明線(xiàn)等速交會(huì)時(shí)車(chē)體表面壓力波幅值變化的新公式。梁習(xí)鋒等［4］研究了不同線(xiàn)間距下高速列車(chē)交會(huì)時(shí)的壓力波特性。喬英俊等［5］闡述了線(xiàn)間距與列車(chē)交會(huì)壓力波之間的理論關(guān)系，并根據(jù)實(shí)測(cè)和數(shù)值仿真數(shù)據(jù)得出了壓力波與線(xiàn)間距之間的擬合曲線(xiàn)。魏洋波等［6］采用滑移網(wǎng)格技術(shù)對(duì)高速列車(chē)明線(xiàn)交會(huì)及隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)的空氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了不同線(xiàn)間距對(duì)高速列車(chē)交會(huì)壓力波的影響。

上述研究均基于既有線(xiàn)路的設(shè)計(jì)時(shí)速，不超過(guò)350 km。為了做好列車(chē)進(jìn)一步提速的技術(shù)儲(chǔ)備，有必要對(duì)我國(guó)高速鐵路列車(chē)交會(huì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，研究列車(chē)進(jìn)一步提速后的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)和車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能。本文建立了明線(xiàn)交會(huì)和隧道內(nèi)交會(huì)的空氣動(dòng)力學(xué)模型及車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，研究不同車(chē)速、不同線(xiàn)間距條件下列車(chē)交會(huì)時(shí)所受的風(fēng)壓變化規(guī)律及其對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的影響規(guī)律，為確定更高速度下的鐵路線(xiàn)間距提供參考。

1 計(jì)算模型

1.1 空氣動(dòng)力學(xué)模型

選取CRH380A型列車(chē)作為研究對(duì)象，根據(jù)車(chē)輛實(shí)際結(jié)構(gòu)，采用成熟的商業(yè)計(jì)算流體軟件FLUENT建立三維實(shí)體列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)模型，如圖1所示。建模時(shí)在計(jì)算精度允許的前提下，對(duì)車(chē)輛進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化。為了提高網(wǎng)格質(zhì)量、計(jì)算精度和效率，全部部件均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

圖1 CRH380A型動(dòng)車(chē)組三維實(shí)體空氣動(dòng)力學(xué)模型

列車(chē)交會(huì)屬于非定常問(wèn)題。為模擬交會(huì)列車(chē)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，計(jì)算區(qū)域采用分區(qū)對(duì)接網(wǎng)格技術(shù)，地面、列車(chē)均采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散。各分區(qū)之間通過(guò)公共滑移界面進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。計(jì)算模型離散后的體網(wǎng)格總數(shù)均在1 000萬(wàn)以上。動(dòng)車(chē)組明線(xiàn)交會(huì)及隧道內(nèi)交會(huì)的空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 動(dòng)車(chē)組交會(huì)空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型

1.2 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)CRH380A型列車(chē)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，采用UM車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型。單編組車(chē)輛模型由1個(gè)車(chē)體、2個(gè)構(gòu)架、8個(gè)軸箱、4個(gè)輪對(duì)構(gòu)成，輪對(duì)和構(gòu)架通過(guò)一系懸掛單元連接，構(gòu)架與車(chē)體之間通過(guò)二系懸掛單元連接，如圖3所示。

圖3 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型（單編組）

1.3 動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)GB/T 5599—2019《機(jī)車(chē)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》，脫軌系數(shù)和輪重減載率的限值均為0.8；輪軸橫向力H應(yīng)滿(mǎn)足H≤15+P0/3，其中，P0為靜軸重，kN。

根據(jù)《高速鐵路線(xiàn)路維修規(guī)則（征求意見(jiàn)稿）》，車(chē)體橫向加速度不大于0.10g，車(chē)體垂向加速度不大于0.15g，Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)控制在2.5以下，評(píng)級(jí)即為優(yōu)秀。

2 模型驗(yàn)證

選取8編組CRH380A型動(dòng)車(chē)組進(jìn)行隧道內(nèi)交會(huì)的實(shí)車(chē)試驗(yàn)。動(dòng)車(chē)組長(zhǎng)約203 m，線(xiàn)間距為4.4 m；隧道斷面面積81.37 m2，長(zhǎng)863 m。交會(huì)地點(diǎn)為隧道中心，車(chē)速v=300 km/h。

將實(shí)車(chē)試驗(yàn)的參數(shù)輸入仿真模型進(jìn)行計(jì)算，得出交會(huì)壓力波時(shí)程曲線(xiàn)，并與實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖4。可知：仿真計(jì)算與實(shí)車(chē)試驗(yàn)的交會(huì)壓力波變化幅值基本一致；實(shí)車(chē)試驗(yàn)的壓力波變化曲線(xiàn)波動(dòng)較大，這是因?yàn)閷?shí)車(chē)試驗(yàn)考慮了車(chē)輛真實(shí)結(jié)構(gòu)、列車(chē)振動(dòng)、氣候環(huán)境等因素的影響。

