大风工况动车组运行速度限值研究

许自强， 何德华, 于卫东

(中国铁道科学研究院　机车车辆研究所, 北京 100081)



大风工况动车组运行速度限值研究

许自强， 何德华, 于卫东

(中国铁道科学研究院机车车辆研究所, 北京 100081)

对于高速动车组，在风区会设置挡风墙以保证大风环境下的列车运行安全、提高列车运行速度。通过对高速动车组气动特性以及轨道动力学特性的综合分析可以得出列车安全运行极限速度。本文主要针对兰新客运专线采用的CRH2C型动车组展开研究，采用模拟仿真的方法，分析车辆运行速度、不同线路条件、不同风载荷情况下列车安全性能。分析发现：当风速大于30 m/s，动车组最高运行速度为160 km/h；当风速小于20 m/s，动车组最高运行速度250 km/h。通过仿真分析，得到了兰新客运专线CRH2C型动车组大风风速与列车最高安全运行速度之间的关系，为兰新客运专线高速动车组运行大风工况运行限速提供理论依据。

兰新客运专线； 动车组； 大风； 轮轨动力学； 运行速度限值

环境风对高速动车组的运行平稳性、安全性影响很大，过大的风速不但影响乘客的舒适度甚至会威胁运行安全。为了保证高速动车组的运行安全，司机必须根据风速的大小对动车组的运行速度进行及时调整[1-2]。

针对大风条件下，高速列车的空气动力学、动力学问题，国内外科研人员开展了大量的研究工作。一些科研人员通过对横风效应所引起的安全性问题进行了分析，把计算流体力学和动力学仿真结合起来对高速列车的安全速度进行了研究[3-8]，研究将列车的几何外形进行了过度简化，并将横风风场取为均匀风，但是由于过度简化，导致了分析环境与实际运行状态差距较大，分析精度并不高；还有些科研人员将不同的风载模型，以激扰的形式输入动力学模型中研究车辆的运行性能[9-12]，由于输入的风载与实际风载不同，分析得到的结果与实际情况有误差。

以我国CRH2C型高速动车组为研究对象，分析该型高速动车组在平原高路堤、桥梁上两种环境下运行的列车性能。首先，根据改型动车组真实外形进行详细建模，采用STAR-CCM+软件对高速列车以不同行驶速度在不同风速横风中运行时的气动特性进行仿真分析。其次，将计算的六向风载以时间函数的形式输入SIMPACK软件进行动力学仿真分析。最后通过分析结果，初步得到线路设置挡风墙结构后的横风作用下，CRH2C型高速动车组的最大安全运行速度限值与横风风速之间的关系，为动车组实际运行限速提供依据。

1　横风作用下高速列车的空气动力学分析

通过模型试验，确定了数值模拟方法的适用性，对CRH2C型高速动车组在平原上运行的横风效应进行分析。

1.1计算模型

由于列车中部截面不变，缩短的模型不改变列车流场结构的基本特征[6]，模型采用3辆车编组，即头车+拖车+尾车，考虑真实的转向架、受电弓和风挡等结构。

主要计算工况和条件是：

(1)路况参考兰新第二双线路堤(高10.89 m，单侧4 m高挡风墙)与桥梁(高40.9 m，设置双侧3.5 m挡风屏，挡风屏上方2 m为20%透孔，下方为10%透孔)；

(2)计算车速为120,160,180,200,250,275 km/h；横风采用大气底层边界速度型，风速分别为10～60 m/s，横风风向角为90°，共120个组合工况进行气动荷载模拟计算；

(3)采用相对运动模拟列车附近的外流场。使用剪切应力输运SST模型湍流模型，流场内黏性流体为可压缩、定常流动。用有限体积法(FVM)将控制方程离散，扩散项用二阶精度中心差分格式离散，用分离式解法对离散后的控制方程组求解。使用SIMPLE法耦合压力-速度场，压力采用迭代法修正。

