高速列车并行运行风致安全性分析

□ 刘平安 □ 涂小华 □ 霍永刚

1.华东交通大学 机电与车辆工程学院 南昌 330013 2.青岛四方机车车辆股份有限公司 山东青岛 266111

1 分析背景

列车在高速运行时会产生升浮力和仰俯力矩,升浮力和仰俯力矩会随着运行速度的提高而不断增大,从而使列车处于类似飘浮的状态。在高速列车并行运行过程中,列车运行的安全特性会受线间距、速度变化的影响,严重情况下,会出现脱轨甚至倾覆事故。

1996年,欧洲各铁路公司启动了为期3 a的研究项目铁路系统瞬态空气动力学优化,对高速列车运行安全进行了研究。文献[1-2]进行横风对高速动车组气动特性影响的试验,得出高速动车组在横风作用下所受的气动升力、侧翻力矩、侧力,并利用SIMPACK软件分析高速动车组在横风工况下的直线运行动力学性能。王希理[3]利用FLUENT软件对侧风下高速列车在地面和桥面上运行时的流场结构进行仿真模拟,结果表明,在侧风条件下地面结构对高速列车周围流场影响不大,而桥面结构会使高速列车周围流场的结构变得复杂,侧风下单线高速列车在地面和桥面上运行时,都是头车受到的横向气动力极值和波动幅值最大。杨婧[4]分析不同车速、风速、风向角对高速列车安全性指标的影响,并依据高速列车运行安全性限定标准,确定不同风速下高速列车的最高安全运行速度。相关学者对于单线高速列车风阻问题的研究成果颇丰,而对于高速列车并行运行风阻问题的研究稍显不足。近年来,随着高速列车技术在我国的普及应用,高速列车空气动力学逐渐引起广大轨道车辆研究人员的重视。刘为亚、王进等[5]采用FLUENT软件模拟仿真了我国某新型高速动车组在横风条件下的空气动力学性能,并研究了不同横风风速下高速列车同向并行运行时的空气动力学性能,将仿真结果与单线列车在相同条件下运行时的情况进行了对比。于梦阁[6]采用半解析方法和蒙特卡洛模拟方法,以随机风速、侧滚力矩因数、侧力因数、摇头力矩因数、升力因数、点头力矩因数为变量,计算横风环境下高速列车运行安全的随机可靠性和可靠性灵敏度。王进等[7-8]对某新型高速动车组进行数值模拟仿真,研究并行运行情况下高速列车的空气动力学性能,分析高速列车在不同线间距及速度情况下,同向并行运动时的气动阻力影响。然而,以上文献都没有对高速列车并行运行安全性受线间距及通道占比的影响进行研究。

笔者针对高速列车并行运行不停车上下旅客所面临的空气载荷变化规律问题展开研究。并行运行不停车上下旅客的车站线路图如图1所示。车站在原有的正线旁边进行道路改造,修建环形中转线,使中转列车与正线列车在列车对接区段同速前进对接,在上下旅客区段实现上下旅客之间的转移,在列车分离区段实现中转列车与正线列车的分离。建立包含由头车厢、中间车厢、尾车厢组成的正线列车和由一节头车厢、一节尾车厢组成的中转列车的高速列车空气动力学模型,研究不同线间距及通道占比情况下高速列车并行运行气动载荷的变化规律。在此基础上,建立拖-动-拖编组的高速列车多体系统动力学模型,将计算出的气动载荷作为外加负载加载到高速列车上,研究高速列车并行运行的安全性。

▲图1 车站线路图

2 高速列车并行运行动力学计算

为了保证高速列车并行运行动力学计算结果的精确度,同时缩短计算时间,需要对高速列车进行合理的简化。

将正线列车模型简化为由两节中间车厢、一节尾车厢、一节头车厢组成,尾车厢与头车厢具有不同的结构及形状。对于中转列车模型,采用两节车厢进行模拟,由一节头车厢和一节尾车厢组成。

高速列车模型尺寸见表1。

表1 高速列车模型尺寸 m

高速列车表面有很多种不规则的零件,如电弓、门把手、车灯等,凹凸不平,会影响高速列车的表面光滑性,从而产生气动阻力,本次模拟仿真均忽略不计。高速列车并行运行简化模型如图2所示。

▲图2 高速列车并行运行简化模型

通过边界条件可以确定流场的运动状态,根据需要加入相应的约束条件。CRH系列高速列车并行运行的时速为300 km/h,设置为无滑移壁面边界。

不考虑自然横风的作用,高速列车并行运行时,由于中转列车与正线列车的长度不同,受空气压缩及对周围空气的影响,会使车辆产生侧力、升力、倾覆力矩、摇头力矩、点头力矩作用。气动力与力矩简化中心如图3所示,由此可以得出高速列车并行运行时车体上的分布压力。

▲图3 气动力与力矩简化中心

3 高速列车多体系统动力学计算

通过SIMPACK软件创建高速列车的多体系统动力学模型。动力学模型包含15个个体、8个转臂、4个轮对、2个构架、1个车体。高速列车的车体、构架、轮对等部分包含6个自由度,分别为垂向、横向、纵向、侧滚、摇头、点头。简化后的高速列车模型总共有50个自由度、8个约束、42个独立铰支。动车与拖车间采用拖-动-拖的连接方式,悬挂参数、结构、约束关系、连接部件、自由度选取等均与列车系统相符合,并且在某些参数上存在一定不同,主要体现在车体转动惯量、质心高度、车体质量等方面。

