CRH3G动车组横风运行安全性分析＊

黄烈威，李 明，邵 蓉，刘 斌，吕凤梅，李国清

（唐山轨道客车有限责任公司，河北唐山063035）

良好的横风运行安全性是实现高速动车组速度能力提升的有效手段。在强侧风作用下，列车空气动力性能恶化，不仅列车空气阻力、升力、横向力迅速增加，还影响列车的横向稳定性，严重时将导致列车倾覆。对于一些特殊的风环境，如特大桥、高架桥、路堤，列车的绕流流场改变更为突出，空气动力显著增大［1-2］。

环境风引起的列车事故遍布日本、欧美和国内，非常有必要展开高风速和高车速时的列车横风运行安全性研究，为列车在环境风作用下的运行安全性评估提供科学依据［3-4］。本文建立了CRH3G动车组的列车空气动力学模型和车辆系统动力学模型，通过列车空气动力学模型获得不同环境风速（10～35m／s）和不同车速（150～300km／h）下作用于高速列车上的气动力和气动力矩，然后将气动力和气动力矩作用于车辆系统动力学模型上，获得不同环境风速和不同车速下高速动车组的运行安全指标，进而根据标准确定出高速动车组的横风运行安全速度域。

1 高速列车横风性能计算模型

1.1 计算域及边界条件

明线运行时，区域左侧设置为速度入口边界条件，区域右侧设置为压力出口边界条件，区域两侧及顶端设置为对称边界，区域底端及列车表面设置为壁面边界条件。网格划分时，高速列车表面采用三角形网格，最大网格尺寸设置为200mm，空间网格采用四面体网格，最大网格尺寸设置为4 000mm。

横风安全速度域分析的计算区域如图1所示。流场计算区域坐标系如下：列车的运行方向为沿Z轴正方向，横风的方向为沿X轴正方向。流场计算区域的长度（正前方入口端到正后方出口端）、宽度（右侧入口端到左侧出口端）和高度（顶面到地面）分别为500，140m和60m。列车正前方入口端截面与头车鼻尖处纵向距离为150m；列车正后方出口端截面与车头鼻尖处纵向距离为350m；顶面到地面的高度为60m；列车右侧入口端（即迎风侧）与轨道中心线之间的距离为60m，列车左侧出口端（即背风侧）距离轨道中心线80m，列车与轨道所处地面之间的距离为0.376m。

图1 计算区域及边界设置

数值计算时，速度入口采用合成风速，合成风速的示意图如2所示。列车的运行速度为ut，横风速度为uw。若假定列车相对地面为静止，则列车前方气流以速度-ut流向列车，通过对气流速度和横风速度进行矢量合成，合成速度为v，合成风速与列车运行速度方向之间的夹角β为侧偏角。

图2 合成风速原理图

1.2 气动载荷模型

横风安全速度域分析时，高速动车组气动力的矩心如图3所示，其中矩心距离轨面的高度为1.95m。正值的横向力、升力、侧滚力矩、摇头力矩和点头力矩的方向如图4所示。

图3 简化中心

2 高速列车车辆动力学计算模型

2.1 车辆动力学模型

在SIMPACK中建立高速动车组CRH3G的3车编组多体系统动力学模型，编组方式为“动车—动车—动车”，各车在自由度选取、各部件的连接与约束关系、结构及悬挂参数等方面完全一致。每个单车模型均由1个车体、2个构架、4个轮对、8个转臂、2个枕梁共17个体组成；其中刚性车体有6个自由度，即纵向、横向、垂向、侧滚、点头、摇头；构架取6个自由度，即纵向、横向、垂向、侧滚、摇头、点头；轮对取6个自由度，即纵向、横向、垂向、侧滚、点头、摇头；转臂为1个自由度，即点头；枕梁固结在车体上，有0个自由度；“电机+吊架”有6个自由度，即纵向、横向、垂向、侧滚、点头、摇头；整个单车动力学模型的独立铰个数为54个，约束为8个，共50个自由度。整车模型共150个自由度。其动力学模型如图5所示。

图4 气动力和气动力矩说明

图5 CRH250A多体系统动力学仿真模型

2.2 横风加载方法

高速列车多体系统动力学模型建立以后，计算时需要将气动力（矩）作为载荷加载到车体上进行动力学仿真。本文中空气动力学的计算坐标和多体系统动力学的计算坐标不一致，因此在气动力加载前需要进行坐标转换，即需要从空气动力学计算坐标转换到铁路坐标下。根据分析可知，在当前所选取的坐标系下，侧滚力矩的方向是相同的，而其他气动力和气动力矩的方向是相反的。

