侧风对高铁车辆安全性影响分析

徐宏伟

摘 要 随着高铁网络经营的疾速进步和列车速度的加快，列车与空中交互的动态需要得到解决。本文对侧风环境下车辆的运转姿势和操作安全性进行了仿真剖析，提出了进步侧风稳定性的方法。结果表明，在给定的变动范围内，每个悬架参数对列车运转安全性的影响不明显。而后，提出半自动动横向阻尼器和主动抗崎岖扭杆安装来克服由侧风惹起的车辆振动。这两项办法的管制效果与Simpack软件和Matlab/Simulink控制模块相结合。

关键词 高铁列车 侧风 运行姿态 运行安全 悬挂参数 抗风措施

中图分类号：U298.1文献标识码：A

关于高速铁路运用，侧风扰动是一个既不确定又重要的平安要素。然而，侧风扰动的主要负荷特性（称为风荷载特性）尚不清楚。结合当前对高速铁路应用的需求，必须从保守的稳定性和稳健性角度确定风荷载特性。从我国高铁应用的安全性和经济性的角度来看，风荷载个性的研究是一项十分迫切的研究课题。因此，从高速铁路车辆安全性的角度动身，本文首先探讨了曲线经过轮轨安全和尾端车辆稳固状态的两个问题，以阐明横风扰动的重要性。

1车辆系统动力学模型

在分析风荷载下高速列车的安全性时，通常创建高速列车的动态模型。风速工夫序列用作系统的动态激活输入，Simpack软件用于在时域中计算和求解。为了保证计算结果的合理性，脉动风速时间尽量与自然风的特性接近。

基于中国高速列车的结构参数，本文采纳Simpack多体动力学软件创立车辆模型。在本文中，选择高速动车组的头车进行动态研究，因为头车的动力性能在侧风环境中是最差的。悬架系统包含一系列悬架安装和二级悬架装置，主要撑持车身，传递纵向力，隔离轨道扰动传递的振动，并克制车辆的蛇运动。第一悬挂装置包含一系列弹簧，一系列垂直阻尼器和一系列定位节点;第二悬架装置包括空气弹簧，两级横向阻尼器，双线垂直阻尼器和防蛇形减振装置、抗滚动扭杆。

本文主要研究侧风对列车运行安全性的影响，因而有必要对模型进行简化，忽略影响较小的因素，因此假设如下：

（1）考虑到悬架系统更灵便，轮对，车架和车身可视为刚体;

（2）因为车辆系统是一个复杂的非线性系统，故能够方便地对某些非线性关系的非线性线性化进行建模。

车辆系统非线性主要体现在轮轨接触关系非线性以及悬挂参数非线性。轮轨非线性接触关系是指轮轨蠕化力与轮对横移、点头运动之间的非线性关系，是由接触几何非线性、接触理论非线性和蠕滑系数非线性等引起的。在悬挂装置中，一系列双系列横向垂直减震器、抗蛇节流减震器和卧式止振器具有非线性特性。

2侧风作用下的列车通过安全问题

2.1运行安全性指标

本节探讨这些安全指标与不同风速下的风向和车速的关系。

在侧风环境下，列车车体遭到比较大的横向力，车身的横向驱动车轮对横穿左右车轴的横向力的准静态断裂。轴的过大的侧向力招致线路中的稳固性问题，进一步影响列车的操作安全性。

（1）当车速和风速恒定时，轴的横向力在风向角处为90按锏阶畲笾？当风向角为锐角时，轴的横向力大于约90啊？

（2）当风速和风向角固定時，轴的横向力随着车速的增加而增加。

车身的横向加速度是车辆稳定性的指标。国内外高速铁路设计评价指标存在一定差异。根据规定，车体横向加速度的高速铁路极限指标为0.5m/s2。

当列车以直线行驶时，车轮踏板与轨道正常接触，并且当曲线通过时，由于离心力和侧风效应，列车脱轨并爬上轨道。

2.2轮轨作用安全问题

当低于曲线的曲线通过时，当过低的低弯曲线通过时，轴的横向力似乎完全由外轮承受，增加脱轨或倾翻事故的风险。根据脱轨事故产生机理的调查研究，车轮减载是形成脱轨事故的首个要素之一，因此型式实验提出了针对三角坑轨道弊端的静态脱轨试验。

3车辆系统悬挂参数对运行安全性的影响

对于高速转向架，二线悬架采用德国空气弹簧，其动态刚度在高频激励的作用下增加。该系统的悬架由轴箱钢弹簧和一系列垂直减震器组成。随着扰动频率的放大，其动态刚度降低，但相位呼应滞后。因而，高速悬架个性具备以下两个特征：（1）无论高频激励还是低频鼓励，二次悬架和抗滚动扭杆配合构成高阻抗。（2）悬架不同，难以形成高频阻抗。为此，应该运用倾翻系数作为比例来判别。倾翻系数是转向架（2个）内部的总减载率。

4结论

因为中国列车空气动力学探讨的相对滞后，本文无法对侧风扰动对高速铁路行驶的安全影响作出明确的论断，但应明确认识到以下几点：

（1）因为其特殊性高速铁路悬架特性性别，即随着车辆速度的增加，空气弹簧悬架的动态刚度（或阻抗）也迅速增加，抗倾覆能力降低，这是其中之一影响高铁安全的主要要素。

（2）必须清楚地识别主要风荷载特性。当前高速铁路使用的重要性。CFD计算和分析应结合路边，路堤，高架（或跨海大桥）和隔震屏障的布置，气动载荷的计算结果值得仔细研究，以正确理解高速主要风荷载特性铁路应用。

（3）协调测试和计算资源，系统布局列车空气动力学研讨。结合对高铁的需求，目前CFD的主要科研任务不是降低阻力，而是确定侧风扰动对高速铁路使用的稳定性和安全性影响。其中，主要的风荷载特性是一项非常紧迫的科研任务。

参考文献

[1] 刘加利，于梦阁，张继业等.基于大涡模拟的高速列车横风运行安全性研究川[J].铁道学报，2011，33（04）：13-21.

[2] 干锋.高速列车轮轨接触关系研究[D].成都：西南交通大学，2015.

[3] 李艳.高速列车动力学参数影响度的研究与应用田[D].成都：西南交通大学，2013.