列车在特殊风工况下的运行品质分析

刘帅,梁树林,王欢声,池茂儒

(西南交通大学 牵引动力国家重点实验室,四川 成都 610031)

0 引言

近年来,随着我国科学技术的发展和进步,我国的高铁建设取得了举世瞩目的成就,不断创造奇迹和惊喜是中国高铁给人们留下的最深刻印象。截至2019年底,中国高铁不仅在运行速度上以350km/h领先于世界各国,而且在运行规模上也以3.5万公里的营业里程稳居世界第一[1]。

当列车以正常车速行驶于铁道线路上时,会不可避免地受到各种风载的作用,比如横风、隧道风以及列车交会运行时的风载。随着动车组行驶速度的增加,相关的空气动力学问题也会变得愈加突出[2-3],导致列车在通过这些区段或受到这些风载的作用时,列车的动力学性能会受到明显影响。国内外学者针对侧风效应和列车交会问题已经开展了诸多数值模拟研究[4-6]。当列车进入隧道时,隧道与列车对空气的挤压作用引发的压力波会导致隧道内交变压力的产生,一方面会严重影响乘客舒适性,另一方面也会对隧道内衬砌与车体结构的强度提出了一定的挑战[7-8]。当列车在隧道内交会时,该问题会更加严重[9-10]。动车组高速交会时,交会侧的空气压力发生突变,产生瞬态压力冲击,会对车体钢结构、侧窗和车体横向稳定性带来不利影响。交会过程中若遭遇较大的横风,可使交会压力波幅值增加,列车将承受更大的横向冲击载荷[11-12]。我国地形及气象条件比较复杂,不少行车区段已处于强风区,而随着高速铁路的不断发展,强风区内动车组交会不可避免[13-14]。因此,研究动车组在各种特殊风载下的气动效应具有很强的现实意义。

本文基于时速400km中国标准化动车组的动力学参数,利用SIMPACK软件建立动力学模型,模拟了列车在无风、横风激扰、列车交会以及通过隧道等状态下的运行平稳性,以便支撑动车组的设计工作。

1 动力学模型的建立

采用计算机数值仿真分析是车辆系统动力学最重要的研究手段之一,也是最常用的动力学分析方法。为研究列车中车辆的动力学性能等动力学问题,需要建立相应的动力学分析模型。动力学数值仿真的核心问题是,根据分析问题的需求,从实际物理模型抽象出有针对性的、可靠的数学模型和多体动力学模型,然后采用合理的数值方法对所分析的问题进行研究。归根到底就是仿真模型要有针对性,要准确可靠,数值方法要尽量减小误差。动力学仿真涉及机车车辆结构、多体系统动力学、数值计算方法、数据处理方法等多个方面[15]。

时速400km中国标准化动车组的车轮踏面外形采用LMA踏面,钢轨采用CHN60钢轨,轮对内侧距1 353mm,轨道不平顺采用实测轨道谱。时速400km中国标准化动车组动力学模型由3节车组成,每节车由1个车体、2个构架、4个轮对和8个转臂组成,利用SIMPACK软件建立时速400km中国标准化动车组的系统动力学模型如图1所示。

图1 时速400 km中国标准化动车组的动力学模型

对于时速400km中国标准动车组的运行平稳性计算,采用武广50轨道谱,轨道具有4个方向的随机不平顺。在进行运行平稳性计算时,认为轨道的随机输入是各态历经的,因此可以用一段有限长的时间历程曲线来模拟车辆在实际线路上的运行情况。为了较为完全地反映车辆系统的实际动态响应,计算时先让车辆在一段无激扰直线轨道上运行,然后在一段足够长的不平顺轨道上运行。

评价车辆运行品质的主要指标包括车辆运行横向平稳性、垂向平稳性以及乘坐舒适度等,因此本文主要基于所建立的时速400km中国标准动车组的动力学模型,仿真计算列车在无风、横风激扰、列车交会以及通过隧道等状态下的运行品质,以便支撑动车组设计工作。

2 无风工况下的车辆运行品质分析

当列车在无风工况下运行时,列车运行的横向平稳性、垂向平稳性以及乘坐舒适度分别如图2—图4所示。

图2 横向平稳性(无风工况)

图3 垂向平稳性(无风工况)

图4 乘坐舒适度(无风工况)

由图2—图4分析可知在无风状态下:1)车速对列车横向平稳性的影响较大,对列车垂向平稳性以及乘坐舒适度的影响较小;2)在新轮和磨耗轮两种状态下,随着车速的增大,头车、中间车和尾车的横向平稳性、垂向平稳性以及乘坐舒适度都在增大;3)同一车速等级下,在新轮状态下,列车头车的横向平稳性最大,中间车次之,尾车最小,3节车在设定的各个速度等级下均满足横向平稳性的限值要求。在磨耗轮状态下,列车中间车的横向平稳性最大,且当车速大于400km/h时,中间车的横向平稳性超过限值要求。

