交会列车横向稳定性研究

董亚男

(辽宁铁道职业技术学院，辽宁 锦州　121000)



交会列车横向稳定性研究

董亚男

(辽宁铁道职业技术学院，辽宁 锦州121000)

摘要：高速列车在运行时，车体与空气之间会发生强烈的相互作用，使车体附近绕流改变，对列车产生气动力作用。列车会车过程中，车体周围绕流改变更为明显，其横向稳定性受到影响。借助CFdesign软件的动网格技术，模拟高速列车动态交会过程，定量分析会车过程对列车横向稳定性的影响，确定会车过程中列车的最危险时刻。

关键词：会车；高速列车；横向稳定性；数值模拟

交会时的高速列车，其外部绕流改变更为明显，列车横向稳定性受到影响。国际上广泛采用风洞试验和仿真计算研究列车的横向稳定性问题。本文借助CFdesign软件的动网格技术，模拟列车动态交会过程，定量分析会车过程对列车横向稳定性的影响，确定会车过程中列车的最危险时刻。

1计算模型

模拟计算中物理模型以高速动车组CRH2为原型，将列车长度缩短至76 m，包含头车、中间车和尾车3节，整车简化为连续刚体，表面光滑。数学模型是由连续性方程、动量方程、k-ε方程、绝热方程和气体状态方程等构成的封闭方程组。

2气动力定义

对列车所受气动力和力矩进行如图1的定义，包括反映列车横向稳定性的侧向力Fy、侧倾力矩Mx和侧偏力矩Mz，以及列车所受阻力Fx、升浮力Fz和仰俯力矩My。

图1　列车气动力

3计算结果分析

3.1会车时横向气动力分析

对比时速350 km/h单独行驶和等速会车两种情况下，高速列车受到的侧向力。如图2所示，在会车的整个过程中，列车受到不稳定的横向气动力作用，横向稳定性相比单独运行时变差。有两个时刻列车侧向力明显增大，一是两车头车完全交会时，二是两车开始分离时。其中，头车完全交会时列车受到的侧向力达到最大，此时横向稳定性最差。

(a)两种工况下列车侧向力

(b)会车时各节车和整车侧向力

如图3(a)，开始会车时，侧倾力矩急剧增大，两列车的头车完全交会时增至最大；两列车从会车位置开始分离时，侧倾力矩增至反向最大值。产生剧烈变化的侧倾力矩是由于列车头部正压中心位置较低，会车时列车下半部压力值显著高于上半部，列车产生向会车内侧倾覆的趋势；两车从会车位置开始分离时，列车下半部负压显著增大，列车产生向会车外侧倾覆的趋势。如图3(b)，开始会车时，车头向内倾覆趋势最明显，两车从会车位置开始分离时，车尾向外侧倾覆趋势明显。

(a)两种工况下列车侧倾力矩

(b)会车时各节车和整车侧倾力矩

通过分析可知，会车时，列车的横向稳定性显著下降，容易产生横向摇摆现象。以侧倾力矩衡量列车倾覆的危险性，有两个时刻列车最易发生倾覆危险，一是在两列车的头车完全交会时，列车向会车内侧倾覆危险最大，二是在两车开始分离时，列车向会车外侧倾覆危险最大。从数值上衡量，两车开始分离时力矩绝对值最大，此时最易发生倾覆危险。

如图4，会车时，列车的侧偏力矩急剧增大，头车完全交会时力矩达到峰值，力矩的方向为车头向会车外侧偏转；两车从会车位置开始分离时，侧偏力矩反向增至最大，力矩的方向改变成车头向会车内侧偏转。

(a)两种工况下列车侧偏力矩

(b)会车时各节车和整车侧偏力矩

通过分析可知，在列车交会过程中，列车的车头和车尾容易发生摆动。当两列车的车头完全交会时，列车侧偏力矩达到峰值，容易造成车头向会车外侧脱轨。

3.2会车速度对横向稳定性影响

如图5、图6、图7，在两列车车头完全交会和两车开始分离这两个危险时刻，列车所受侧向力、侧倾力矩和侧偏力矩均随着会车速度的提高而增大。

图5　不同会车速度下的侧向力

图6　不同会车速度下的侧倾力矩

图7　不同会车速度下的侧偏力矩

表1是不同会车速度下列车横向气动力计算值。由表1可知，列车头车交会时，列车横向气动力出现第一个峰值，350 km/h会车时的侧向力约为200 km/h会车时的3倍，侧倾力矩约为2.8倍，侧偏力矩约为2.3倍；两车开始分离时，横向气动力出现第二个峰值，350 km/h会车时的侧向力约为200 km/h会车时的2.3倍，侧倾力矩约为1.9倍，侧偏力矩约为2倍。随着会车速度的不断提高，列车的横向气动力显著增大，横向稳定性明显减弱。

表1　不同会车速度下的列车横向气动力

4结语

列车所受横向气动力在会车过程中产生一个气动力波，峰值分别出现于两车头车交会和两车从会车位置开始分离时。在两车头车交会时刻，列车受到的侧向力和侧偏力矩最大，列车有车头向会车外侧侧偏或车尾向会车内侧侧偏的趋势，此时最易脱轨。在两车从会车位置开始分离时，列车受到的侧倾力矩最大，此时列车最易向会车外侧倾覆。列车的横向气动力随会车速度的提高而增大，横向稳定性减弱。

参考文献

[1]郗艳红.横风作用下高速列车气动特性及运行安全性研究[D].北京：北京交通大学，2012.

[2]田红旗.列车空气动力学[M].北京：中国铁道出版社，2007.

[责任编辑：赵伟]

Research of the Horizontal Stability of Crossing Trains

DONG Yanan

(Liaoning Railway Vocational and Technical college，Jinzhou 121000,China)

Abstract:When high-speed trains running, strong interaction will happen between the air and trains. The interaction will change the flow field around the trains and the aerodynamic force on the trains.When trains crossing, the flow field changes more obviously, the horizontal stability is affected. With the moving grid technique of CFdesign, the article simulates the crossing process of two trains, researches the horizontal stability of crossing trains, and determines the most dangerous moment in the process of passing trains.

Key words:crossing trains; high-speed trains; horizontal stability; numerical simulation

中图分类号:U260.1

文献标志码:A

文章编号：1008-6811(2016)01-0019-03

作者简介：董亚男(1983—)，女，辽宁锦州人，辽宁铁道职业技术学院机车车辆系讲师，硕士，主要从事铁道机车车辆、列车空气动力学等方面的研究。

收稿日期：2015-12-20