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.     

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。     

横风环境中复线路堤上高速列车的气动性能

建立了横风环境中高速列车运行于复线路堤上的三维空气动力学模型,开展了路堤高度和列车在复线路堤上的位置对高速列车气动性能影响的数值计算与对比分析。结果表明,路堤上列车周围的气流流速大于平地上的气流流速,导致路堤上列车气动性能较平地上恶劣;路堤高度和横风速度对高速列车在下风线上和上风线上气动性能的差异有重要影响;列车在下风线上运行比在上风线上运行更容易发生倾覆。     

基于标准研究横风下车辆运行安全性简化方法

为了探究一种分析车辆在横风作用下运行安全性的简化方法。基于标准EN14067-6中简化三质量模型和气动系数的预测公式,编制Matlab程序绘制国内某速度160 km/h动力车的风特性表,对该动力车在横风作用下运行安全性做出评估。三质量模型力矩平衡公式表明若未平衡力方向和横风风向同向,车辆运行时更容易被倾覆;由风特性表可知,该动力车在横风风速为33 m/s作用下,车辆不受未平衡力时,安全运行速度可达到200 km/h。因此该动力车过曲线遇到恶劣的横风时,应及时调整车辆运行速度到均衡速度附近,可以保证运行安全。利用三质量模型力矩平衡公式和预测公式可以简化地评价车辆在横风作用下的运行安全性。     

强横风与轨道不平顺耦合作用对高速列车运行安全性影响分析

横风对高速列车运行安全性影响十分显著,轨道不平顺影响着列车轨道相互作用关系。目前已有研究尚未充分考虑到中国高速铁路无砟轨道线路状态的变化与横风作用下高速列车安全性问题的影响。为了研究这两者的变化耦合而造成的列车安全性影响,采用计算流体力学软件和有限元软件联合仿真,建立横风-高速列车-轨道耦合动力分析模型,输入5种典型的高速铁路无砟轨道不平顺百分数谱,计算分析不同列车运行速度和风速条件下列车运行的安全性指标。结果表明,对应于25%百分位数谱,列车脱轨系数和轮重减载率最低,接下来依次是50%百分位数谱、平均谱、70%百分位数谱和90%百分位数谱。其中在列车运行速度为300 km/h下,横风速度为25 m/s时,70%百分位数谱和90%百分位数谱对应的安全性系数超出安全限值,列车可能发生脱轨。因此在设计和检算强横风作用下高速列车运行安全性指标时,宜采用中国高速铁路无砟轨道70%百分位数谱和90%百分位数谱。     

高速列车气动阻力分布特性研究

针对由8辆车组成的CRH3型动车组的实际外形,生成约1.6亿个计算网格,采用大规模并行计算,模拟单列高速列车在明线轨道上以350km/h速度运行时的气流流场,并对列车各组成部分的气动阻力特性进行统计和归类,给出各部件气动阻力对列车总气动阻力的贡献,为高速列车局部减阻优化设计提供参考。     

基于ALE方法的列车横风绕流动力学分析

利用有限体积法对横风作用下列车周围的空气流场进行计算.结合车辆-轨道耦合动力学,采用任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法处理列车与空气间存在的运动边界,实现了车辆系统动力学与计算流体力学之间的结合.以某国产客运列车为例,计算列车在20 m/s的横风作用下以160 km/h的速度运行时的动力学响应,给出列车周围的流场分布;分析了考虑与不考虑风-车之间流固耦合效应时,作用在车辆上的气动力和气动力矩的变化情况.结果表明,流固耦合效应对车体摇头力矩的影响比较大,而对于车体垂向、横向位移和加速度的影响甚微.     

基于大涡模拟的高速列车横风运行安全性研究

结合高速列车空气动力学和多体系统动力学,研究横风对高速列车运行安全性的影响.首先采用大涡模拟计算方法,研究了不同横风风速下高速列车非定常气动载荷的时域及频域特性,列车周围流场结构及相应的非定常流场特性.然后建立高速列车多体系统动力学模型,将得到的气动力作为外加载荷作用于列车上,研究了不同横风风速下定常气动力和非定常气动力对直线上高速列车运行安全性的影响特性,计算结果表明,与定常气动力相比,作用于车身上的非定常气动力使列车的振动加剧.最后参照高速列车的安全运行标准,对高速列车的安全运行进行分析,为横风下高速列车的安全运行提供参考.     

