多方位风向角下动车组运行安全性研究

为研究不同风向角下高速动车组的动力学性能，利用多体车辆动力学研究方法，对不同风向角下的某型动车组的车辆运行安全性进行仿真模拟分析。把气动载荷处理为时间函数，将其输入多体动力学软件，对动车组在风载作用下的动力学性能进行仿真分析。利用8节连挂动车组模型，分别分析各辆车在不同风向角下的运行安全性。分析发现：头车受风载的影响最为明显，在风速20 m/s、车速300 km/h下的工况相较于在风速25 m/s、车速200 km/h下的工况对列车运行安全性影响大。其中在风速20 m/s、车速300 km/h下的工况105°风向角的风载对列车运行安全性影响最大。     

基于CTCS-3级列控系统动车组列车自动过分相运行检算

研究目的:电分相设置位置是保证列车运营安全可靠的关键因素之一。本文重点研究信号系统、列控系统对供电系统中的接触网电分相设置位置的影响,提出了基于CTCS-3级列控系统动车组列车自动过分相的检算原则和模型;为客运专线勘察设计提供一些有价值的研究成果。研究结论:根据检算原则,建议仅开行单组(8辆编组)动车组的线路,电分相距离信号停车牌的最短距离应保证不小于217.05 m;开行重联(16辆编组)动车组的线路,应保证不小于431.05 m;开行200 km/h重联动车组的线路,当无法满足431.05 m要求时,此范围内列车平均起动坡度不应大于15.5‰。     

隧道横通道附近火源最不利位置的确定

通过量纲分析推导横通道附近火源最不利位置与火源功率、隧道纵向风速的关系式。采用1∶20隧道模型对不同火源功率、不同隧道纵向风速时横通道附近火源最不利位置进行研究。结果表明:随着火源功率增加,横通道附近火源最不利位置保持不变,说明改变火源功率并不影响横通道附近火源最不利位置;随着隧道纵向风速增加,横通道附近火源最不利位置的最小值基本不变,而其最大值则在风速小于2.5m·s~(-1)时呈0.8次方增加趋势,在风速大于2.5m·s~(-1)时横通道附近火源最不利位置的最大值基本不变。对模型试验数据进行拟合,明确了隧道横通道附近火源最不利位置与隧道纵向风速、火源功率之间的关系,得到横通道附近火源最不利位置的无量纲计算公式。     

基于扣件受力的无砟轨道32m简支梁坡度限值

研究目的:基于有限元方法与梁轨相互作用原理,建立能够分析坡道上无砟轨道桥梁变形对扣件受力影响的平面模型,分析桥梁坡度、墩顶纵向水平位移等因素对扣件受力的影响,提出在考虑桥梁收缩徐变、基础沉降、桥墩纵向温差及列车荷载等条件下32 m简支梁适应的坡度,从而为桥梁坡度选择提供理论指导。研究结论:(1)桥梁坡度以及墩顶纵向水平位移的改变均会引起扣件受力,并且扣件所受上拔力最大值随着桥梁坡度、墩顶纵向水平位移的增加近似呈线性增大;(2)对于梁端悬出0.55 m的32 m简支梁而言,当桥墩高度为20 m时,由扣件上拔力不超限确定的最大坡度值为29‰,当桥墩高度为40 m时最大坡度值为20‰;(3)当桥墩纵向水平刚度增加、梁缝附近铺设过渡板或采用特殊扣件时,可以适当增加桥梁的坡度限值;(4)基于扣件受力确定的桥梁坡度限值可为今后线路选线设计及桥梁坡度设置提供借鉴和参考。     

平地横风环境动车组非定常气动特性的试验研究

在定常横风环境影响下,动车组在平地工况运行的稳定性、舒适性及安全性将会恶化。为了揭示其恶化的机理,开展动车组在平地工况伴随定常横风下运行的风洞试验,得到列车表面压力随时间变化的曲线后,再对列车受到的非定常气动载荷时域特性和频域特性进行分析。风洞测试结果表明：在相同风速和同一风向角下,平地动车组车体表面迎风侧1～8号测点和背风侧9～16号测点,其同侧各测点压力平均值在一定范围内波动,总体相差不大。当风向角为90°时,测点压力的幅值和最值随风速的增大而增大,其平均值与风洞来流风速的二次方成正比,即非定常气动压力振动剧烈,波动幅度明显增大。当合成风风速为60 m/s时,测点气动压力的平均值、最小值和最大值随风向角增大呈现先增大后减小的趋势,呈现正弦函数变化规律;当风向角增加到75°时,出现拐点,即最值点;车体表面两侧测点的幅值随风速的增大而增大,即非定常气动压力振动剧烈,振动幅度明显增大。而横风风速和风向角对非定常气动载荷的主振动频率带的影响不大;车体中部两侧测点的频率峰值均集中在0～18 Hz范围内,主振动频率均集中在0～4 Hz区间内,还明显存在频率为4～6 Hz,6～8 Hz和10～1...     

