高速列车通过防风过渡段的运行安全性研究

邢璐璐，寸冬冬，董孝卿

(1.中国铁道科学研究院，北京 100081；2.北京纵横机电技术开发公司，北京 100094；3.北京交通大学 机械与电子控制工程学院，北京 100044； 4.中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京 100081)

随着高速铁路的快速发展，许多国家对列车运行速度提出了更高的要求，目前我国高速动车组列车的最高运行速度已经达到350 km/h。为了实现高速运行要求，通常会对车辆进行轻量化设计，但与此同时也面临其他一些问题的挑战，如气动荷载对高速列车的扰动，影响了旅客的乘坐舒适度；强风作用下还会造成车辆倾覆，在日本至今就有超过50起的记录[1]。在全球范围内的车辆倾覆事故中，风速通常大于30 m/s，而车辆的运行速度通常低于120 km/h[2]。

本文针对动车组建立动力学仿真模型，加载防风过渡段实测风载的等效荷载，分析车辆通过防风过渡段时的运行安全性。

1 实测风载

实车试验时，通过在动车组的头车、中间车以及尾车上布置压强测点来测量车辆所受到的风压，其中在头车迎风侧和背风侧分别布置7个对称的测点，可得到测点压力随时间的变化规律。测量结果表明：两侧压差突变最多的是过渡段，经常出现车体两侧压差(横向力)变向的情况，即由正变负或由负变正，这可能会造成车辆横向晃动，对车辆的安全性产生影响；头车上测量的压差较中间车和尾车更大。因此，本文选取头车通过过渡段时测量的数据进行分析。将测点上的压强通过下列公式等效成作用在车体中心的横向力、侧滚力矩以及摇头力矩，结果见图1。

图1 过渡段等效风载

(1)

(2)

(3)

式中：Fy，Mx，Mz分别为风载等效在车体质心的横向力、侧滚力矩、摇头力矩；Δpi为车体两侧第i个对称测点的压差；si为第i个测点对应的等效面积；lzi为第i个测点和质心之间z方向距离；lxi为第i个测点和质心之间x方向距离。

2 模型建立

建立车辆的多体动力学模型，包括1个车体、2个

构架、4个轮对、8个轴箱，其中车体、构架及轮对各有6个自由度，轴箱相对轮对有1个绕轴向的转动自由度，共50个自由度。另外还在轴箱与构架之间建立了一系悬挂装置，用5号力元(Spring-damper Parallel Component)表示一系弹簧，6号力元(Spring-damper Serial Point to Point)表示一系垂向减振器；在构架与车体之间建立了二系悬挂装置，用5号力元表示空气弹簧、二系横向止挡，6号力元表示二系横向减振器、二系垂向减振器、抗蛇行减振器,13号力元(Spring-damper Rotation Measurable-input Component)表示抗侧滚扭杆。其中，抗蛇行减振器和横向止挡具有非线性特性。车轮踏面为XP55，钢轨型面为CHN60，轨底坡设置为1∶40。

在直线线路上，加载实测的京津城际轨道不平顺，模拟车辆以200 km/h速度通过。将仿真数据与车辆以200 km/h速度运行的实测数据进行对比，对比结果见图2。

图2 横向加速度仿真数据与实测数据对比

图2(a)、图2(c)为车体横向、垂向加速度仿真数据与实测数据的对比结果，二者幅值基本一致。图2(b)为车体横向加速度的功率谱密度(Power Spectural Density，PSD)，从中可以看出，实测的车体横向加速度PSD的主频范围为1.5～2.0 Hz，仿真的车体横向加速度PSD的主频为1.7 Hz，二者非常接近。图2(d)为车体垂向加速度PSD，实测的车体垂向加速度PSD的主频为1.0 Hz，仿真的车体垂向加速度PSD的主频为0.9 Hz，二者非常接近。因此，仿真模型可以较准确地反映实际车辆。

3 车辆通过防风过渡段的运动机理分析

加载如图1所示的等效风载，风载的作用起始时间为3.25 s，模拟车辆以160 km/h的速度通过某防风过渡段(长77 m，记为A过渡段)。计算结果见图3、图4、图5。

