CRH3G动车组横风运行安全性分析

良好的横风运行安全性是实现高速动车组速度能力提升的有效手段.现搭建了基于空气动力学和车辆系统动力学的高速列车车辆横风运行安全性耦合计算模型,根据动车组在不同车速(150～300 km/h)和风速(10～35 m/s)下的气动力和气动力矩计算结果,分析了不同气动载荷对动车组动力学性能的影响.在此基础上,提出了CRH3G动车组的横风运行安全速度域.     

双层高速动车组横风倾覆稳定性研究

双层高速动车组因其重心高、迎风面积大等特点,运行安全受横风影响更为显著。以我国某双层高速动车组作为研究对象,建立横风条件下3节车辆编组的气动仿真分析模型,通过与风洞试验数据比较,验证模型有效性,仿真得到了在不同横风条件下各车辆所受到的气动载荷,基于EN14067标准中的五质量模型方法,分析了横风条件下双层高速动车组倾覆安全性,得到了列车临界倾覆风速曲线。研究结果表明：横风条件下头车气动载荷最大,且在60°左右的侧滑角时达到最大;当横风垂直于列车行进方向时,临界倾覆风速随车速增加而下降,在车速为80 km/h左右,其下降趋势出现明显的变化,动车组以200 km/h速度运行在平地时,头车临界倾覆风速为22.5 m/s。在同等车速条件下,头车临界倾覆风速随风向角的增加迅速下降,平地路况在风向角为90°时取得最小值,路堤和桥梁路况在风向角为80°时取得最小值。在平地、10 m高度路堤和桥梁3种路况条件下,路堤情况的倾覆风速最小。横向未平衡加速度、空重车状态对列车横风安全性也有显著影响,当加速度与横风风速同向时,其头车临界倾覆风速值随横向未平衡加速度的增加而下降,而重车状态下的临界倾覆风速高于同...     

横风作用下高速列车安全运行速度限值的研究

横风作用下的列车安全运行速度限值应通过列车气动特性和车辆轨道动力学特性的分析得到。以我国CRH3型高速列车实车为原型,考虑真实受电弓、转向架等列车的细部特征,假定列车在平地上行驶,对列车速度分别为200、250、300、350和380km/h,横风速度分别为10、15、20、25和30m/s,风向角为90°的25个工况进行气动特性的数值模拟,并采用国内实测轨道谱和德国轨道谱分别对这25个工况的车辆轨道动力学性能进行仿真计算和对比分析。结合国家标准和技术规范,给出CRH3型列车在平地上运行时,横风风速与列车最大安全运行速度之间的对应关系,为横风作用下的列车运行安全控制提供参考。     

动车组推挽式运行对动力学性能的影响

针对160 km/h动力集中型动车组推挽式运行的安全性问题,利用SIMPACK建立动车组9编组动力学模型。仿真分析了不同牵引方式下动车组的安全性。对动车组的直线运行安全性及平稳性,横风环境下运行的安全性做了分析,并将推挽式运行与牵引式运行时的安全性和平稳性进行了对比分析。结果表明,对于推行的特殊工况,安全性指标与正常运行时相差不大,平稳性指标有所增大,但都满足运行要求。在横风风速为30 m/s时,动车组推挽式运行的最高允许运行速度为156.7 km/h,比牵引式运行时最高允许运行速度降低了20%,动车组推挽式运行时抵御横风的能力明显下降。     