横风作用时间对高速客车直线运行安全性的影响

基于车辆/轨道耦合动力学原理,建立了横风作用下的车辆/轨道耦合动力学模型。模型中,车辆系统采用两系悬挂共35个自由度的多刚体动力学模型。轨道系统采用3层连续弹性离散点支承模型。用赫兹接触理论计算轮轨法向力,用沈氏理论计算轮轨滚动接触蠕滑力,并用显式积分法求解系统运动方程。横风由作用在车体中心的气动升力、侧力和倾覆力矩来模拟。通过数值计算,得到了横风作用下高速客车直线运行的系统动态响应,分析了不同横风作用时间对运行安全性的影响。结果显示,随着横风作用时间的增长,车辆脱轨系数、轮重减载率乃至倾覆系数迅速增大,车辆运行安全性不断降低。     

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%。     

基于动力学分析的高速铁路空间线型振动敏感点分析

随着高速铁路建设和运营技术的不断发展,作为构造物中心线和列车运行轨迹的线路空间曲线线型在铁路系统中越来越受到重视,空间曲线变化点对列车运行动力特性的影响也成为关注重点。为完善高速铁路线路设计理论提供相关依据,以多体系统动力学理论和行驶动力学理论为基础,运用SIMPACK软件建立车-线耦合动力学模型,模拟高速列车在不同工况下的曲线运行状态;分析模型仿真结果,对车体经过缓直点产生的振动的衰减时间进行统计并计算得出相应的振动衰减距离。结果表明:缓直点引起的车体振动衰减距离主要取决于车体横向振动衰减,且随实设超高增大而增大,与曲线半径关系不明显;线路相邻的两平面曲线以及相邻平面曲线与竖曲线之间的最小距离不应小于100 m,条件较好的情况下不宜小于230 m。     

基于车轨耦合的弹性地基梁板模型及算法

板式无砟轨道具有变形小、稳定性好的优点,在我国铁路客运专线上应用广泛。国内外学者在建立车辆、轨道以及车辆-轨道耦合系统模型及算法方面已做了许多工作。然而,已有的模型与实际情况尚有差异,有待进一步完善。根据板式无砟轨道的结构特点,采用板单元模拟轨下结构,建立了车辆-板式轨道耦合系统动力分析模型及算法,推导了板式轨道模型单元的刚度、质量以及阻尼矩阵;考虑轮轨非线性接触行为,引入交叉迭代法求解车辆-轨道耦合系统动力学方程;仿真分析了线路随机不平顺工况下,CRH3型动车通过CRTSⅡ型板式无砟轨道时,车辆和轨道结构的动力响应。该模型与算法比已有模型更接近实际,计算结果更准确可靠。     

高速列车头车外形结构优化风洞试验研究

我国最新一代高速列车为CRH380A,最高运营时速为350 km/h。现以500 km/h的高速列车为研究背景,对CRH380A高速列车头车外形结构进行优化,在中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所的8 m×6 m风洞中对四种不同优化方案的高速列车头车的气动特性及其对有限编组列车气动性能的影响进行试验研究。试验结果表明:当侧偏角为0°时,在35～70 m/s的试验风速范围内,风速的变化对头型NEW-A的气动特性的影响很小;当侧偏角不变时,模型NEW-A的头车、中间车和尾车气动阻力最小,4种头型当中NEW-A头型的空气动力性能最好。     