图3 轮对横移量及冲角图4 轮轨间作用力图5 空簧高度

从图3—图5可以看出：1位轮对右侧(迎风侧)车轮在3.6 s时开始向左横移，导致左侧(背风侧)车轮滚动圆半径增大，右侧车轮滚动圆半径减小，当转向架继续向前运行时，左侧车轮运行距离大于右侧车轮，则会产生一个顺时针的冲角，见图3，右侧车轮的横向位移先达到反向最大，此时轮对横移小于8 mm，未发生轮缘接触，之后轮对的冲角达到最大值。在轮轨蠕滑力、二系横向减振器、横向止挡等的作用下，轮对向右横移，当轮对横移达到最大值10 mm时，车轮轮缘与钢轨贴靠，产生一个横向冲击力，导致轮轨横向力和垂向力发生突变，见图4。同时，右侧空簧拉伸达到最大，右侧车轮减载，左侧空簧压缩达到最大，左侧车轮增载，见图5，车体的侧滚运动达到最大。

4 车辆运行安全性分析

4.1 车辆以不同速度通过A过渡段

模拟车辆以不同速度通过A过渡段，仿真得出车辆运行安全性指标，见表1。

表1 不同运行速度下车辆运行安全性指标

运行安全性指标评价标准：倾覆系数采用GB 5599—85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》中规定的限值0.80；其他安全性能指标参考铁运〔2008〕28号《高速动车组整车试验规范》中规定的限值，其中脱轨系数限值为0.80，准静态轮重减载率的限值为0.65，动态轮重减载率的限值为0.80。

轮轴横向力限值Hlim的计算公式为

Hlim=10+P0/3

(4)

式中：P0为静轴重。

取P0=129 kN，计算得出轮轴横向力限值为53 kN。从表1中可以看出：①在A过渡段内，不同速度等级下，倾覆系数均未超限。②车辆速度小于等于90 km/h时，风载作用时间较长，车辆的各项安全性能指标都较小。③车辆在100～160 km/h速度区间内运行时，车辆的脱轨系数、轮轴横向力以及轮重减载率都较大。其中，车速140，160 km/h时，脱轨系数、轮轴横向力、轮重减载率均超过限值。④在高速区段，即车辆速度大于160 km/h，风载作用时间较短，车辆的运行安全性指标较小。

综上可以得出：车辆通过防风过渡段，在风载作用下，车辆运行安全性会受到车辆通过速度以及风载作用时间的影响。

4.2 风载作用时间对车辆运行安全性的影响

为了研究速度不变、风载作用时间不同时车辆的运行安全性，在等效风力、运行速度不变的前提下，通过对风载曲线的时间轴乘以不同的系数来改变过渡段的长度。分析风载作用时间分别为1.12，1.40，1.68 s(风载作用起始时间分别为2.40，3.00，3.60 s)时，车辆以160 km/h速度通过时的轮轨横向力、轮轨垂向力、轮轴横向力、脱轨系数以及轮轨接触变化。

图6为风载作用时间1.12 s时的轮轨作用力和脱轨系数。可以看出：风载作用时间较小时，车轮与钢轨为1点接触，在风载作用下，轮轨横向力和轮轨垂向力突变值较小，脱轨系数在轮对横向位移达到最大的时刻有极值，但并非最大值。

图6 风载作用时间1.12 s时的轮轨作用力和脱轨系数

随着风载作用时间的增加，轮轨横向力和垂向力的突变增大，但车轮轮缘未与钢轨接触，轮轨垂向力的突变不明显，这种情况下，脱轨系数在轮对最大横向位移的时刻达到最大值，但未超限，见图7。

图7 风载作用时间1.40 s时的轮轨作用力和脱轨系数

图8 风载作用时间1.68 s时的轮轨作用力和脱轨系数

随着风载作用时间的进一步增大，在轮对最大横向位移的时刻，车轮与钢轨发生2点接触，车轮轮缘撞击钢轨，轮轨横向力和垂向力产生明显的突变，脱轨系数达到最大，且超过规定限值，见图8。因此，当风载在车体上有较长的作用时间时，使得车轮与钢轨发生2点接触，轮缘撞击钢轨，轮轨横向力与垂向力发生突变，造成脱轨系数超限。

为了进一步验证风载作用时间及车辆速度对运行安全性的影响，在风载作用力大小不变的情况下，仿真车辆在不同速度、不同风载作用时间下的车辆运行安全性。从表1中可以看出，不同运行速度和风载作用时间下，脱轨系数比较敏感，因此图9只给出了车辆的脱轨系数，其中t1=1.55 s,t2=1.77 s,t3=2.12 s。

图9 不同车辆运行速度、不同风载作用时间下车辆的脱轨系数

从图9中可以得出：①当车辆运行速度一定时，脱轨系数随着风载作用时间的增加而增加，当风载作用时间超过一定值时，脱轨系数在一个较大的值附近振荡。②当风载作用时间一定时，随着运行速度的增加，脱轨系数基本呈现增加的趋势。③当车辆运行速度小于等于90 km/h时，无论风载作用时间长短，脱轨系数均小于限值。④当车辆运行速度为100～110 km/h时，为保车辆运行安全，风载的作用时间需小于t3。⑤当车辆运行速度为120～250 km/h时，由于t1,t2非