铁路隧道内列车发生火灾时通风临界时间的确定

采用数值模拟方法获得隧道纵向通风排烟模式下的可用安全疏散时间,并与采用Togawa经验公式计算的所需安全疏散时间进行对比,以此判断人员疏散安全性,分析确定通风临界时间。结果表明:隧道纵向通风排烟下,通风开始时间对人员疏散安全性影响显著。通风开始时间早于180s人员疏散不安全;当火源功率不大于15MW时,通风开始时间不早于180s即可保证人员安全疏散,而火源功率大于15MW时,通风开始时间不早于180s且不晚于240s才能保证人员安全疏散;当纵向通风风速大于3m·s~(-1)时,通风开始时间不早于180s即可保证人员安全疏散,而纵向通风风速不大于3m·s~(-1)时,通风开始时间不早于180s且不晚于300s才能保证人员安全疏散。综合得出铁路隧道内列车发生火灾时通风临界时间为180s。     

市域列车救援工况溜逸风险分析及制动策略优化

针对市域铁路在运营过程中的救援场景研究缺乏及现有市域动车组能力不能完全满足救援的及时性要求等问题,本文研究了市域列车救援工况的溜逸风险及制动策略。首先,建立多编组列车连挂时的纵向动力学模型;然后,以北京大兴机场线为例,分析在救援工况下现有运营方式可能带来的列车溜逸风险;最后,结合相关标准,分析救援过程不同制动模式下乘客的舒适性。研究结果表明：在 33‰坡道上救援车以 5 km/h 连挂时,保持制动模式下列车加速度和冲击率将会达到 10.5 m/s2和 9.9 m/s3,且发生溜逸,而采用紧急制动模式时,列车的加速度和冲击率分别下降了 63.1%和 54.7%,未发生溜逸;当救援车连挂速度降低至 3 km/h 后,列车最大加速度和最大冲击率分别降低至 2.1 m/s2和 2.4 m/s3,乘客舒适性明显提高。在坡道停车时,由于存在制动-牵引切换过程,为保证在最大坡道上不溜车,列车保持制动力需达到 60%最大常用制动力以上。     

铁道部工程鉴定信息

铁道部于2008年10月23-26日在北京对南宁至广州铁路工程初步设计进行了审查。南宁至广州（肇庆）为I级双线电气化铁路，全长约532km，全线设18个车站。设计年度近期2020年，远期2030年，桥梁隧道比例约76％，限制坡度6‰，动车组运行时速250km的条件，股道有效长850m，全线设置调度集中（CTC）、计算机联锁设备，采用CTCS-2级列控系统，各站设置有线通信网及GSM-R无线通信系统，总工期6年。     

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.     

基于桥墩纵向刚度的昆仑号架桥机主支腿受力影响因素及解决方案

昆仑号架桥机可运架千吨级40 m梁通过250 km/h隧道,实现隧道进出口架梁,可满足2 000 m小曲线、30‰大坡道等工况要求;为满足各工况架梁时桥墩设计的纵向刚度要求,需要控制架桥机主支腿纵向力。为此,分析了主支腿纵向力的影响因素(如线路坡度、主梁刚度、主支腿摩擦力等参数因素),构建了主支腿受力模型,并通过参数选择和匹配制定了减小主支腿纵向力的技术方案。昆仑号架桥机已在福厦铁路湄洲湾特大桥工程试用,并通过现场检测,验证了各参数选取的合理性和科学性,为今后的运架一体机技术提升提供了借鉴和技术积累。     

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。     

混合动力动车组制动性能的研究

混合动力动车组制动系统的常用制动采用电制动和空气制动两种制动力实现方式。由于3辆编组,编组少,制动减速度要求大,最大常用制动平均减速度不低于1.0m/s~2(一般为0.8m/s~2),拖车在常用制动时仅有3个轴施加制动力,其中一轴为参考轴,相当于损失掉1/12,而且站间距短制动间隔短,不能超过制动轮盘及闸片的热容量等参数的要求。因此文中研究出混合动力动车组制动系统常用制动(1~7级)各级位下电制动力和空气制动力进行复合分配的策略,而且根据牵引电机的特性曲线合理设计出各级制动力对应的减速度,并且解决了纯空气制动时任何工况下不会超过制动盘和闸片的热负荷能力的要求。     