横风环境下列车交会对25T型客车动力学性能影响

采用列车空气动力学和列车系统动力学方法研究横风环境下25T型客车与CRH5型动车组交会对25T型客车动力学性能的影响。利用三维、可压缩和非定常N-S方程的数值模拟方法计算不同横风风速、不同交会速度下作用于25T型客车车体的气动力及力矩。利用SIMPACK软件建立25T型客车三维系统动力学仿真模型,分析横风风速、车速以及交会对列车系统动力学性能的影响。研究结果表明:在交会开始以及结束时刻,列车的系统动力学性能下降;同时在脱轨系数、倾覆系数以及轮轴横向力中,倾覆系数最为敏感;在一定变化范围内,风速变化相比于车速变化对列车运行安全性影响更大,风速由20 m/s增加到25 m/s时列车的倾覆系数增加68%,而车速由120 km/h增加到160 km/h时列车的倾覆系数增加8%;在25T型客车车速为120,140和160 km/h时允许最高风速分别为32.8,33和32.6 m/s;交会对25T型客车动力学性能的影响随着风速的增加而增加,在风速为35 m/s时,交会对脱轨系数、倾覆系数以及轮轴横向力的影响率达到49%,42.2%和25.3%。     

横风环境下跨海大桥列车-桥梁系统耦合振动仿真研究

基于计算流体力学及弹性体在多体系统中的耦合理论,将计算流体力学、多体系统动力学及有限元结合起来,构建横风环境中列车-桥梁系统耦合振动的仿真平台,并以平潭海峡大小练岛水道斜拉桥为研究对象开展研究。列车-桥梁系统的气动模型构建采用局部动态层网格方法,计算列车-桥梁系统在不同风速和车速下的气动荷载。基于有限元方法和多体系统动力学方法建立列车-桥梁系统多体动力学模型,以时间激励方式施加气动荷载,仿真计算双线会车时不同风速和车速工况下列车-桥梁耦合系统的动力响应。研究结果表明:(1)随着风速的增大,桥梁主跨跨中竖向位移变化很小,而跨中横向位移显著增大,跨中竖向和横向振动加速度亦明显增大。风速和车速分别在30 m/s与300 km/h以内时,桥梁的挠度和振动加速度均能满足要求。(2)横风环境下列车在桥梁上运行时,头车的动力特性最为不利。随着风速和车速的增大,车辆的动力学指标均呈增大趋势。(3)列车行至桥梁跨中时轮重减载率出现最大值,两车交会时车体横向加速度发生突变且出现最大值,部分动力学指标不满足要求。(4)双线会车时,风速在10、20、30 m/s时的临界安全车速分别为296、256、147 km/h,临界舒适车速分别为166、150、106 km/h。     

强侧风对高速列车运行安全性影响研究

在列车空气动力学和系统动力学相结合的基础上完成了相关研究工作。论文首先在研究列车受侧向风力的气动力特性基础上,利用流体力学计算软件FLUENT进行数值计算,得到不同侧风风速和列车车速下作用于车体的侧风载荷值;接着,利用所建立的高速列车动力学模型,将得到的风载荷值作为外加载荷作用于列车,研究了侧向风速对直线运行列车运行安全性的影响特性;最后,参照高速列车运行安全性相关限定标准,提出不同侧风风速下高速列车的最高安全运行速度,为特殊风环境下我国时速200 km/h及以上动车组安全运行提供理论依据。     

环境风对路堤上快运集装箱平车气动力性能影响

基于三维、定常、不可压Navier-Stokes方程和k-epsilon双方程湍流模型,采用FLUENT流场计算软件对环境风作用下铁路快运集装箱专用平车(简称集装箱平车)所受气动力进行数值模拟计算。分析列车在铁路路堤上运行时车速和风速对车辆气动性能的影响,得出车辆气动力与车速、风速之间的变化关系。研究结果表明,在环境风作用下,10 m路堤上运行的集装箱平车:1)迎风面处于较大的正压区内,背风面处于负压区内,集装箱平车的背风面、顶部以及底架附近,均有漩涡产生;2)风速为32 m/s、风向角为90°时,车辆所受横向力、升力和倾覆力矩均随着车速的增大而增大;3)车速为160 km/h、风向角为90°时,车辆所受横向力、升力和倾覆力矩随风速的增大而增大;其中倾覆力矩近似与风速的1.6次方成正比。     