1.2计算域及网格划分

流场计算模型参照文献[8]，计算域的长度为420 m、宽度为420 m、高度为100 m。列车头部鼻尖处到计算域前端边界距离取120 m，尾部距计算域后端边界距离取300 m，横风入口距列车的距离取120 m，横风出口距列车的距离取300 m。采用六面体网格，在车体表面及地面处生成边界层网格，加密尾流、列车表面和受电弓等流场变化较大区域的网格。整个计算区域的网格总数约为3 100万个，动车组附近网格如图1所示。

图1　动车组附近网格划分

1.3气动作用力计算

将列车各个壁面上每个单元受的压力值进行面积积分，即可得到该面受到的气动力值，将这些力向某一点简化，即可得到相应的气动力矩值[13]。

(1)

其中Fpx、Fpy、Fpz分别为空气压差阻力、空气压升力和空气压差横向力；Fτx、Fτy、Fτz分别为表面空气摩擦阻力、表面空气摩擦升力和表面空气摩擦横向力；Pbx、Pby、Pbz分别为列车的表面压力Pb在x、y、z向的分力；τix、τiy、τiz分别为表面切应力τ在X、Y、Z方向上的分量；SF为列车的外表面积,m2。

由于高速列车是由多节相对独立的车辆编组在一起的，列车的整体失稳也是由某节或某几节车辆失稳引发的，所以分析列车的气动力矩实际上是分析车辆的气动力矩[13]。车辆空气力矩是由空气阻力、升力、横向力共同作用，绕三个坐标方向产生的力矩，包括侧滚力矩(绕x轴)、点头力矩My(绕y轴)和摇头力矩Mz(绕z轴)。

(2)

Fxk、Fyk、Fzk分别为车辆阻力、升力、横向力(N)，下标k代表车号；lij是方向的空气力到力矩原点在j方向的距离(m)，下标i=x、y、z；j=x、y、z；其中i为空气力方向的下标，y为空气力与力矩原点距离方向的下标，如lxy即为x方向的空气力到力矩原点沿y方向的距离。

1.4高速列车的气动荷载

经过仿真计算发现，横风通过路堤时风速在路堤顶部达到最大，并且将在挡风墙背面形成涡流，虽然桥梁高度高于路堤，但是横风的流场较路堤更加均匀，所以路堤工况比桥梁工况的横风载荷大。由于工况较多，仅在表1中列出了部分路堤工况的计算结果。

表1　车速250 km/h时，部分横风载荷的瞬时最大值

从表1中发现，在这两个速度的横风作用下，中间车受到的风载最大，而且6个方向载荷中侧向力以及摇头力矩的数值最大，对动车组运行性能影响贡献最高。

2　横风作用下高速列车的动力学仿真

2.1动力学仿真模型

根据CRH2C型高速动车组的结构参数与悬挂参数，建立了CRH2C型高速动车组的动力学模型，如图2所示，模型充分考虑了车体、构架、轮对、轴箱转臂等车体大部件。

在实际运行中，动车组车间设置有横向、垂向阻尼，可以显著减小摇头力矩的作用，所以本文建立了3节连挂的动车组模型。在模型中，相邻动车车辆间考虑了对称布置的横向、垂向减振器，其作用主要是降低动车的摇头力矩。动车间还采用了具有三向刚度的弹簧力元模拟钩缓装置，传递列车间的纵向力。

2.2动力学仿真结果

图3～图6为动车组运行速度180，200，250，275 km/h，横风风速25～45 m/s的各项动力学指标计算结果，其中风载以6个方向行星力的形式持续施加于车体上。

图2　CRH2C型高速动车组的动力学模型

图3　轮轴横向力

图4　脱轨系数

图5　轮重减载率

图6　倾覆系数

从图中可以看出，随着运行速度、横风风速的增加，动车组的运行性能将显著降低。由于风速30,35 m/s这两个工况，动车组受到的风载有较大的波动，动力学指标在30 m/s工况迅速增加，到了35 m/s又有一定下降。从图5、图6发现，横风作用下轮重减载率大于倾覆系数，因为单个轮对在横风作用下可能出现抬起的现象。

