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。     

基于初态激扰法的铁道车辆蛇行运动不稳定极限环求解

针对铁道车辆蛇行运动分岔图中不稳定极限环通过整车动力学仿真求解困难的问题，提出直接积分求解不稳定极限环的方法——初态激扰法。该方法利用多体系统动力学软件Simpack建立高速列车动力学模型，采用Matlab软件对拟周期解进行动态加权调整后作为车辆系统主要部件的初始状态，在光滑轨道上时域积分获取刚体运动状态，在轮对横移幅值随运行速度变化的分岔图中绘制不稳定极限环及平衡点和稳定极限环，从而得到完整的车辆蛇行运动分岔图。以某高速列车为例，基于初态激扰法求解不同轮轨接触工况和抗蛇行减振器故障工况下蛇行运动分岔曲线。结果表明：新轮和磨耗轮工况的车辆蛇行运动分别对应Hopf亚临界分岔和超临界分岔行为，且磨耗轮工况下蛇行运动由亚临界分岔变为超临界分岔；不改变抗蛇行减振器阻尼仅减小卸荷力，对车辆Hopf分岔临界速度没有影响，但会降低车辆LPC (Limit Point Bifurcation of Circles)分岔临界速度并减小不稳定极限环的幅值，从而降低车辆横向稳定性。     

风沙环境下不同线路类型对高速列车气动特性影响研究

西部风沙地区强风沙流对高速列车运行带来巨大安全隐患。高速列车的行驶线路一般分为平直地面、路堤及高架桥等,不同线路类型对高速列车气动特性的影响差异明显,尤其在强横风下,列车运行的流场特性更加复杂。为研究风沙环境下不同线路类型对高速列车横风气动特性的影响,采用数值模拟方法对列车运行速度250 km/h,横风风速分别为10,20,30,40,50 m/s,线路结构分别为平直地面、5 m路堤及10 m高架桥等不同工况下的列车气动性能进行仿真对比分析。计算结果表明：风沙环境下列车迎风侧正压区域及背风侧负压区域相比无沙环境均增大,其中,头车在平地工况下压力增幅最大,路堤及高架桥工况较小;风沙流中沙粒增加了列车的阻力,随着横风风速增大,头车阻力系数减小,尾车阻力系数增大,中间车阻力系数基本不变,列车侧向力系数均增大;在同一横风风速下,不同类型线路对头车的阻力系数和侧向力系数影响最大,其中,在路堤工况下列车稳定性较差,更容易发生侧翻危险。     

市域动车组尾车晃动机理及悬挂参数优化研究

市域动车组在单线隧道内运行时,随着运行速度增加,尾车横向晃动逐渐加大,乘坐舒适性恶化。针对此问题,文章开展了车辆横向振动测试,并对测试数据进行分析,结果表明列车尾部涡流及轨道不平顺波长与车辆滚摆频率耦合是导致尾车横向晃动的主要原因。对此,文章建立了考虑尾车空气涡流的车辆系统动力学模型,分析了车辆悬挂参数及轨道不平顺对列车尾部横向晃动的影响,并对横向减振器阻尼及抗蛇行减振器阻尼进行了优化试验研究,结果表明：降低轨道28 m波长不平顺幅度以及提高横向减振器阻尼和抗蛇行减振器阻尼可以有效改善列车尾部晃动问题。     

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...     

秦沈客运专线高速列车构架人工蛇行波的随机模拟

国内外在列车-轨道时变系统横向振动计算中,大多采用轨道横向不平顺作为列车-桥梁(轨道)时变系统横向振动的激振源。实际上,引起此系统横向振动的因素很多,诸如轨道横向不平顺、车轮踏面锥度、轮轨缺陷、车轮与钢轨的制造误差、车辆质量及其载重的偏心等。机车车辆构架蛇行波反映了引起此系统横向振动所有因素的影响,同时还反映了轮轨实际接触状态。根据秦沈客运专线高速列车构架蛇行波的现场测试资料和试验结果表明：采用三角级数模型及Monte-Carlo法随机模拟出了高速列车在时速160～300km／h范围内的构架人工蛇行波;解决了高速列车一桥梁(轨道)时变系统横向振动随机分析的激振源问题。列出了具有代表性的高速列车构架蛇行波实测波形图。     