高速列车通过防风过渡段的运行安全性研究

在实测风载的基础上,建立车辆多体动力学仿真模型,计算车辆通过防风过渡段的运行安全性。研究结果表明:在过渡段风载作用下,车辆的运行速度、风载的作用时间对车辆的爬轨脱轨影响较大,风载大小对车辆的倾覆脱轨影响较大;在某一固定风况下,当车辆运行速度小于等于90 km/h时车辆运行安全;当车辆以大于90 km/h的速度运行且风载的作用时间较短时,车轮轮缘未与钢轨发生贴靠,车辆安全性能指标均在限值范围内;当车辆运行速度大于90 km/h且风载作用时间较长时,车轮轮缘与钢轨发生撞击,轮轨横向力和垂向力发生突变,易出现脱轨系数超限。     

400 km/h高速铁路典型路基段风致行车安全研究

以某设计速度400 km/h的高速铁路4种典型路基段结构为研究对象,采用风车路耦合动力分析方法,运用ANSYS和多体动力学软件SIMPACK分别建立路基和列车模型,分析CRH380动车组在环境风速20～40m/s区间工况,以速度400 km/h通过时车辆的动力响应。根据评价准则提出风致行车安全控制指标。结果表明：车体横向加速度反映列车横风稳定性,可以作为风致行车安全的控制指标;脱轨系数随着风速增大而增大,在风速不超过40 m/s条件下,均未达到上限值0.8;4#路基段可以承受的环境风速最大,风致行车安全的效果最好;背风侧的车辆响应指标均明显好于迎风侧,对于横风影响下的动力仿真分析,应将迎风侧作为主要研究对象。     

钢轨擦伤对动车组动力学性能的影响

以一城际高速铁路存在钢轨擦伤的区段为研究对象,对擦伤钢轨的表面状态进行现场测量,并基于SIMPACK动力学分析软件建立该线路运行的某型动车组的整车动力学模型,分析在直线和曲线工况下擦伤模型与无擦伤模型对车辆动力学性能的影响。结果表明:钢轨擦伤对于车辆的平稳性有一定影响,但影响程度较小;钢轨擦伤对安全性的影响与车速有关,当运行速度小于200 km/h时,钢轨擦伤对安全性影响较小;当运行速度大于200 km/h时,钢轨擦伤对安全性影响较大,尤其是轮重减载率和脱轨系数在速度大于200 km/h时会发生超限现象,动车组通过擦伤钢轨时安全性指标波动性较大;钢轨擦伤对动车组的整车磨耗指数影响较大,钢轨擦伤以后会极大地缩短轮轨的使用寿命。     

风载对高速列车蛇行运动稳定性影响

采用空气动力学和车辆动力学2种分析方法，建立考虑横风作用的高速列车空气动力学模型，分析不同风速及车速条件下列车所受的气动载荷特性变化规律；建立车辆-轨道耦合动力学模型，对高速列车在不同风速横风和轨道不平顺组合作用下头车、尾车和中间车的蛇行失稳临界速度、蛇行振动极限环幅值、蛇行振动频率、蛇行失稳特征等进行对比分析。结果表明：高速列车通过横风区段时产生的气动载荷对其蛇行失稳临界速度有明显影响，头车的蛇行临界速度较无风时明显下降，尾车及中间车的降幅次之；无风与风载工况下车辆的蛇行失稳形式存在本质区别，无风工况下车辆易发生二次蛇行，风载作用下车辆易发生一次蛇行；风载作用下，车辆发生蛇行失稳的最不利工况为较大的等效气动横向力和较大的气动升力共同作用的组合工况；风载和轨道不平顺的持续时间对车辆蛇行运动极限环振动幅值会产生影响，因此在评估高速列车在大风工况下的运行安全性时，有必要考虑实际的风载和轨道不平顺激励的大小和持续时间。     

跨座式单轨车辆空气弹簧失效对行车安全性能的影响研究

建立空气弹簧橡气囊破裂失效的跨座式单轨车辆动力学模型,对失效时的车辆运行安全性能进行分析,重点考察了倾覆稳定性系数、水平轮径向力和车体侧滚角。分析结果表明:当空气弹簧失效后,车辆运行安全性变差,通过曲线时水平轮出现脱轨现象,影响车辆运行安全性;当车速达到43 km/h时,空气弹簧不同位置失效工况下车辆的防止脱轨稳定性较差,需要降速才能安全运行。     

