横风对高速列车动力学性能的影响

横风对高速列车动力学性能的影响

随着运营速度的提高，列车的空气动力学问题变得越来越突出。尤其是高速列车的噪音和强横风的稳定性问题非常严重。中国正在大力发展高速铁路。其中大部分分布在强风影响较强的沿海地区。例如，上海、北京和天津的许多地区可能会发生超过30ms的强风，这将对高速铁路的运营安全构成威胁。1车辆的横向力横风对车辆的作用会引起车体质量在两条钢轨之间的转移,严重时会引起车辆的脱轨甚至倾覆.对横风的研究主要考虑横向力、升力及倾覆力矩对车辆的影响,图1为高速车辆上作用的风力示意图.图1中,基于准静态理论,侧向力、升力和倾覆力矩可以表示为=0.5=0.5式中:2气动升力侧力和侧翻稳定性本文中采用动力学仿真的方法研究横风作用产生的侧向力、升力和倾覆力矩对动车组各车的影响.在横风作用下,动车车体将受到气动升力、侧力和侧翻力矩的作用.试验研究表明:当侧滑角根据电动车组气动特性的试验研究结果,可以推导出三车联挂时各车在不同运行速度下的气动升力、侧力和侧翻力矩,表1给出了部分速度时的结果.显然,头车、尾车、中车受到的各向力和力矩不同.由表1可看出:当3常值侧风和阵风作用高速动车组采用动—拖—动的编组方式,其中动车和拖车除了驱动系统之外,结构基本一致.动车转向架采用对横风的考虑有2种,一种是风速为15m/s的常值侧风,另一种是风速为25m/s的阵风,阵风的作用时间为2s.动力学计算中,在常值侧风工况下,动车车体始终受到风速为15m/s的风力作用;在阵风工况下,车体所受的风速为25m/s的风力,作用时间为2s,其中前0.5s风力从无风达到阵风风力,接下来的1s车体持续受阵风作用,最后0.5s阵风逐渐消失.4高速动车组轮轴横向力仿真结果由于高速动车组在正线上的曲线半径比较大,通常大于4500m,因此,只给出直线情况,不再单独考虑动车组的曲线通过性能.以各节车在横风作用下的轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率和车体侧滚角为例进行分析,计算时间为20s,阵风作用工况下,阵风从第9s施加,至第11s时结束.当仿真速度为200km/h时,受到15m/s的常值侧风和25m/s阵风作用时得到的情况如下:给出了轮轴横向力和脱轨系数的时间历程;给出了各车所有轮对中,轮轨横向力和脱轨系数中最大的一个,其中F,M,R分别表示头车、中车和尾车;对计算结果进行了2m滤波.由于高速动车组轴重11.5t,所以,轮轴横向力从图3可以看出,在常值侧风作用下,轮轴横向力向背风侧发生了偏转.在200km/h的速度下,同时受到15m/s的常值侧风作用时,轮轴横向力的最大值约为23kN,脱轨系数的最大值为0.27,均发生在头车上,头车的轮轴横向力、脱轨系数值远大于中车、尾车的轮轴横向力和脱轨系数.25m/s阵风作用下动车组的仿真结果如图4所示.从中可以看到,在阵风作用的时刻,轮轴横向力和脱轨系数迅速增大,轮轴横向力的瞬态最大值可达60kN,超出了轮轴横向力的限制值;而脱轨系数的最大值约为0.55.受到阵风作用时,头车和中车的轮轴横向力和脱轨系数比尾车的轮轴横向力和脱轨系数大很多.为了系统地比较不同速度时横风作用对动车组的影响,计算了从150km/h到350km/h速度时,动车组分别受到15m/s的常值侧风和25m/s的阵风作用时的轮轴横向力、脱轨系数和轮重减载率.分别给出了轮轴横向力的3从图5中可以看到,随着动车组运行速度的提高,各车的轮轴横向力不断增大,在15m/s的常值侧风作用下,即使在350km/h的速度时,动车组的轮轴横向力依然没有超出标准的限制值.而在25m/s的阵风作用下,由于风速的大幅增大,当速度达到300km/h时,头车轮轴横向力的统计值就超出了标准的限制.常值侧风和阵风对动车组的影响见图6,从中可以看到,在所有的计算工况下,动车组各车脱轨系数的最大值均满足合格的标准.横风对动车组各轮对轮重减载率的影响如图7所示.从中可以看到横风对轮重减载率的影响非常大,在所有的计算工况中,只有150km/h速度时动车组的轮重减载率基本满足合格的要求,在其余各工况下,无论是风速为15m/s的常值侧风还是风速为25m/s的阵风作用下,动车组的轮重减载率均超出了标准的要求,因此,从这个角度出发,就要求在横风的作用下,动车组必须限速运行,否则会有减载脱轨的危险.5常值侧风和阵风对动车组运行的影响通过动力学仿真及对试验数据的综合分析,发现横风对动车组头车、中车和尾车的影响程度不同.一般来说,横风作用对头车的影响最大,中车次之,对尾车的影响略小.在容易受横风作用影响的各指标中,轮重减载率对横风及动车组运行速度的变化最敏感.当受到横风作用时,为了保证动车组的安全性,必须限速运行或停运.常值侧风和阵风对动车组的影响有很大不同,从仿真结果