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。     

长波长直线钢轨交替侧磨和机车轮缘磨耗的形成和防治

直线钢轨交替不均匀侧磨有短波与长波之分，短波由货车横向失稳造成；长波和轮缘磨耗因机车受轨道横向激扰蛇行失稳导致轮轨侧面撞击所造成，根据分析ND5动力学试验资料，得出不同速度时的蛇行波长在15．1m-24.8m之间，和现场实际基本吻合，实践与试验表明，长波长交替侧磨是ND5型机车蛇行失稳造成的，ND5型机车横向动力学性能不良的根本原因是轴温和转向架导框间存在纵向和横向间隙，根据对东风型机车因轨道横向激扰产生失稳试验和改进试验，本文除提出改善轨道及其不平顺外，着重提出减少ND5型机车轴箱与导框纵向间隙的重要建议，以提高蛇行临界速度，避免蛇行失稳和轮轨磨耗。     

列车编成辆数对高速列车横风气动特性影响的数值分析

对3～8辆编组列车以350km· h-1速度运行时,不同速度横风作用下的气动特性进行仿真研究,并建立列车的阻力系数与列车编组辆数之间的无量纲关系.研究结果表明:对3辆车编组列车的气动特性分析不能取代对其他编成辆数列车的几动特性分析;不同编成辆数列车阻力系数随着横风风速的增加而增大,3辆车编组列车的阻力系数不超过8辆车编组的列车的一半;列车的侧向力系数和倾覆力矩系数随着列车编成辆数的增加而减小;列车编成辆数对头车的阻力系数、升力系数、侧向力系数和倾覆力矩系数影响较小,但是对尾车的影响较大;头车的侧向力系数和倾覆力矩系数明显高于尾车和中间车,尾车的倾覆力矩系数最大值不超过0.4,而头车的最大可达0.7;由于头车的气动安全性比其他位置车辆的低,用头车的气动安全性评估整个列车的气动安全性会偏于保守,但合理、可行.     

列车系统蛇行运动稳定性研究

以1动2拖动车组为例,建立了列车系统动力学模型。基于常微分方程的一次近似理论和H pf分叉理论,分析了车辆之间连接刚度和阻尼对列车系统蛇行运动的H pf分叉速度即临界速度的影响,研究了列车系统的极限环振动。结果表明,列车系统的蛇行临界速度要稍低于车辆系统,车间连接刚度和阻尼对列车系统的临界速度有一定的影响。本文的工作为列车系统的蛇行稳定性研究提供了有效的方法。     

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.     

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。     

直线段货车脱轨原因的仿真研究

采用50个自由度的货车-轨道非线性耦合动力学模型,仿真计算了计入轨道弹性的典型空货车非线性蛇行运动规律,指出非线性蛇行运动存在着临界速度和转变速度,分别对应着蛇行运动的不同状态.研究了摇枕与侧架抗菱刚度、一系纵向刚度对非线性蛇行转变速度的影响.研究了不平顺对直线段货车脱轨稳定性的影响,结果表明波长6～8 m的方向不平顺和波长4～6 m的高低不平顺引起较大的脱轨系数和减载率,使脱轨危险性增大.计算和测试结果在规律上具有很好的一致性,从车辆结构和轨道状态两个方面解释了直线段货车脱轨的原因.     

再论构架蛇行波行为车轨（桥）时变系统横向振动激振源的合理性

车轨（桥）时变系统横向振动计算中的一个关键是此系统横向振动激振源的确定。迄今为止，国内外研究大多以轨道横向不平顺为此系统横向振动的激振源，但是引起此系统横向振动的因素很多，诸如轨道横向不平顺、车轮踏面锥度、轮轨缺陷及制造误差、车辆质量及其载重的偏心。仅考虑轨道横向不平顺，显然忽视了其他很多因素的作用，而这些因素的作用无法包含在轨道不平顺中，15年前，曾庆元院士就提出了以构架蛇行波作为车轨（桥）时变系统横向振动激振源的思想。本文再次从数学、力学角度对此思想进行了论证，并结合大量详实的经试验验证了的计算结果及近年来作者在车振实测及列车脱轨研究方面所积累的一些印证材料，充分说明了此思想的合理性及正确性。     

