彭 華 朱柏鋮 蔡小培 侯博文

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 北京 100044)

強(qiáng)側(cè)風(fēng)下高架橋上軌道列車的安全運(yùn)行

彭 華 朱柏鋮 蔡小培 侯博文

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 北京 100044)

城市軌道列車在高架橋上運(yùn)行時(shí)會(huì)受到強(qiáng)側(cè)風(fēng)的影響，危及列車的安全運(yùn)行。結(jié)合北京地鐵13號(hào)線、昌平線等線路的實(shí)際情況，針對(duì)強(qiáng)側(cè)向風(fēng)下列車的安全運(yùn)行問題，采用SIMPACK軟件建立單車三維動(dòng)力學(xué)仿真模型。以高速列車在側(cè)向風(fēng)下的空氣動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算得到的風(fēng)載荷數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出列車在低速行駛的風(fēng)荷載，分析強(qiáng)側(cè)風(fēng)對(duì)列車在高架線路曲線段上動(dòng)力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，在強(qiáng)側(cè)風(fēng)影響下，列車的輪軌動(dòng)力參數(shù)考察指標(biāo)(如輪軌橫向力、脫軌系數(shù)及減載率)均顯著增大。最后提出在強(qiáng)側(cè)風(fēng)影響下，列車在不同曲線半徑下安全運(yùn)行的最高車速參考值。

城市軌道交通;安全運(yùn)行;強(qiáng)側(cè)風(fēng);SIMAPACK軟件;動(dòng)力學(xué)仿真;減載率;最高車速

1 列車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

在進(jìn)行強(qiáng)側(cè)風(fēng)條件下的車線模型仿真計(jì)算時(shí)，做了如下簡(jiǎn)化:1)不考慮橋梁的本身結(jié)構(gòu)受力，以及橋梁在強(qiáng)側(cè)風(fēng)條件下的振動(dòng)和變形;2)不考慮組合列車的影響，僅考慮一節(jié)車輛的動(dòng)力學(xué)性能;3)在強(qiáng)側(cè)風(fēng)情況下往往伴有雨水，在本研究中不考慮水介質(zhì)對(duì)輪軌動(dòng)力的影響。

1.1 列車模型

結(jié)合虛擬樣機(jī)技術(shù)，應(yīng)用SIMPACK中的wheel/rail模塊建模，在前處理中輸入的模型參數(shù)包括各種不同被定義體的質(zhì)量、質(zhì)心、慣性力矩等。同時(shí)還要定義體結(jié)構(gòu)三維幾何形狀數(shù)據(jù)和體上要施加的各種力元、傳感器等標(biāo)志點(diǎn)及其安裝位置，然后輸入模型約束力等［3］;該車輛模型包含車體模型、2個(gè)轉(zhuǎn)向架及4個(gè)輪對(duì)。車體和構(gòu)架考慮各自的垂向、橫向、縱向、點(diǎn)頭、側(cè)滾和搖頭共6個(gè)自由度，車體和構(gòu)架之間由二系懸掛連接。單個(gè)輪對(duì)考慮輪對(duì)的垂向、橫移、側(cè)滾、搖頭共4個(gè)自由度，輪對(duì)同構(gòu)架之間由一系懸掛與構(gòu)架相連。單車模型考慮了34個(gè)自由度，所構(gòu)成的列車動(dòng)力學(xué)模型見圖1。仿真模型車體采用B 型車，載客狀態(tài)分別為 AW3(超員)、AW0(空載)［4］。

圖1 列車所受氣動(dòng)荷載的動(dòng)力仿真模型

1.2 軌道譜

根據(jù)北京地鐵4號(hào)線上的實(shí)測(cè)不平順樣本，導(dǎo)入SIMPACK生成軌道隨機(jī)不平順的樣本曲線。具體的軌道不平順樣本如圖2所示，(a)(b)分別為左軌軌向不平順、左軌高低不平順樣本。在圖2(a)中，從上到下依次為:左軌軌向不平順值與軌道長(zhǎng)度的關(guān)系(橫坐標(biāo)單位為m，縱坐標(biāo)單位為m)，左軌軌向不平順值的一階導(dǎo)數(shù)與軌道長(zhǎng)度的關(guān)系，左軌軌向不平順值的二階導(dǎo)數(shù)與軌道長(zhǎng)度的關(guān)系。同理，圖2(b)表示的是左軌高低不平順值、不平順值的一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)隨軌道長(zhǎng)度的變化走向。