将仿真得到的气动力与力矩加载到多体动力学模型上,对高速列车并行运行的安全性进行分析。由于空气动力学与多体系统动力学的计算坐标不同,因此要进行坐标转换,这样才能保证气动力与力矩加载的正确性,以及多体系统动力学仿真结果的正确性。计算坐标系如图4所示,空气动力学计算坐标系{a}与多体系统动力学计算坐标系{r}的转换关系为:

(1)

(2)

(3)

式中:Fxa、Fya、Fza依次为空气动力学计算坐标系下X、Y、Z轴方向上的气动力;Mxa、Mya、Mza依次为空气动力学计算坐标系下X、Y、Z轴方向上的气动力矩;Fxr、Fyr、Fzr依次为多体系统动力学计算坐标系下X、Y、Z轴方向上的气动力;Mxr、Myr、Mzr依次为多体系统动力学计算坐标系下X、Y、Z轴方向上的气动力矩。

▲图4 计算坐标系

通过时间激励法在软件中将气动载荷添加到高速列车车体模型上,对高速列车车体进行动力学仿真。

4 风致安全性指标分析

根据《高速动车组整车试验规范》标准送审稿,将脱轨因数、轮重减载率、轮轴横向力、轮轨垂向力四项指标用于评定高速列车并行运行的风致安全性[9-10]。各项指标中,脱轨因数应不大于0.8,轮重减载率应不大于0.8,轮轴横向力应不大于10 kN+P0/3,轮轨垂向力应不大于170 kN。其中,P0为轴载荷。

当运行速度为300 km/h时,正线列车与中转列车的脱轨因数随线间距、通道占比的变化规律如图5所示。

由图5可知,随着线间距、通道占比的变化,正线列车与中转列车的脱轨因数均小于0.8,满足脱轨因数指标条件,符合高速列车运行安全要求。当通道占比小于1.0时,正线列车与中转列车脱轨因数的变化趋势大体一致。当通道占比达到1.0时,中转列车与正线列车对接完成,此时中转列车头车厢的脱轨因数增大,正线列车中间车厢的脱轨因数减小。

当运行速度为300 km/h时,正线列车与中转列车的轮重减载率随线间距、通道占比的变化规律如图6所示。

由图6可知,随着线间距、通道占比的变化,正线列车与中转列车的轮重减载率均小于0.8,满足轮重减载率指标条件,符合高速列车运行安全要求。通道占比一定时,正线列车与中转列车的轮重减载率随线间距的增大整体呈现逐渐减小的趋势。当通道占比为1.0时,中转列车与正线列车对接完成,此时正线列车中间车厢的轮重减载率突然增大,中转列车头车厢的轮重减载率减小。

当运行速度为300 km/h时,正线列车与中转列车的轮轴横向力随线间距、通道占比的变化规律如图7所示。

由图7可知,当通道占比小于0.8时,正线列车尾车厢、中转列车头车厢、中转列车尾车厢的轮轴横向力随线间距的增大整体基本不变,正线列车头车厢、正线列车中间车厢呈现减小的趋势。当通道占比为1.0时,中转列车与正线列车对接完成,此时正线列车中间车厢的轮轴横向力突然减小,中转列车头车厢的轮轴横向力方向改变。

当运行速度为300 km/h时,正线列车与中转列车的轮轨垂向力随线间距、通道占比的变化规律如图8所示。

由图8可知,随着线间距、通道占比的变化,正线列车与中转列车的轮轨垂向力均小于170 kN,满足轮轨垂向力指标条件,符合高速列车运行安全要求。随着线间距的增大,正线列车头车厢呈现增大趋势,正线列车中间车厢呈现减小趋势。当通道占比为1.0时,中转列车与正线列车对接完成,此时正线列车中间车厢的轮轨垂向力减小。随着线间距的增大,正线列车中间车厢的轮轨垂向力逐渐小于中转列车头车厢的轮轨垂向力。

5 结束语

笔者对300 km/h高速列车并行运行的风致安全性进行全面分析,通过仿真得出结论。

(1) 高速列车各车厢的脱轨因数、轮重减载率均小于0.8,轮轨垂向力小于170 kN,符合高速列车运行安全要求。

▲图5 高速列车脱轨因数随线间距、通道占比变化规律

▲图6 高速列车轮重减载率随线间距、通道占比变化规律▲图7 高速列车轮轴横向力随线间距、通道占比变化规律

▲图8 高速列车轮轨垂向力随线间距、通道占比变化规律

(2) 当通道占比由0增大至0.8的过程中,正线列车中间车厢最危险,但仍在安全要求范围内。当通道占比由0.8增大至1.0时,正线列车中间车厢的各指标减小,中转列车头车厢的指标有所增大,其它车厢无明显变化。

(3) 结合空气动力学和列车动力学,可以确定线间距为4.5～5 m时,高速列车并行运行风致安全性指标波动比较平稳,并且符合要求。

所做分析为提高高速列车并行运行的风致安全性提供了理论依据。