圖4 隧道內(nèi)交會(huì)的壓力波時(shí)程曲線(xiàn)對(duì)比

仿真計(jì)算結(jié)果和實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。因此，該仿真模型能夠比較準(zhǔn)確地反映動(dòng)車(chē)組交會(huì)時(shí)的壓力波變化規(guī)律。

3 工況分析

為充分考慮交會(huì)車(chē)輛之間的相互作用，建立8節(jié)車(chē)輛編組的動(dòng)力學(xué)仿真模型。編組情況為：第1車(chē)、第4車(chē)、第5車(chē)、第8車(chē)為拖車(chē)，其余為動(dòng)車(chē)。從車(chē)頭到車(chē)尾均布64個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，監(jiān)控點(diǎn)位于車(chē)窗高度位置。

將空氣動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算輸出的力和力矩輸入到車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真模擬，分析動(dòng)車(chē)組在明線(xiàn)交會(huì)及隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)產(chǎn)生的空氣壓力波對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響。

3.1 明線(xiàn)交會(huì)

動(dòng)車(chē)組分別以v=350，400，450，500 km/h在明線(xiàn)交會(huì)時(shí)，車(chē)身風(fēng)壓隨縱向位置的分布見(jiàn)圖5。

圖5 不同速度級(jí)下明線(xiàn)交會(huì)時(shí)車(chē)身風(fēng)壓分布

由圖5可知，動(dòng)車(chē)組以不同車(chē)速在明線(xiàn)交會(huì)時(shí)：①車(chē)輛全身所受風(fēng)壓最大值均出現(xiàn)在車(chē)頭；②車(chē)頭所受風(fēng)壓最大值均出現(xiàn)在車(chē)頭前端，而車(chē)尾所受風(fēng)壓最大值均出現(xiàn)在車(chē)尾后端，這與車(chē)頭和車(chē)尾復(fù)雜的形狀有關(guān)；③車(chē)廂所受風(fēng)壓比較均勻，每節(jié)車(chē)廂所受風(fēng)壓最大值差別不大。

取線(xiàn)間距h=5 m，計(jì)算動(dòng)車(chē)組以不同車(chē)速在明線(xiàn)交會(huì)時(shí)的車(chē)體表面平均風(fēng)壓，并擬合車(chē)體表面平均風(fēng)壓與車(chē)速的關(guān)系曲線(xiàn)，見(jiàn)圖6。

圖6 明線(xiàn)交會(huì)時(shí)車(chē)體表面平均風(fēng)壓與車(chē)速的關(guān)系曲線(xiàn)

由圖6可知，動(dòng)車(chē)組在明線(xiàn)交會(huì)時(shí)：①車(chē)體表面平均風(fēng)壓的最大值、最小值、峰峰值均隨著車(chē)速的增加而增大，v=500 km/h時(shí)車(chē)體表面平均風(fēng)壓的最大值、最小值、峰峰值比v=350 km/h時(shí)分別增大了106.6%，104.7%，102.4%；②車(chē)體表面平均風(fēng)壓與車(chē)速的2.0次方成正比。

分別取線(xiàn)間距h=5.0，5.2，5.4 m，計(jì)算動(dòng)車(chē)組以v=500 km/h在明線(xiàn)交會(huì)時(shí)的車(chē)體表面平均風(fēng)壓，并擬合車(chē)體表面平均風(fēng)壓與線(xiàn)間距的關(guān)系曲線(xiàn)，見(jiàn)圖7。

圖7 明線(xiàn)交會(huì)時(shí)車(chē)體表面平均風(fēng)壓與線(xiàn)間距的關(guān)系曲線(xiàn)

由圖7可知，動(dòng)車(chē)組在明線(xiàn)交會(huì)時(shí)：①車(chē)體表面平均風(fēng)壓的最大值、最小值、峰峰值均隨著線(xiàn)間距的增加而減小，h=5.4 m條件下車(chē)體表面平均風(fēng)壓最大值、最小值、峰峰值比h=5.0 m條件下分別減小了14.4%，12.3%，13.4%；②車(chē)體表面平均氣動(dòng)載荷與線(xiàn)間距的-1.5～-2.0次方成正比。

不同線(xiàn)間距條件下動(dòng)車(chē)組以不同速度在明線(xiàn)交會(huì)時(shí)的車(chē)輛安全性、平穩(wěn)性指標(biāo)見(jiàn)表1、表2?？芍?/p>

1）同一車(chē)速條件下，車(chē)輛安全性、平穩(wěn)性指標(biāo)均隨線(xiàn)間距的增大而減小。

2）對(duì)于v=350 km/h，動(dòng)車(chē)組的各項(xiàng)指標(biāo)在各線(xiàn)間距條件下均能滿(mǎn)足要求；對(duì)于v=400，450 km/h，動(dòng)車(chē)組在線(xiàn)間距h=5.0 m條件下能夠安全平穩(wěn)運(yùn)行；對(duì)于v=500km/h，各線(xiàn)間距條件下均有動(dòng)力指標(biāo)超出安全限值。因此，建議動(dòng)車(chē)組明線(xiàn)交會(huì)時(shí)的運(yùn)行速度控制在450 km/h以下。