3 有风工况下的车辆运行品质分析

3.1 “中国帽”横风

当列车在横风的作用下运行时,列车运行的横向平稳性、垂向平稳性以及乘坐舒适度分别如图5—图7所示。

图5 横向平稳性(横风)

图6 垂向平稳性(横风)

图7 乘坐舒适度(横风)

由图5—图7可知在横风激扰下:1)车速对列车横向平稳性以及乘坐舒适度的影响较大,对列车垂向平稳性的影响相对较小;2)在新轮和磨耗轮两种状态下,随着车速的增大,头车、中间车和尾车的横向平稳性、垂向平稳性以及乘坐舒适度都在增大;3)当列车以同一车速运行时,均是列车头车的横向平稳性最大,中间车次之,尾车最小,且在磨耗轮状态下,当车速大于400km/h时,中间车的横向平稳性指标略微超过限值要求。建议限定车辆运行速度在400km/h以下来保证车辆具有较优的运行平稳性。

3.2 列车交会运行

当两列车交会运行时,列车运行的平稳性以及乘坐舒适度分别如图8—图10所示。

图8 横向平稳性(交会运行)

图9 垂向平稳性(交会运行)

图10 乘坐舒适度(交会运行)

由图8—图10分析可知当两列车交会运行时:1)车速对列车横向平稳性的影响较大,对列车垂向平稳性以及乘坐舒适度的影响相对较小;2)同一车速等级下,在新轮状态下,列车头车的横向平稳性最大,中间车次之,尾车最小,3节车在设定的各个速度等级下均满足横向平稳性的限值要求;在磨耗轮状态下,列车中间车的横向平稳性最大,且当车速大于400km/h时,中间车的横向平稳性超过限值要求。建议当两列车在交会运行时,限定车辆运行速度在400km/h以下来保证车辆具有较优的运行平稳性。

3.3 隧道内运行

当列车在隧道中运行时,列车运行的横向平稳性、垂向平稳性以及乘坐舒适度分别如图11—图13所示。

图11 横向平稳性(隧道内运行)

图12 垂向平稳性(隧道内运行)

图13 乘坐舒适度(隧道内运行)

由图11—图13分析可知当列车在隧道中运行时:1)车速对列车横向平稳性的影响较大,对列车垂向平稳性以及乘坐舒适度的影响相对较小;2)在新轮和磨耗轮两种状态下,随着车速的增大,头车、中间车和尾车的横向平稳性、垂向平稳性以及乘坐舒适度都在增大;3)同一车速等级下,在新轮状态下,列车头车的横向平稳性最大,中间车次之,尾车最小,3节车在设定的各个速度等级下均满足横向平稳性的限值要求;在磨耗轮状态下,列车中间车的横向平稳性最大,且当车速大于400km/h时,中间车的横向平稳性超过限值要求。建议当列车在隧道中运行时,限定车辆运行速度在400km/h以下来保证车辆具有较优的运行平稳性。

4 结语

本文主要基于所建立的时速400km中国标准动车组的动力学模型,仿真计算列车在无风、横风激扰、列车交会以及通过隧道等状态下的车辆运行品质,所得结论具体如下。

1)在无风、两列车交会运行以及通过隧道的状态下,车速对列车横向平稳性的影响较大,对列车垂向平稳性以及乘坐舒适度的影响较小;在横风激扰的状态下,车速对列车横向平稳性以及乘坐舒适度的影响较大,对列车垂向平稳性的影响相对较小。

2)在无风、横风激扰以及通过隧道的状态下,在新轮和磨耗轮两种状态下,随着车速的增大,头车、中间车和尾车的横向平稳性、垂向平稳性以及乘坐舒适度都在增大。

3)在无风、列车交会运行以及通过隧道的状态下,同一车速等级下,在新轮状态下,列车头车的横向平稳性最大,中间车次之,尾车最小,3节车在设定的各个速度等级下均满足横向平稳性的限值要求。在磨耗轮状态下,列车中间车的横向平稳性最大,且当车速大于400km/h时,中间车的横向平稳性超过限值要求。

4)当列车在横风激扰下运行时,在新轮和磨耗轮两种状态下,当列车以同一车速运行时,均是列车头车的横向平稳性最大,中间车次之,尾车最小,且在磨耗轮状态下,当车速大于400km/h时,中间车的横向平稳性指标略微超过限值要求。建议当列车在横风激扰下行驶时,限定车辆运行速度在400km/h以下来保证车辆具有较优的运行平稳性。