高速铁路板式无砟轨道-路基结构动力特性研究

针对列车走行的实际情况,将板式无砟轨道-路基作为参振子结构纳入车辆计算模型,建立包含车辆、钢轨、板式轨道和路基为一体的二系垂向耦合动力分析模型,分析列车速度对车辆运行品质、系统动位移以及动应力的影响。结果表明:车体加速度、动轮载和轮重减载率均随车速的提高而增大,呈线性分布,当列车高速通过无砟轨道-路基结构时,列车运行的安全性和舒适度指标都能满足要求;系统动位移受速度影响较小;轨道板易发生疲劳破坏,需采用双层、双向配筋;路基面动应力随速度的提高而增大,但数值比有砟轨道的小;路基动应力沿路基深度方向衰减较慢,在基床表面下3 m处,动应力只有基面的25%左右;无砟轨道的基床加速度远小于有砟轨道的加速度值,表明无砟轨道结构可以有效地改善列车荷载对路基基床的振动作用。     

车辆—轨道系统高中低频动力学模型的理论特征及其应用范围的研究

针对铁路在提速和高速发展中碰到的车辆—轨道系统的结构磨损加剧、关键部件疲劳破坏和噪声等问题,提出必须进行车辆—轨道系统高中低频范围的动力学模型研究。根据激扰的差异及其波长范围,针对车辆—轨道系统动力学在低频、中频和高频3个范围内存在问题的性质,建立符合研究要求的车辆模型、轨道模型和轮轨接触模型,并采用合理的数学方法求解。认为以车辆—轨道系统的频率特征为基础,进行完整的车辆—轨道系统动力学研究,可以有效研究车辆—轨道系统的短时动力学和长期行为之间的关系。     

泥质粉砂岩化学改良土动力特性测试与分析

研究目的:在武广高速铁路设计中,首次将泥质粉砂岩全风化物化学改良土用作高速铁路路基本体填料。高速列车的平稳、安全运营,需要路基结构物提供沉降小、刚度大、动力特性稳定的轨下支撑系统。为研究泥质粉砂岩全风化物化学改良土路基的动力特性,在试验段中预埋设动测元件,CRH3动车以300 km/h以上速度行驶时,测试泥质粉砂岩全风化物化学改良土路基的动力特性。研究结论:试验段动态测试结果表明:在保证泥质粉砂岩全风化物化学改良土的无侧限抗压强度和压实度时,可以填筑高速铁路路基本体。其填筑的路基的动响应参数和A、B组填料填筑路基的动响应参数大小基本相当,整体动力特性稳定,和无砟轨道系统形成良好的动力特性匹配。     

高速列车振动荷载作用下沉管地基整体稳定性研究

通过数值模拟方法研究高速列车在通过沉管隧道时,对沉管地基的影响,分析评价沉管地基在高速列车作用下的液化可能性。利用车轨动力相互作用模型,重新研究确定高速列车在不同速度下作用于沉管隧道整体道床上的动荷载;对沉管隧道的三个典型断面,计算高速列车动载作用下地基的最大剪应力分布;最后确定了沉管地基3种等效振次的抗液化剪应力。结果表明长江沉管隧道地基有足够的能力抵抗列车的周期性荷载。     

广珠城际铁路线路平纵断面设计参数动力学评估

为了验证广珠城际铁路线路平纵断面设计参数的合理性,利用车辆动力学软件ADAMS/Rail建立高速列车和轨道模型,针对广珠城际铁路具有代表性平纵断面设计参数的一段线路,计算了CRH2型动车组在16 km长的线路上运行时的动力响应,并与现行车辆动力学评价标准进行对比.分析结果表明:在现有平纵断面设计参数条件下,CRH2型动车组以200 km/h的速度运行时的所有动力学指标均为优良,行车安全性和舒适性有足够保障,设计参数合理,满足设计及运营要求.     

基于移动通讯网络的提速列车接近报警系统研究

提出了一种新的提速列车接近报警方案,它以铁路移动通讯网络（GSM-R）为基础,结合全球定位系统（GPS）和铁路地理信息系统（GIS）,实时监测在线运行列车的位置和速度,通过计算机网络汇总数据到报警服务器,由报警服务器向有报警接收设备的报警点发送报警信息。该方案的优势在于可在全铁路范围内实时、动态传送在线运行列车速度、方位,自动推算列车接近时间等报警防护信息,更有效的实现列车安全运行,保障沿线施工人员生命和财产安全。