圖2 軌道不平順樣本

1.3 曲線軌道的設(shè)定

要計(jì)算在不同曲線上的輪軌動(dòng)力安全參數(shù)，需設(shè)置不同的曲線半徑來進(jìn)行分析計(jì)算。參照《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》，計(jì)算選取的曲線半徑、緩和曲線長(zhǎng)度、曲線外軌超高如表1 所示［5］。

表1 曲線線型參數(shù)

1.4 模型計(jì)算

基于文獻(xiàn)［6］，建立了“風(fēng)-車輛-軌道”動(dòng)力學(xué)分析模型，計(jì)算10、11、12 級(jí)風(fēng)速，曲線半徑300 ～600 m，不同車速下的城市軌道列車安全運(yùn)行動(dòng)力學(xué)參數(shù)值。圖3計(jì)算的是AW3工況、12級(jí)強(qiáng)側(cè)風(fēng)、車速100 km/h、曲線半徑600 m的列車安全運(yùn)行動(dòng)力參數(shù)值。在風(fēng)荷載輸入方式中，5～18 s為風(fēng)荷載常加載時(shí)間段，0～3 s、15～18 s分別是增載和減載時(shí)間段。藍(lán)色曲線表示列車在背風(fēng)處車輪(左輪)的輪軌動(dòng)力參數(shù)時(shí)程曲線，紅色曲線表示列車在迎風(fēng)處車輪(右)的輪軌動(dòng)力參數(shù)時(shí)程曲線，圖中輪軌橫向力與脫軌系數(shù)出現(xiàn)負(fù)值，是因?yàn)榕cSIMPACK中的方向相反。

圖3 輪軌動(dòng)力參數(shù)

圖3中的結(jié)果同文獻(xiàn)［2］中的結(jié)果基本吻合。列車在此工況下，輪軌橫向力最大可達(dá)55.4 kN，脫軌系數(shù)為0.41，減載率最大為0.51。同時(shí)，由該計(jì)算結(jié)果可知，在強(qiáng)風(fēng)條件下，列車的背風(fēng)處車輪(左輪)的輪軌力最大值大于迎風(fēng)處車輪的輪軌力，左右輪軌的脫軌系數(shù)最大差值可達(dá)0.1。表明在強(qiáng)側(cè)風(fēng)條件下，列車背風(fēng)處車輪受力狀況惡化，極有可能發(fā)生危險(xiǎn)事故。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 工況選取

在橫風(fēng)環(huán)境下，合成風(fēng)總是以某一側(cè)偏角作用在車輛上，由于列車迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)流場(chǎng)的非對(duì)稱性，車輛必然經(jīng)受橫向氣動(dòng)力的作用。在橫向氣動(dòng)力和力矩的作用下，相對(duì)于在強(qiáng)側(cè)風(fēng)作用下，列車在運(yùn)行狀況下，要受到6個(gè)荷載的由風(fēng)力附加的荷載。在6個(gè)風(fēng)力荷載中，其中對(duì)列車安全運(yùn)行影響最大的荷載是側(cè)向力、側(cè)翻力矩、擺頭力矩、點(diǎn)頭力矩［7］。筆者討論的是列車在低速情況的安全運(yùn)行，不考慮升浮力和升浮力矩的影響［8］。當(dāng)車速和風(fēng)速相差不大時(shí)，合成矢量的大小和方向受風(fēng)速的影響較大，此時(shí)車輛受到的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩基本上與車速成線性關(guān)系［9］。表2為不同車速對(duì)應(yīng)的風(fēng)荷載參數(shù)。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

表3為曲線半徑600 m、列車在城市軌道高架橋段的安全參數(shù)。表4為曲線半徑為300 m、列車在城市軌道高架橋段的安全參數(shù)。根據(jù)表3～4可以得到:

1)在風(fēng)速12級(jí)、車速60 km/h，曲線半徑從600 m減小到300 m時(shí)，減載率從0.54變化到0.67，脫軌系數(shù)從0.35 增到0.39，橫向力從 35.8 kN 增到 40.6 kN，這表明:在一定情況下，減載率、橫向力受曲線半徑影響比較大，而脫軌系數(shù)受曲線半徑影響較小。所以，在強(qiáng)側(cè)風(fēng)的影響下，列車更容易發(fā)生傾覆的危險(xiǎn)。建議用減載率、橫向力來評(píng)定列車的安全運(yùn)行。

2)在12級(jí)風(fēng)速、600 m半徑下，車速?gòu)?00 km/h降到40 km/h，減載率從0.71減小到0.46，脫軌系數(shù)從0.51 減小到 0.28，橫向力從 55.4 kN 減小到 24.3 kN，這表明:在強(qiáng)風(fēng)條件下，列車速度降低，各項(xiàng)安全參數(shù)也隨之減小。

表2 不同工況下的動(dòng)力參數(shù)

表3 600 m半徑下的安全參數(shù)

表4 300 m半徑下的安全參數(shù)

2.3 確定不同工況下最高安全運(yùn)行速度

1)在計(jì)算完列車超員工況下的動(dòng)力學(xué)參數(shù)之后，需要根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同的動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。動(dòng)力學(xué)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為:輪軌橫向力限值為40 kN，脫軌系數(shù)限值為0.8，減載率限值為0.6。圖4所示為在曲線半徑為600 m的情況下，輪軌橫向力、脫軌系數(shù)、減載率在不同工況下的變化趨勢(shì)。

以圖4為例，采用插值法，觀察輪軌動(dòng)力安全參數(shù)走勢(shì)，從各個(gè)指標(biāo)中得出相對(duì)應(yīng)的最大速度，再在這三個(gè)最大速度中選取最小的速度，即為列車最高安全運(yùn)行速度。最后得出在曲線半徑為600 m，風(fēng)速分別為10、11、12級(jí)時(shí)列車的最高安全運(yùn)行速度分別為90、80、63 km/h。

圖4 曲線半徑為600 m的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

按照以上方法，改變線路參數(shù)，可以計(jì)算出曲線半徑為300、400、500 m時(shí)，城市軌道列車在不同風(fēng)速影響下的最高安全運(yùn)行速度(見表5)。

表5 超員情況下的最高安全運(yùn)行速度

2)同理，在空載情況下的，可以計(jì)算出在不同工況下的輪軌動(dòng)力學(xué)參數(shù)。圖5為工況AW0、12級(jí)強(qiáng)側(cè)風(fēng)、曲線半徑為300 m、列車在40 km/h速度下的輪軌動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

圖5 空載情況下的輪軌動(dòng)力學(xué)參數(shù)

在低速、空載情況下的輪軌垂向力、橫向力幅值隨時(shí)間變化趨于穩(wěn)定，輪軌橫向力值最大為30 kN，脫軌系數(shù)最大值為0.37，通過輪軌左右垂向力值計(jì)算出最大的減載率為0.625。而表4中超員情況下，輪軌橫向力值最大為30.9 kN，脫軌系數(shù)為0.32，減載率為0.62。所以城市軌道列車受強(qiáng)側(cè)風(fēng)影響時(shí)，分別在空載和超員的載客狀態(tài)下，其動(dòng)力參數(shù)響應(yīng)差異不大。

3)由于模型的簡(jiǎn)化，在實(shí)際中很多影響城市軌道列車在高架橋上安全運(yùn)行的因素并沒有完全考慮到，比如外部侵入物進(jìn)入線路軌道、水介質(zhì)的存在。綜合考慮，筆者引入安全系數(shù)對(duì)表5中的最高限速進(jìn)行修正，在此，安全系數(shù)取1.3。表6為城市軌道列車在高架橋上運(yùn)行時(shí)強(qiáng)側(cè)風(fēng)條件下的最高安全運(yùn)行速度。