新建崇礼铁路隧道紧急救援站设置研究

《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》(TB10020-2017)完善修改了紧急救援站的设计标准及设置要求,即长度大于20 km的隧道或者隧道群应设置紧急救援站。根据条文解释,该处"20km"的长度限定是基于隧道纵坡不大于20‰。但实际工程中,往往存在隧道坡度或者综合坡度大于20‰且隧道长度小于20 km的工况,这种情况下隧道是否设置紧急救援站是亟需解决的问题。结合新建崇礼铁路隧道工程实例,研究隧道纵坡大于20‰且长度小于20 km时是否设置紧急救援站。研究表明,当隧道纵坡大于20‰且隧道长度小于20 km时,是否设置紧急救援站取决于列车上坡折减后的末速度。崇礼铁路陡坡段隧道和隧道群均不需要设置紧急救援站。     

侧风下高铁列车交会运行时车—桥耦合振动

采用流体力学计算软件FLUENT和动网格技术建立侧风下2列3节列车交会的气动力计算模型,通过自编UDF程序实现列车交会运动,分析列车交会过程中的气动力。根据列车中间车厢气动力的相似性扩展得到2列8节列车交会的气动力时程,将列车真实非定常的气动力以力元的方式加载到由有限元软件ANSYS和多体动力学软件SIMPACK联合建立的高速列车—多跨简支梁三维动力分析模型中,进行侧风下高速列车交会运行时车—桥耦合振动研究。结果表明:列车交会气动力对列车轮轴横向力、脱轨系数以及竖向加速度的影响较小,但会增大列车的轮重减载率,并显著增大列车的横向加速度;侧风显著增大列车的轮重减载率、轮轴横向力和脱轨系数;列车轮重减载率是控制列车车速阈值的控制因素;列车交会气动力对列车运行安全性的影响不应忽视,在[0,15),[15,20)和[20,25) m·s~(-1)风速的侧风下,列车车速阈值分别为350,275和200 km·h~(-1)。     

大坡道米轨道床阻力及轨排稳定性研究

为研究大坡道米轨(齿轨)有砟轨道结构稳定性,通过建立米轨离散元和有限元轨排模型,分析该结构在不同坡度条件下道床阻力变化及在荷载作用下轨排纵、横向稳定性。研究表明:(1)受轨枕与道床之间正压力减小和道砟颗粒之间接触减弱的共同作用,随着坡度增大,轨枕道床纵、横向阻力逐渐降低,且降低幅度明显高于轨枕与道床间正压力的降低幅度;(2)随着坡度的不断增大,在纵向制动荷载作用下轨枕位移显著增大,且有砟道床整体稳定性逐渐降低;(3)综合考虑轨枕位移及有砟道床整体稳定性,建议米轨有砟轨道最大坡度不超过500‰;(4)在温度荷载及制动荷载作用下,为保证米轨铁路曲线段的横向稳定性,在坡度为250‰时,无齿轨段曲线半径≮700 m,有齿轨段曲线半径≮600 m。     

转换轨及轮径校准对全自动驾驶地铁出入线平纵断面设计要求

综合考虑转换轨及轮径校准的概念与功能,结合全自动驾驶的作业模式,对全自动驾驶地铁出入线转换轨和轮径校准设置必要性、位置及其对线路平纵断面设计要求进行分析,提出:①对于场段与正线控制权不一致的,需设置转换轨进行控制权交接;②对于场段与正线控制权一致的,理论上无需设置转换轨进行驾驶模式转换,但鉴于备用模式下仍需采用GOA3以下级别的驾驶模式,建议现阶段仍需设置转换轨;③转换轨宜设置在车辆基地一端;④轮径校准段需保证35m的平直坡段;⑤转换轨(轮径校准段以外部分)坡度不宜大于24‰,若坡度大于24‰,则需验算一度停车再启动能力,且坡度不得大于35‰。     