3　列车运行速度安全域分析

对动力学计算结果进行整理，以表2的标准对动车组的安全性能进行评价，一共将动车组运行性能分成3类，分别是安全、合格、超标，对应不同的轮轴横向力、脱轨系数以及动态轮重减载率范围(以3个指标中最差的那个指标为准)。其中安全的范围为小于规定限制值的80%，在限制值80%～100%为合格，超过限制值为超标。

表2　列车运行性能考核指标

表3　列车在不同运行速度时风速的安全运行限制值

通过对CRH2C横风动力学性能校核得到的列车运行安全运行域见表3。从表3中可以看出，在有风挡的路堤上运行，当列车车速为275 km/h时，环境风速应不大于25 m/s；当列车车速为250 km/h时，为了运行安全环境风速应不大于35 m/s；当列车车速为200 km/h时，列车受到的横风不能大于30 m/s；如果列车车速下降至180 km/h及以下，列车可以在50 m/s的横风下安全运行。

4　横风作用下列车运行速度限值

原铁道部《铁路客运专线技术管理办法(试行)》(200～250 km/h部分)第172条关于动车组列车遇大风行车限速的规定如下：

当环境风风速不大于20 m/s时，列车可以正常速度运行；当环境风风速不大于25 m/s时，列车运行速度不能超过200 km/h；当环境风风速不大于30 m/s时，运行速度不能超过120 km/h；环境风风速大于30 m/s时，严禁动车组列车进入风区。

兰新第二双线设置防风结构后，根据仿真计算结果发现兰新第二双线设置防风结构后，列车运行安全速度有了提升，如表4所示。

表4　横风作用下的列车运行速度安全区域

*系列1：现有计规规范；系列2：安装挡风墙后的计算结果。

在设置挡风墙后，当风速大于30 m/s，只要车速降低至160 km/h，动车组可以安全运行，而技规在此速度需要轮；当风速为20 m/s，动车组可以以最大运营速度250 km/h运行，与技规一致；当风速不大于20 m/s，动车组在275 km/h的运行速度下也是安全的。综上所述，挡风墙的建立可以提高环境风速大于20m/s时的动车组运行速度。

5　结　论

通过对兰新二线设置挡风墙以后的高路堤、桥梁路段空气动力学、列车动力学仿真分析，得到了以下结论：

(1) 风载对动车组动力学的影响基本增加的趋势，即风速越大动车组性能越差；计算发现当风速为30 m/s时，动车组的动力学性能有较大的降低；

(2) 设置挡风墙可以有效的降低强风对动车组运行性能的影响，相比无挡风墙结构，计算发现当风速大于30 m/s，只要车速降低至160 km/h，动车组可以安全运行；当风速不大于20 m/s，动车组可以以最大运营速度250 km/h运行。

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Research on Limit Operational Speed of CRH Train under High-speed Wind Condition

XU Ziqiang, HE Dehua, YU Weidong

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

For High-speed EMU trains, the wind-break wall had been set to ensure the train operation safety and increase the operational speed under wind condition. Based on the comprehensive analysis of aerodynamic characteristics and wheel/rail dynamics, the limit speed of EMU trains can be concluded. This article mainly aims at CRH2ctrain which running at the Lanxin passenger line, using simulation method to analysis the train safety performance under different running speed, line conditions and wind load. The results indicate that: when the wind speed is larger than 30 m/s, the maximum speed of CRH trains are 160 km/h; when the wind speed is smaller than 20 m/s, the maximum speed of CRH trains are 250 km/h. Through simulation, the relationships between wind speed and maximum operational safety speed have been revealed which provides theoretical basis of CRH trains operational speed limit under high wind condition.

lanxin passenger line; EMU trains; high speed wind; wheel/rail dynamics; limit operation speed

1008-7842 (2016) 01-0039-05

��)男，助理研究员(

2015-08-14)

U260.11+1

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.09