常接近，为保证车辆运行有一定的安全裕度，因此，风载的作用时间需小于t1。通过计算，可以得出为保证车辆运行安全，防风过渡段长度l与车辆运行速度v的关系为

(5)

因此，在高速动车组列车通过过渡区时，在风载一定的情况下，为保证车辆运行安全性，首先，可以限制车速低于90 km/h通过；其次，如果要保证车速，则可通过式(5)来计算出过渡段的长度，要求车辆通过过渡段的时间足够短，即车速100～110 km/h时，风载作用时间需小于2.12 s，当车速120～250 km/h时，风载作用时间需小于1.55 s。

4.3 风载大小对车辆运行安全性的影响

为了分析风载大小对车辆运行安全性能的影响机理，在风载作用时间为1.40 s，风载增大1.6倍的情况下，分析车辆以160 km/h速度通过A过渡段的轮轨轨间作用力、脱轨系数等安全性能指标的变化。

大风载作用下车辆安全性能仿真结果见图10。可知，当风载较大时，轮对向左侧(背风侧)横移超过10 mm，左侧车轮与钢轨发生2点接触，车轮轮缘与钢轨接触维持0.1 s，轮缘爬轨，同时产生较大的轮轨间作用力，此时，脱轨系数、减载率及倾覆系数均超限，车辆有爬轨脱轨及倾覆脱轨风险。之后当轮对向右侧(迎风侧)移动时，右侧车轮与钢轨发生2点接触，此时产生最大的轮轨横向力和垂向力，脱轨系数及减载率超限，倾覆系数未超限；随后车轮产生跳轨，此时的横向力和垂向力都为0，减载率超限，车辆发生减载跳轨；后恢复到踏面与钢轨的1点接触，之后轮缘又与钢轨发生2次撞击，轮缘与钢轨接触时间很短，产生较大的轮轨横向力及垂向力，但安全指标均在限值内。相比图8，图10中车轮与钢轨的接触更为复杂。

图10 大风载下车辆安全性能

为了研究车辆通过A过渡段时风载大小对车辆运行安全性的影响，在A过渡段内，模拟车辆在不同风况(见表2)下以不同速度通过时的运行安全性。车辆的运行速度从50～250 km/h逐级变化。

不同风况及不同速度等级下的脱轨系数、轮轴横向力、减载率的计算结果分别如图11—图13所示。

表2 不同风况下风载倍数

图11 脱轨系数

图12 轮轴横向力

图13 轮重减载率

可以看出，在速度一定的情况下，脱轨系数、轮轴横向力、减载率随着风载的增大呈现增大的趋势；而风况一定时，脱轨系数、轮轴横向力、减载率在中间速度等级的指标最大，如图11—图13中呈现的拱门形状，原因即为前文所提到的，随着速度的增加，安全性指标增大，但同时，速度增大，车辆通过过渡段的时间减少，风载的作用时间较短。

图14 倾覆系数

图14为倾覆系数与风载大小及车辆运行速度的关系。可知，风况5下，当车辆运行速度小于等于160 km/h 时，倾覆系数超过限值。另外，当车辆以大于160 km/h速度通过时，倾覆系数较小，这是由于风载作用时间较短，但是此时车辆的其他安全性指标超限。其他风况下，倾覆系数均小于0.8。由此说明，倾覆系数受车辆运行速度的影响较小，而受风载大小及作用时间的影响较大，也就是说，即使在速度很低的情况下，若风载大小及作用时间达到一定值时，车辆也会出现倾覆现象。

通过以上分析可知，在车辆通过A过渡段时，风况1下，车辆以不同速度运行时的安全性指标均在限值范围内；风况2，3和4下，以80 km/h的速度运行，车辆运行安全；风况5下，由于风载太大，车辆低速通过时即会有倾覆脱轨风险，高速通过时车辆会有减载脱轨风险。

5 结论

本文将试验列车测量到的过渡段风载数据，加载到高速动车组多体动力学仿真模型上，计算车辆在过渡段风载作用下的运行安全性，得到如下结论。

1)车辆通过过渡段时，车辆运行安全性受车辆运行速度和风载作用时间以及风载大小的影响。

2)风载的作用时间及车辆的运行速度对脱轨系数、轮轴横向力以及减载率影响较大，而风载的大小对倾覆系数的影响较大。

3)文考虑的是短时突变风载的作用，未来工作中需分析在稳态风载作用下车辆的运行安全性。