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。     

列车高速通过站台时的流固耦合振动研究

采用计算流体动力学(CFD)和多体动力学相结合的方法研究列车高速通过站台时的风致振动及安全问题。应用有限体积法和滑移网格模拟计算方法,通过求解三维瞬态可压缩N—S方程获取列车通过站台的气动力。运用Simpack软件建立3辆编组的动车组动力学模型,轨道不平顺条件选用美国六级谱,并将用CFD得到的气动力作为激励输入动车组动力学模型,对列车高速通过站台时的气动行为进行仿真计算,得到列车高速通过站台时的振动时程曲线。计算结果表明,列车高速通过站台时,在气动力作用下3辆车均不同程度向站台靠近,且尾车的尾部向站台靠近的距离最大,达到19mm;头车向站台靠近主要是由车体的摇头运动所致,中间车向站台靠近是由车体的横向摆动所致,而尾车向站台靠拢则是由车体的横摆运动和摇头运动共同作用所致。     

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.     

高速铁道车辆蛇行脱轨安全性评判方法研究

通过建立轮轨三维几何接触模型、整车动力学分析模型和轮轨碰撞模型,分析高速铁道车辆蛇行失稳后的蛇行脱轨过程及其影响因素.高速铁道车辆的蛇行脱轨过程是一个爬轨和跳轨并存的复杂过程,轮对的名义冲角和有效冲角分别对准静态的爬轨和动态的跳轨起着重要影响作用;随着轮对横移速度的增大、轮轨摩擦系数以及车轮垂向载荷的减小,车轮的跳轨高度越大;横向蠕滑力在整个蠕滑力中所占比例以及轮对横向运动能量越大,车辆越容易脱轨.因此高速铁道车辆的蛇行脱轨安全性应根据轮对横移速度限值并考虑车辆的横向运行稳定性进行评判.当高速铁道车辆分别表现为“超临界”和“亚临界”的蛇行失稳极限环分岔形式时,可分别采用转向架横向加速度移动均方根值方法和转向架横向加速度限值对其横向运行稳定性进行评判.     

横风下车体运动对高速列车气动性能的影响

为揭示横风下车体运动对高速列车气动性能的影响规律,通过数值模拟对典型车体运动形态下的横风气动性能开展研究。首先基于实车试验确定了横风下的车体典型运动形态并定义研究工况,然后通过改进的延迟分离涡模拟(IDDES)方法详细分析不同工况下的车体与转向架的气动载荷,以及列车周围的流场结构与表面压力变化情况。研究结果表明：横风下高速列车车体运动主要表现为侧滚与横移,车体的侧滚运动对列车升力的影响最明显,头、中、尾车升力均随着车体从迎风侧向背风侧运动而增大,并且车体向背风侧运动时,头车升力增大的幅度大于车体向迎风侧运动相同角度时减小的幅度;当车体运动时,第1转向架横向力、升力与倾覆力矩均增大;车体运动对列车头部、背风侧以及尾部的流动均有较明显的影响,车体向背风侧运动时,头车鼻尖区域流速降低,尾车鼻尖位置的高速流区扩大,并且由头部位置分离在背风侧形成的旋涡结构与车体的夹角呈增大趋势,旋涡流速减小;车体向迎风侧运动时,头车鼻尖区域流速增大,尾车鼻尖位置的高速流区缩小,并且从头部位置分离在背风侧形成的旋涡结构与车体的夹角呈减小趋势,而旋涡流速增大。     

城际动车组气动阻力优化的风洞试验研究

采用风洞试验方法对城际动车组气动阻力优化进行研究,获得不同侧滑角下的城际列车明线及横风气动阻力,并分析头部外形、风挡结构、车底设备对动车组气动阻力的影响规律。研究结果表明:侧偏角在0°～10°范围内,随着侧滑角增加,头车阻力系数逐渐增大,中间车阻力系数先增大后减小;尾车阻力系数对于侧滑角最敏感,头车次之,中间车最小。无横风时,设置外风挡显著减小了头车及尾车阻力系数,但导致中间车阻力系数增加约16.7%,整车阻力系数仅减小4%左右。安装设备舱后,车体底部杂乱的气流变得平顺,无横风时整车气动阻力系数较减小22%,而横风环境下整车气动阻力系数降幅可达25%。