不同侧风模型下的高速列车安全性研究

为了研究适用于高速列车侧风安全性评价的风载模型和评价指标,基于均匀风假设和空气动力学结果建立了定常稳态风载模型,基于EN 14067—6—2010标准提出的瞬态风速分布模型和准静态理论建立了瞬态中国帽风载模型,基于AR模型建立了随机风载模型。建立了具有86个自由度的某高速动车组头车详细的动力学仿真模型,并将不同风载模型作为外部激励施加到车辆上。采用数值仿真方法,研究不同的风载模型和轨道激扰对运行安全性评价指标数值的影响,从而确定适合高速列车的风载模型和安全性评价指标,给出高速列车不同运行速度下的临界安全风速。结果表明,采用瞬态中国帽风载模型且不施加轨道激扰、用侧风倾覆系数评判运行安全性,适合我国高速列车的侧风安全性评价。     

钱江四桥主跨车桥耦合振动分析

钱江四桥是一座结构非常复杂的组合跨径双层钢管混凝土系杆拱拱桥。规划中的杭州地铁1号线从该桥下层通过。为确保成桥后轨道交通运行的安全性与乘坐舒适性，对该桥主跨进行了车桥耦合振动分析。采用数值方法模拟了脉动风速场及轨道不平顺。桥梁结构采用有限元模型，机车车辆被简化为车体、转向架和轮对并包含阻尼器及弹簧的两个悬挂系统的体系，每节车辆共有31个自由度。根据车桥耦合关系，并考虑桥上轨道不平顺以及侧向自然风的影响，分别计算了40km/h及80km/h车速下车辆和桥梁的响应。分析结果表明，在车速为80km/h、风速高达20m／s的情况下车辆运行的安全性和舒适性均能满足要求。     

CRH380B动车组轮对高级修轮缘厚限值优化的可行性研究

为了优化CRH380B动车组轮缘厚高级修镟修限值,基于不同轮缘厚条件下的轮对磨耗规律和车辆动力学性能分析,采用多体动力学软件和Archard磨耗理论联合仿真求解的方式,利用非线性磨耗模型对车轮磨损进行预测,并使用多体并行仿真方法实时更新状态参数和接触力。结合仿真计算分析结果,并与实测数据对比,可发现当车辆运行速度低于350 km/h时,轮缘厚度对轮径磨耗量无明显影响;当车轮发生磨耗后,设置不同轮缘厚车轮的动车组均保持良好的动力学性能。因此,在保证车辆运行品质和安全性的基础上可以将高级修轮缘厚镟修限值降低至28 mm,提高车轮使用寿命,降低动车组运营成本。     

轴箱内置式转向架高速线路适应性评估

基于轴箱内置式转向架实测参数及边界条件,建立动车组拖车动力学仿真模型。研究新车轮型面、大锥度车轮型面与60D、60N及其正负偏差钢轨型面匹配并高速通过实测线路时,车辆运行稳定性及平稳性;研究轴箱内置式转向架高速通过不同曲线线路,以及正、侧向通过18#道岔时的车辆运行安全性,并评估轴箱内置式转向架对高速线路适应性。结果表明：轴箱内置式转向架动车组以300～450 km/h运行速度通过直线线路时,脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力、构架横向加速度等稳定性指标,随运行速度提升呈增大趋势,但均未超出相应标准限值,车辆平稳性指标属于优级;当动车组以不同运行速度通过不同半径曲线时,稳定性指标未超出相应标准限值,车辆平稳性指标属于优级,且轮对冲角很小;动车组以450 km/h运行速度正向通过18#道岔、以90 km/h运行速度侧向通过18#道岔时,稳定性指标未超出相应标准限值;动车组通过实测三级轨道水平不平顺时,稳定性指标未超出相应标准限值,车辆的垂、横向平稳性指标属于优级。因此,轴箱内置式转向架动车组在400 km/h运行速度范围内,能够适应京沪高铁线路运行。     