3 不同车速和风速下的气动载荷计算

基于本文建立的高速动车组空气动力学模型，计算高速动车组在不同车速（150～300km／h）和风速（10～35m／s）下的气动力和气动力矩。

3.1 车速为150km／h时的气动载荷

表1是车速为150km／h，风速分别为30m／s和35m／s时，作用于头车、中间车和尾车上的气动力和气动力矩。

表1 车速为150km／h时，不同风速下的气动力和气动力矩

由表1可以看出，当车速为150km／h，风速为30 m／s和35m／s时，头车的横向力、侧滚力矩、摇头力矩、点头力矩明显大于中间车和尾车的横向力、侧滚力矩、摇头力矩、点头力矩。头车的升力是竖直向下的，中间车和尾车的升力是竖直向上的。当风速由30m／s增加到35m／s时，头车、中间车、尾车的气动力和气动力矩均显著增大。

3.2 车速为200km／h时的气动载荷

表2为车速为200km／h，风速分别为25m／s和30 m／s时，作用于头车、中间车和尾车上的气动力和气动力矩。

表2 车速为200km／h时，不同风速下的气动力和气动力矩

由表2可以看出，当车速为200km／h，风速为25 m／s和30m／s时，头车的横向力、侧滚力矩、摇头力矩、点头力矩明显大于中间车和尾车的横向力、侧滚力矩、摇头力矩、点头力矩。头车的升力是竖直向下的，中间车和尾车的升力是竖直向上的。当风速由25m／s增加到30m／s时，头车、中间车、尾车的气动力和气动力矩均显著增大。

3.3 车速为250km／h时的气动载荷

表3为车速为250km／h，风速分别为20m／s和30 m／s时，作用于头车、中间车和尾车上的气动力和气动力矩。

表3 车速为250km／h时，不同风速下的气动力和气动力矩

由表3可以看出，当车速为250km／h，风速为20 m／s和30m／s时，头车的横向力、侧滚力矩、摇头力矩、点头力矩明显大于中间车和尾车的横向力、侧滚力矩、摇头力矩、点头力矩。头车的升力是竖直向下的，中间车和尾车的升力是竖直向上的。当风速由20m／s增加到30m／s时，头车、中间车、尾车的气动力和气动力矩均显著增大。

3.4 车速为300km／h时的气动载荷

表4为车速为300km／h，风速分别为10m／s和15 m／s时，作用于头车、中间车和尾车上的气动力和气动力矩。

表4 车速为300km／h时，不同风速下的气动力和气动力矩

由表4可以看出，当车速为300km／h，风速为10 m／s和15m／s时，头车的横向力、侧滚力矩、摇头力矩、点头力矩明显大于中间车和尾车的横向力、侧滚力矩、摇头力矩、点头力矩。头车的升力是竖直向下的，尾车的升力是竖直向上的。当风速由10m／s增加到15m／s时，头车、中间车、尾车的气动力和气动力矩均显著增大。

4 气动载荷对比分析

通过前面的分析可知，头车的气动载荷明显大于中间车和尾车的气动载荷。车辆系统动力学计算结果表明，头车的运行安全性要明显比中间车和尾车的运行安全性差［5］。也就是说，在横风环境下，高速动车组中头车的运行安全性是最差的，因此本文主要分析头车的气动载荷特性。

为便于分析头车的气动力和气动力矩，引入无量纲的空气动力学系数，气动力系数和气动力矩系数的定义如下：

式中CF表示气动力（即横向力、升力）系数；CM表示气动力矩（即侧滚力矩、摇头力矩、点头力矩）系数；F表示气动力（即横向力、升力）；M表示气动力矩（即侧滚力矩、摇头力矩、点头力矩）；ρ表示空气密度，ρ=1.225kg／m3；A表示参考面积，此处取A=10m3；h表示参考高度，此处取h=3m。

图6给出了头车的气动载荷系数随侧偏角的变化规律。由图6可以看出，头车的横向力系数、升力系数、侧滚力矩系数、摇头力矩系数和点头力矩系数均只依赖于侧偏角。

对于给定的车速和风速，可以很方便地求出侧偏角，进而可以由图6确定出气动力系数和气动力矩系数的大小，进而可以由公式（1）和公式（2）计算出气动力和气动力矩。

图6 头车气动载荷系数随侧偏角的变化规律

进一步，通过多项式拟合可以给出气动力系数和气动力矩系数与侧偏角之间的关系式，

相应的相差性系数分别为0.999 6，0.998 8，0.999 5，0.999 6，0.999 8，由此可知，多项式拟合的效果非常好。

5 高速动车组车辆系统动力学计算分析

5.1 运行安全性评价指标

高速列车运行安全涉及脱轨和倾覆等问题。国外最常用评定车辆运行安全性的指标包括：脱轨系数、轮重减载率和倾覆系数。本文参考《高速动车组整车试验规范》［6］中评定高速列车运行安全性的4个指标：脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力和轮轨垂向力。