城市轨道交通市域快线节能坡参数研究

研究目的:随着地铁对节能要求和运营服务水平的提高,列车牵引能耗占总系统能耗的1/2,地铁线路纵断面坡度设计对列车牵引能耗影响尤为明显。本文通过研究各种最高速度(100 km/h、120 km/h、140 km/h)下市域快线节能坡的坡长与坡度,并分析V型坡与W型坡以及单面坡与多段坡运行能耗,最终得出经济适用的节能坡设置参数。研究结论:(1)节能坡设置长度:100 km/h为460 m,120 km/h为580 m,140 km/h为660 m;(2)长大区间下,结合适宜的站间距,W型坡较V型坡能耗更低,且随着缓坡坡度的增加,节能趋势更加显著;(3)两车站平均坡度大于10‰时,采用多段坡比采用单面坡能耗更低,且采用缓坡+陡坡的方案节能效率更加明显;(4)两车站平均坡度10‰～20‰时,随着单面坡平均坡度值的增加,多段坡节能效率逐渐降低;(5)本研究成果可为长大区间下市域快线线路纵断面设计提供参考。     

列车振动荷载作用下有砟道床力学性能研究

研究目的:为探究有砟道床性能随列车荷载作用下的变化特征,进行现场原位试验并通过离散元分析软件PFC3D建立有砟道床模型,研究道砟竖向速度及沉降、轨枕与道砟振动加速度、道床阻力及枕下支承刚度的变化。研究结论:(1)记录了距轨枕底面0. 1 m、0. 2 m、0. 3 m处道砟竖向速度(0. 033 m/s、0. 029 m/s、0. 015 m/s)、沉降位移(3. 1 mm、2. 3 mm、1. 5 mm)、振动加速度(43. 39 m/s~2、29. 27 m/s~2、17. 23 m/s~2、9. 78 m/s~2),可知峰值速度、沉降位移及振动加速度随着深度增加而减小;(2)记录了循环加载100次、200次、300次、400次时道床横向阻力(16. 87 k N、17. 23 k N、17. 56 k N、17. 66 k N)、道床纵向阻力(24. 55 k N、25. 23 k N、25. 89 k N、25. 99 k N)和枕下支承刚度,可知道床横纵向阻力、枕下支承刚度随着荷载次数增加而增大;(3)本研究成果对指导有砟道床设计、施工、养护维修及研究有砟道床力学性能具有参考价值。     

轮轨动荷载作用下全封闭声屏障的振动分析

以全封闭声屏障为研究对象,分析CRH_2型动车组、C_(80)型货车轮轨动荷载作用下声屏障的振动响应。建立金属吸声板声屏障、混凝土声屏障与32 m箱梁耦合的有限元动力分析模型,分析列车作用在箱梁上的轮轨力。通过计算得到不同列车速度下声屏障的位移和加速度响应,分析动位移、振动加速度、频谱特性和总振级的变化规律。结果表明:轮轨动荷载作用下声屏障的竖向、横向位移很小,均在2 mm以内;动车组作用下声屏障的振动加速度峰值可达5 m/s~2;金属吸声板声屏障各考察点处的竖、横向振动加速度在各车速下均较混凝土声屏障大;声屏障振动加速度级在频率40~80 Hz出现第一个峰值(较大),在频率400~800 Hz出现次峰值(较小)。     

WJ-8型小阻力扣件纵向阻力温变特性研究

为评估高速铁路桥上无缝线路扣件对服役环境的适应性,以WJ-8型小阻力扣件为例,开展一系列室内纵向阻力试验。设置-30～60℃的环境温度和90～120 N·m的螺栓扭矩,在标准组装状态下按照10 kN/min的恒定速率加载,实时记录纵向力值及钢轨纵向位移值,每个工况加载4次。试验获得了4个不同扭矩和10个不同温度组合工况下的扣件纵向阻力-位移变化特征,分析得到温度、扭矩和纵向滑移阻力三者之间的映射关系。研究结果表明：1)不同工况下,扣件纵向阻力随位移的增大呈幂指型函数递增关系;不同扭矩作用下,扣件纵向滑移阻力随温度升高呈指数型函数递增关系;不同温度作用下,扣件纵向滑移阻力随扭矩增大呈线性递增关系。2)扭矩作用和温度作用对小阻力扣件纵向阻力均有影响,但扭矩作用基本不影响扣件阻力对温度变化的敏感性,反之亦然。3)当温度上升至40℃以后,在规范建议的90～120 N·m扭矩下,纵向滑移阻力均不再满足4±1 kN的要求。建议高温环境下适当减小螺栓扭矩,以便于桥上无缝线路附加力的释放。研究成果对于优化轨道结构设计、验证和完善无缝线路扣件纵向阻力取值计算理论具有参考意义。