强侧风下高架桥上轨道列车的安全运行

彭 华 朱柏铖 蔡小培 侯博文

(北京交通大学土木建筑工程学院 北京 100044)

强侧风下高架桥上轨道列车的安全运行

彭 华 朱柏铖 蔡小培 侯博文

(北京交通大学土木建筑工程学院 北京 100044)

城市轨道列车在高架桥上运行时会受到强侧风的影响，危及列车的安全运行。结合北京地铁13号线、昌平线等线路的实际情况，针对强侧向风下列车的安全运行问题，采用SIMPACK软件建立单车三维动力学仿真模型。以高速列车在侧向风下的空气动力学模拟计算得到的风载荷数据为基础，推导出列车在低速行驶的风荷载，分析强侧风对列车在高架线路曲线段上动力学性能的影响。结果表明，在强侧风影响下，列车的轮轨动力参数考察指标(如轮轨横向力、脱轨系数及减载率)均显著增大。最后提出在强侧风影响下，列车在不同曲线半径下安全运行的最高车速参考值。

城市轨道交通;安全运行;强侧风;SIMAPACK软件;动力学仿真;减载率;最高车速

1 列车系统动力学模型

在进行强侧风条件下的车线模型仿真计算时，做了如下简化:1)不考虑桥梁的本身结构受力，以及桥梁在强侧风条件下的振动和变形;2)不考虑组合列车的影响，仅考虑一节车辆的动力学性能;3)在强侧风情况下往往伴有雨水，在本研究中不考虑水介质对轮轨动力的影响。

1.1 列车模型

结合虚拟样机技术，应用SIMPACK中的wheel/rail模块建模，在前处理中输入的模型参数包括各种不同被定义体的质量、质心、惯性力矩等。同时还要定义体结构三维几何形状数据和体上要施加的各种力元、传感器等标志点及其安装位置，然后输入模型约束力等［3］;该车辆模型包含车体模型、2个转向架及4个轮对。车体和构架考虑各自的垂向、横向、纵向、点头、侧滚和摇头共6个自由度，车体和构架之间由二系悬挂连接。单个轮对考虑轮对的垂向、横移、侧滚、摇头共4个自由度，轮对同构架之间由一系悬挂与构架相连。单车模型考虑了34个自由度，所构成的列车动力学模型见图1。仿真模型车体采用B 型车，载客状态分别为 AW3(超员)、AW0(空载)［4］。

图1 列车所受气动荷载的动力仿真模型

1.2 轨道谱

根据北京地铁4号线上的实测不平顺样本，导入SIMPACK生成轨道随机不平顺的样本曲线。具体的轨道不平顺样本如图2所示，(a)(b)分别为左轨轨向不平顺、左轨高低不平顺样本。在图2(a)中，从上到下依次为:左轨轨向不平顺值与轨道长度的关系(横坐标单位为m，纵坐标单位为m)，左轨轨向不平顺值的一阶导数与轨道长度的关系，左轨轨向不平顺值的二阶导数与轨道长度的关系。同理，图2(b)表示的是左轨高低不平顺值、不平顺值的一阶导数、二阶导数随轨道长度的变化走向。

图2 轨道不平顺样本

1.3 曲线轨道的设定

要计算在不同曲线上的轮轨动力安全参数，需设置不同的曲线半径来进行分析计算。参照《地铁设计规范》，计算选取的曲线半径、缓和曲线长度、曲线外轨超高如表1 所示［5］。

表1 曲线线型参数

1.4 模型计算

基于文献［6］，建立了“风-车辆-轨道”动力学分析模型，计算10、11、12 级风速，曲线半径300 ～600 m，不同车速下的城市轨道列车安全运行动力学参数值。图3计算的是AW3工况、12级强侧风、车速100 km/h、曲线半径600 m的列车安全运行动力参数值。在风荷载输入方式中，5～18 s为风荷载常加载时间段，0～3 s、15～18 s分别是增载和减载时间段。蓝色曲线表示列车在背风处车轮(左轮)的轮轨动力参数时程曲线，红色曲线表示列车在迎风处车轮(右)的轮轨动力参数时程曲线，图中轮轨横向力与脱轨系数出现负值，是因为与SIMPACK中的方向相反。