（1）脱轨系数

各国对脱轨系数指标的规定不一致：国际铁路联盟（UIC）规定Q／P≤1.2；德国ICE高速列车试验标准和日本既有线铁路提速试验标准均规定Q／P≤0.8；北美铁路规定Q／P≤1.0。我国高速列车要求脱轨系数的限值为：

（2）轮重减载率

列车安全性的评定仅仅依靠脱轨系数是不充分的。其主要原因是：

①当某时刻轮轨横向力Q和轮轨垂向力P都较小时，脱轨系数的计算对横向力和垂向力的测量误差比较敏感，想要获取比较精确的脱轨系数比较困难；

② 如果某单侧车轮的轮轨垂向力减小时，另一侧车轮的轮轨垂向力很容易增大，此时，较小的轮对冲角变化都容易引起较大的轮轨横向力，可能进而导致脱轨的可能性。

根据上面的分析可知，轮轨垂向力的减小非常值得重视。本文引入轮重减载率来评定列车的安全性。轮重减载率即ΔP／P主要用于评定车轮的轮轨垂向力为零或接近于零时，车轮的轮轨垂向力严重减载的安全性指标。

各国对脱轨系数指标的规定不一致：德国关于高速列车动态轮重减载率限值规定为0.9；日本新干线铁路动态轮重减载率限值规定为0.8。我国高速列车动态轮重减载率的限制需要符合以下条件：

（3）轮轴横向力

过大的轮轴横向力很容易引起轨道的变形，进而严重影响到列车的运行安全性。特别在横风环境下，列车受到很大的横向气动载荷的作用，轮轴横向力会急剧增加，安全性变差。因此，轮轴横向力也纳入到安全性指标中。我国高速列车的轮轴横向力应符合以下条件：

式中P0为轴载荷，kN。

（4）轮轨垂向力

随着列车运行速度的进一步提高，轮对与轨道之间的作用力也随之增加。过大的轮轨垂向力容易对轨道及其相关部件产生损伤、破坏，可能危及行车安全。我国高速列车的轮轨垂向力应符合以下条件：

5.2 系统动力学计算分析

表5给出了车速为250km／h，风速分别为20m／s和30m／s时，头车的各个运行安全指标的值。

表5 车速为250kmh时，不同风速下的头车运行安全指标

由表5可以看出，随着风速的增大，头车的各个运行安全指标明显增大。由前面的介绍可知，脱轨系数和轮重减载率的限值为0.8，轮轴横向力的限值为51kN，轮轨垂向力的限值为170kN。结合表5可知，横风环境下，在4个运行安全性评价指标中，轮重减载率是最容易超标的，轮轴横向力次之，而脱轨系数和轮轨横向力不容易超标。因此，在确定高速动车组的运行安全域时，应根据轮重减载率的限值进行确定。

根据《高速列车整车试验规范》，动态轮重减载率的限值取为0.8，由此可以通过插值方法，计算在任一固定的列车运行速度下，高速动车组安全运行时的最大允许风速。如图7所示，在任一固定的列车运行速度下，在风速为v1时，轮重减载率小于0.8，未超标；在风速为v2时，轮重减载率超过0.8，已超标；则动车组安全运行的最大允许风速值必定介于v1和v2之间，且可以通过插值的方法确定最高允许风速，本报告中，采用线性插值方法计算最高允许风速，即图中的vcr。由于车辆动力学和空气动力学均具有很强的非线性，以上结果均为估算值。

图7 高速动车组最高允许安全风速计算

表6给出了平地上CRH3G动车组运行安全域分析的估算结果。图8给出了高速动车组CRH3G的横向风运行安全速度域。

表6 高速动车组的运行安全域

由表6可知，当动车组的运行速度为150km／h时，其安全运行的最大允许风速值为33m／s；当高速动车组的运行速度为200km／h时，其安全运行的最大允许风速值为26.5m／s；当动车组的运行速度为250 km／h时，其安全运行的最大允许风速值为20.5m／s；当高速动车组的运行速度为300km／h时，其安全运行的最大允许风速值为12m／s。随着列车运行速度的增加，高速动车组安全运行的最大允许风速值减小。

图8 高速动车组CRH3G的横风运行安全速度域

6 结束语

良好的横风运行安全性是实现高速动车组速度能力提升的有效手段。本文根据高速动车组在不同车速（150～300km／h）和风速（10～35m／s）下的气动力和气动力矩计算结果，分析了不同气动载荷对动车组动力学性能的影响。在此基础上，估算了CRH3G动车组的横风运行安全速度域。

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［4］于梦阁，张继业，张卫华.350kmh高速列车风致安全研究［J］.机械设计与制造.2011（5）：174-176.

［5］于梦阁，张继业，张卫华.平地上高速列车的风致安全特性［J］.西南交通大学学报，2011，46（6）：989-995.