实测轮轨蠕滑曲线对车辆-轨道动态相互作用的影响分析

由于铁路系统的开放性，轮轨界面难以避免遭受第三介质(如水、油、雪等)的侵袭，轮轨蠕滑特性将因此改变。为研究轮轨蠕滑曲线对车辆-轨道动态相互作用的影响，首先，基于最小二乘法原理获得适用于Polach接触模型的参数，以模拟水介质条件下40～400 km/h行车速度范围内的实测轮轨蠕滑曲线；随后，采用SIMPACK多体动力学仿真软件建立车辆-轨道动力学模型，利用FASTSIM算法和Polach模型分别模拟理想条件与实测轮轨蠕滑曲线，以300 km/h运行速度为例，详细对比这两种蠕滑曲线条件下车辆-轨道动态相互作用的差异，并进一步分析运行速度的影响。研究表明：车辆运行速度为300 km/h时，实测轮轨蠕滑曲线对应的轮对横移量和轮对摇头角分别为干态工况结果的1.375倍和3.2倍，进而导致纵/横向蠕滑率明显大于干态工况结果；速度所致轮轨蠕滑曲线的差异对轮轨蠕滑力、脱轨系数以及磨耗指数影响较大，速度为160 km/h时尤为显著。因此，在进行车辆-轨道耦合动力学仿真分析时，有必要考虑实测的轮轨蠕滑曲线。     

非定常气动荷载对桥上列车行驶安全舒适性影响分析

为了研究非定常气动力荷载对桥上列车行车安全性和舒适性的影响,结合有限元软件ANSYS和多体动力学软件SIMPACK,建立列车-轨道-桥梁三维多体系统模型,计算风-列车-桥梁耦合系统的动力响应;对比分析定常与非定常气动力荷载作用下桥上列车的行驶安全与舒适性,研究非定常气动力荷载作用下不同横向风速对列车行驶安全的影响。研究结果表明:列车行驶速度为200~300km/h,无风荷载情况下,各安全性与舒适性指标值均满足要求且均小于风荷载作用。横风作用下平均风速为20 m/s,考虑非定常气动力荷载的影响不仅会使列车行驶安全评估结果更安全,还会使列车舒适性评估结果偏于保守。平均风速不超过20 m/s,车速控制在250 km/h,桥上列车行车安全、舒适性均满足要求,且平稳性等级可达到"良好"以上。通过对不同横向风速下桥上列车行驶安全分析,给出桥上列车安全行驶的阈值,为列车的安全运营提供依据。     

风区停留动车组的纵向气动力仿真及防溜计算

为研究高速动车组在风区的防溜安全问题,首先建立8车编组的CRH2G型动车组的数值仿真模型,计算不同风速、不同风向角下动车组的纵向气动力;然后建立动车组在坡道停留时的力学模型,按照动车组在纵向气动力、起动阻力、停放制动力及铁鞋制动力的综合作用下能够保持停放稳定不溜逸的要求,确定不同工况下需要为动车组设置铁鞋的数量。结果表明:风致纵向气动力的最不利风向角约为30°;在动车组停放制动正常且超载状态下,仅在风速17级(60m·s~(-1))和坡度22‰的工况下需要为头车设置1个铁鞋,其他工况下均无需为动车组设置铁鞋;在动车组停放制动失效且超载状态下,当动车组停留在22‰坡度的线路上时,风速自0级直至14级(47.5m·s~(-1))工况下至少需要设置4个铁鞋,风速达15~17级(51.7~60.0m·s~(-1))工况下,至少需要设置5个铁鞋;在最不利的17级(60.0m·s~(-1))环境风条件下仿真计算出的铁鞋设置数量低于现行铁总办法规定的铁鞋设置数量。