图3 轮轨动力参数

图3中的结果同文献［2］中的结果基本吻合。列车在此工况下，轮轨横向力最大可达55.4 kN，脱轨系数为0.41，减载率最大为0.51。同时，由该计算结果可知，在强风条件下，列车的背风处车轮(左轮)的轮轨力最大值大于迎风处车轮的轮轨力，左右轮轨的脱轨系数最大差值可达0.1。表明在强侧风条件下，列车背风处车轮受力状况恶化，极有可能发生危险事故。

2 计算结果及分析

2.1 工况选取

在横风环境下，合成风总是以某一侧偏角作用在车辆上，由于列车迎风侧和背风侧流场的非对称性，车辆必然经受横向气动力的作用。在横向气动力和力矩的作用下，相对于在强侧风作用下，列车在运行状况下，要受到6个荷载的由风力附加的荷载。在6个风力荷载中，其中对列车安全运行影响最大的荷载是侧向力、侧翻力矩、摆头力矩、点头力矩［7］。笔者讨论的是列车在低速情况的安全运行，不考虑升浮力和升浮力矩的影响［8］。当车速和风速相差不大时，合成矢量的大小和方向受风速的影响较大，此时车辆受到的气动力和气动力矩基本上与车速成线性关系［9］。表2为不同车速对应的风荷载参数。

2.2 计算结果分析

表3为曲线半径600 m、列车在城市轨道高架桥段的安全参数。表4为曲线半径为300 m、列车在城市轨道高架桥段的安全参数。根据表3～4可以得到:

1)在风速12级、车速60 km/h，曲线半径从600 m减小到300 m时，减载率从0.54变化到0.67，脱轨系数从0.35 增到0.39，横向力从 35.8 kN 增到 40.6 kN，这表明:在一定情况下，减载率、横向力受曲线半径影响比较大，而脱轨系数受曲线半径影响较小。所以，在强侧风的影响下，列车更容易发生倾覆的危险。建议用减载率、横向力来评定列车的安全运行。

2)在12级风速、600 m半径下，车速从100 km/h降到40 km/h，减载率从0.71减小到0.46，脱轨系数从0.51 减小到 0.28，横向力从 55.4 kN 减小到 24.3 kN，这表明:在强风条件下，列车速度降低，各项安全参数也随之减小。

表2 不同工况下的动力参数

表3 600 m半径下的安全参数

表4 300 m半径下的安全参数

2.3 确定不同工况下最高安全运行速度

1)在计算完列车超员工况下的动力学参数之后，需要根据行业标准对不同的动力学参数进行对比。动力学参数标准为:轮轨横向力限值为40 kN，脱轨系数限值为0.8，减载率限值为0.6。图4所示为在曲线半径为600 m的情况下，轮轨横向力、脱轨系数、减载率在不同工况下的变化趋势。

以图4为例，采用插值法，观察轮轨动力安全参数走势，从各个指标中得出相对应的最大速度，再在这三个最大速度中选取最小的速度，即为列车最高安全运行速度。最后得出在曲线半径为600 m，风速分别为10、11、12级时列车的最高安全运行速度分别为90、80、63 km/h。

图4 曲线半径为600 m的动力学参数

按照以上方法，改变线路参数，可以计算出曲线半径为300、400、500 m时，城市轨道列车在不同风速影响下的最高安全运行速度(见表5)。

表5 超员情况下的最高安全运行速度

2)同理，在空载情况下的，可以计算出在不同工况下的轮轨动力学参数。图5为工况AW0、12级强侧风、曲线半径为300 m、列车在40 km/h速度下的轮轨动力学参数。

图5 空载情况下的轮轨动力学参数

在低速、空载情况下的轮轨垂向力、横向力幅值随时间变化趋于稳定，轮轨横向力值最大为30 kN，脱轨系数最大值为0.37，通过轮轨左右垂向力值计算出最大的减载率为0.625。而表4中超员情况下，轮轨横向力值最大为30.9 kN，脱轨系数为0.32，减载率为0.62。所以城市轨道列车受强侧风影响时，分别在空载和超员的载客状态下，其动力参数响应差异不大。