表1 明線(xiàn)交會(huì)時(shí)車(chē)輛安全性指標(biāo)

表2 明線(xiàn)交會(huì)時(shí)車(chē)輛平穩(wěn)性指標(biāo)

3.2 隧道內(nèi)交會(huì)

車(chē)速是影響動(dòng)車(chē)組在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)氣動(dòng)效應(yīng)的主要因素之一。取隧道有效凈空面積為100 m2，線(xiàn)間距為5.0 m。動(dòng)車(chē)組以v=350，400，450，500 km/h在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，車(chē)身風(fēng)壓隨縱向位置的分布見(jiàn)圖8。

圖8 不同速度級(jí)下隧道交會(huì)時(shí)車(chē)身風(fēng)壓分布

由圖8可知，動(dòng)車(chē)組在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)：①車(chē)輛全身風(fēng)壓最大值出現(xiàn)在車(chē)頭；②車(chē)頭所受風(fēng)壓最大值出現(xiàn)在車(chē)頭前端，而車(chē)尾所受風(fēng)壓最大值出現(xiàn)在車(chē)尾后端，這與車(chē)頭和車(chē)尾復(fù)雜的形狀有關(guān)；③車(chē)廂風(fēng)壓分布有一定差異，靠近車(chē)頭的車(chē)廂所受風(fēng)壓最大，靠近車(chē)尾的車(chē)廂所受風(fēng)壓最小。

計(jì)算動(dòng)車(chē)組在各速度級(jí)下進(jìn)行隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)的車(chē)體表面平均風(fēng)壓和中心隧道壁瞬變壓力，并分別擬合其與車(chē)速的關(guān)系曲線(xiàn)，見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)車(chē)體表面平均風(fēng)壓與車(chē)速的關(guān)系曲線(xiàn)

圖10 隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)中心隧道壁瞬變壓力與車(chē)速的關(guān)系曲線(xiàn)

由圖9、圖10可知，動(dòng)車(chē)組在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)：①車(chē)體表面所受的平均風(fēng)壓最大值、最小值、峰峰值與車(chē)速的2.3次方成正比；②中心隧道壁所受的瞬變壓力最大值、最小值、峰峰值與車(chē)速的2.5次方成正比。

不同隧道斷面面積、不同線(xiàn)間距條件下，動(dòng)車(chē)組以不同速度在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)的車(chē)輛安全性、平穩(wěn)性指標(biāo)見(jiàn)表3、表4。

表3 隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)車(chē)輛安全性指標(biāo)

表4 隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)車(chē)輛平穩(wěn)性指標(biāo)

由表3、表4可知：

1）v=350 km/h時(shí)，動(dòng)車(chē)組在各隧道斷面面積及線(xiàn)間距條件下均能安全平穩(wěn)運(yùn)行。

2）在隧道斷面面積為100 m2、線(xiàn)間距為5.0 m條件下，動(dòng)車(chē)組以v=400，450 km/h在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)各項(xiàng)安全性、平穩(wěn)性指標(biāo)均滿(mǎn)足限值要求；v=500 km/h時(shí)脫軌系數(shù)、輪軸橫向力滿(mǎn)足安全性要求，而輪重減載率、車(chē)體橫向加速度均超過(guò)限值，可能會(huì)發(fā)生瞬間晃車(chē)、脫軌等。

4 結(jié)論與建議

1）動(dòng)車(chē)組在明線(xiàn)交會(huì)時(shí)，車(chē)頭部位尤其車(chē)頭前端所受風(fēng)壓最大，各車(chē)廂之間所受風(fēng)壓差別不大；動(dòng)車(chē)組在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，車(chē)頭部位尤其車(chē)頭前端所受風(fēng)壓最大，車(chē)廂風(fēng)壓分布也有差異，靠近車(chē)頭的車(chē)廂所受風(fēng)壓最大，靠近車(chē)尾的車(chē)廂所受風(fēng)壓最小。

2）動(dòng)車(chē)組以350～500 km/h的運(yùn)行速度在明線(xiàn)交會(huì)時(shí)，車(chē)體表面所受風(fēng)壓極值與運(yùn)行速度的2.0次方成正比；動(dòng)車(chē)組以350～500 km/h的運(yùn)行速度在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，車(chē)體表面所受風(fēng)壓極值與運(yùn)行速度的2.3次方成正比。

3）對(duì)于2種交會(huì)工況，相同速度級(jí)下的車(chē)輛運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性指標(biāo)均隨線(xiàn)間距、隧道斷面面積增大而減小。

4）考慮到車(chē)輛運(yùn)行的各項(xiàng)安全性、平穩(wěn)性指標(biāo)限值及建設(shè)成本，對(duì)于設(shè)計(jì)時(shí)速350 km的線(xiàn)路，建議線(xiàn)間距取4.6 m；對(duì)于設(shè)計(jì)時(shí)速400～450 km的線(xiàn)路，建議線(xiàn)間距取5.0 m。