表6 強(qiáng)側(cè)風(fēng)條件下的最高安全運(yùn)行速度

3 結(jié)論與建議

1)列車在受強(qiáng)側(cè)風(fēng)的影響時(shí)，分別在超員與空載的情況下，相應(yīng)的動(dòng)力安全參數(shù)差異不大，說明列車在運(yùn)行時(shí)的軸重差異對(duì)城市軌道列車在高架橋上安全運(yùn)行的影響差異不大。而主要影響安全運(yùn)行的因素是風(fēng)速大小、列車速度以及曲線半徑。

2)城市軌道列車在高架橋上受強(qiáng)風(fēng)影響，受力復(fù)雜多變，筆者沒有考慮到橋梁—軌道—車輛在多場(chǎng)作用下的耦合，以后有待深入研究。所以，為使城市軌道列車在高架橋上安全運(yùn)行，建議結(jié)合實(shí)際，參照表6中的最高限速值指導(dǎo)列車的安全運(yùn)行。

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Safe Operation of Beijing’s Railway Train on the Viaduct under Strong Crosswinds

Peng Hua Zhu Bocheng Cai XiaopeiHou Bowen
(School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044)

Abstract:Urban rail trains can be endangered by strong crosswinds.To solve of the problem of safe operation under strong crosswinds，SIMPACK software is used to establish a threedimension dynamic simulation model of the train running on the viaduct in Beijing Metro Line 13 and Changping Line.U-sing the aerodynamic simulation data of the high－speed train under crosswinds load，the paper deduced the train wind loads at low speeds，and analyzed dynamics performance of the trains on viaduct curve segments under strong crosswinds.The results showed that the parameters of wheel－rail such as wheel rail lateral force，derailment coefficient，and rate of wheel load reduction increased obviously under the influence of strong crosswinds.Finally，the paper put forward the maximum reference value of train speeds for different radius curves for safe operation under strong crosswinds.

Key words:urban rail transit;safe operation;strong crosswinds;SIMAPACK;dynamics simulation;rate of wheel load reduction;top speed

U231+.4

A

1672-6073(2014)01-0063-05

10.3969/j.issn.1672-6073.2014.01.016

收稿日期:2013-05-10

2013-06-28

作者簡(jiǎn)介:彭華，男，副教授，道路與鐵道工程方向，hpeng@bjtu.edu.cn

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2012JBZ011);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51108025)

隨著城市軌道交通的發(fā)展，線路正迅速延伸至城市遠(yuǎn)郊區(qū)，一般情況下這些地段都將優(yōu)先考慮采用高架線路或地面線路的形式。強(qiáng)風(fēng)對(duì)行車安全的威脅主要來自側(cè)向風(fēng)(橫向風(fēng))產(chǎn)生的橫向阻力。側(cè)向風(fēng)速越高，車速越高，對(duì)列車的傾覆威脅就越大。加上地鐵列車車輛的輕量化，導(dǎo)致其抗風(fēng)能力減弱。隨著極端天氣發(fā)生的頻率越來越高，危害越來越大，對(duì)地鐵高架橋梁在強(qiáng)風(fēng)(尤其是強(qiáng)側(cè)風(fēng))條件下“車-線-橋”系統(tǒng)的危險(xiǎn)因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)，量化指標(biāo)、分級(jí)響應(yīng)，最大限度地防范風(fēng)險(xiǎn)、規(guī)避災(zāi)害，保障列車安全運(yùn)行，成為當(dāng)前亟須研究的課題。針對(duì)強(qiáng)側(cè)風(fēng)的影響，德國(guó)、日本等國(guó)家已開發(fā)出可根據(jù)風(fēng)速的大小對(duì)列車車速實(shí)施同步調(diào)節(jié)的側(cè)風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)［1］，目前我國(guó)也在開發(fā)車載側(cè)風(fēng)安全預(yù)警和控制系統(tǒng)。為了更好地揭示在強(qiáng)側(cè)風(fēng)影響下列車的運(yùn)行狀況，借助SIMPACK軟件建立車輛-軌道分析模型，以推導(dǎo)出的列車在低速行駛下的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)作為外界輸入條件［2］，分析了強(qiáng)風(fēng)條件下的列車運(yùn)行安全參數(shù)，提出了列車安全運(yùn)行的速度閥值。

(編輯:曹雪明)