3)由于模型的简化，在实际中很多影响城市轨道列车在高架桥上安全运行的因素并没有完全考虑到，比如外部侵入物进入线路轨道、水介质的存在。综合考虑，笔者引入安全系数对表5中的最高限速进行修正，在此，安全系数取1.3。表6为城市轨道列车在高架桥上运行时强侧风条件下的最高安全运行速度。

表6 强侧风条件下的最高安全运行速度

3 结论与建议

1)列车在受强侧风的影响时，分别在超员与空载的情况下，相应的动力安全参数差异不大，说明列车在运行时的轴重差异对城市轨道列车在高架桥上安全运行的影响差异不大。而主要影响安全运行的因素是风速大小、列车速度以及曲线半径。

2)城市轨道列车在高架桥上受强风影响，受力复杂多变，笔者没有考虑到桥梁—轨道—车辆在多场作用下的耦合，以后有待深入研究。所以，为使城市轨道列车在高架桥上安全运行，建议结合实际，参照表6中的最高限速值指导列车的安全运行。

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［2］任尊松，徐宇工，王璐雷.强侧风对高速列车安全运行性影响研究［J］.铁道学报，2008(6):46-50.

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［6］翟婉明.车辆-轨道耦合动力学［M］.北京:科学出版社，2007.

［7］王璐雷.高速列车在强侧风作用下的气动性能数值模拟研究［D］.北京:北京交通大学，2005.

［8］宋洋，任尊松.强侧向风作用下的高速列车动力学性能研究［J］.铁道车辆，2006，44(10):4-7.

［9］高广军.强侧风作用下列车运行安全性研究［D］.长沙:中南大学，2008.

Safe Operation of Beijing’s Railway Train on the Viaduct under Strong Crosswinds

Peng Hua Zhu Bocheng Cai XiaopeiHou Bowen
(School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044)

Abstract:Urban rail trains can be endangered by strong crosswinds.To solve of the problem of safe operation under strong crosswinds，SIMPACK software is used to establish a threedimension dynamic simulation model of the train running on the viaduct in Beijing Metro Line 13 and Changping Line.U-sing the aerodynamic simulation data of the high－speed train under crosswinds load，the paper deduced the train wind loads at low speeds，and analyzed dynamics performance of the trains on viaduct curve segments under strong crosswinds.The results showed that the parameters of wheel－rail such as wheel rail lateral force，derailment coefficient，and rate of wheel load reduction increased obviously under the influence of strong crosswinds.Finally，the paper put forward the maximum reference value of train speeds for different radius curves for safe operation under strong crosswinds.

Key words:urban rail transit;safe operation;strong crosswinds;SIMAPACK;dynamics simulation;rate of wheel load reduction;top speed

U231+.4

A

1672-6073(2014)01-0063-05

10.3969/j.issn.1672-6073.2014.01.016

收稿日期:2013-05-10

2013-06-28

作者简介:彭华，男，副教授，道路与铁道工程方向，hpeng@bjtu.edu.cn

中央高校基本科研业务费专项资金(2012JBZ011);国家自然科学基金资助项目(51108025)

随着城市轨道交通的发展，线路正迅速延伸至城市远郊区，一般情况下这些地段都将优先考虑采用高架线路或地面线路的形式。强风对行车安全的威胁主要来自侧向风(横向风)产生的横向阻力。侧向风速越高，车速越高，对列车的倾覆威胁就越大。加上地铁列车车辆的轻量化，导致其抗风能力减弱。随着极端天气发生的频率越来越高，危害越来越大，对地铁高架桥梁在强风(尤其是强侧风)条件下“车-线-桥”系统的危险因素进行监测，量化指标、分级响应，最大限度地防范风险、规避灾害，保障列车安全运行，成为当前亟须研究的课题。针对强侧风的影响，德国、日本等国家已开发出可根据风速的大小对列车车速实施同步调节的侧风预警系统［1］，目前我国也在开发车载侧风安全预警和控制系统。为了更好地揭示在强侧风影响下列车的运行状况，借助SIMPACK软件建立车辆-轨道分析模型，以推导出的列车在低速行驶下的风荷载数据作为外界输入条件［2］，分析了强风条件下的列车运行安全参数，提出了列车安全运行的速度阀值。

(编辑:曹雪明)