劉帥,梁樹林,王歡聲,池茂儒

(西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室,四川 成都 610031)

0 引言

近年來,隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步,我國的高鐵建設(shè)取得了舉世矚目的成就,不斷創(chuàng)造奇跡和驚喜是中國高鐵給人們留下的最深刻印象。截至2019年底,中國高鐵不僅在運行速度上以350km/h領(lǐng)先于世界各國,而且在運行規(guī)模上也以3.5萬公里的營業(yè)里程穩(wěn)居世界第一[1]。

當(dāng)列車以正常車速行駛于鐵道線路上時,會不可避免地受到各種風(fēng)載的作用,比如橫風(fēng)、隧道風(fēng)以及列車交會運行時的風(fēng)載。隨著動車組行駛速度的增加,相關(guān)的空氣動力學(xué)問題也會變得愈加突出[2-3],導(dǎo)致列車在通過這些區(qū)段或受到這些風(fēng)載的作用時,列車的動力學(xué)性能會受到明顯影響。國內(nèi)外學(xué)者針對側(cè)風(fēng)效應(yīng)和列車交會問題已經(jīng)開展了諸多數(shù)值模擬研究[4-6]。當(dāng)列車進(jìn)入隧道時,隧道與列車對空氣的擠壓作用引發(fā)的壓力波會導(dǎo)致隧道內(nèi)交變壓力的產(chǎn)生,一方面會嚴(yán)重影響乘客舒適性,另一方面也會對隧道內(nèi)襯砌與車體結(jié)構(gòu)的強度提出了一定的挑戰(zhàn)[7-8]。當(dāng)列車在隧道內(nèi)交會時,該問題會更加嚴(yán)重[9-10]。動車組高速交會時,交會側(cè)的空氣壓力發(fā)生突變,產(chǎn)生瞬態(tài)壓力沖擊,會對車體鋼結(jié)構(gòu)、側(cè)窗和車體橫向穩(wěn)定性帶來不利影響。交會過程中若遭遇較大的橫風(fēng),可使交會壓力波幅值增加,列車將承受更大的橫向沖擊載荷[11-12]。我國地形及氣象條件比較復(fù)雜,不少行車區(qū)段已處于強風(fēng)區(qū),而隨著高速鐵路的不斷發(fā)展,強風(fēng)區(qū)內(nèi)動車組交會不可避免[13-14]。因此,研究動車組在各種特殊風(fēng)載下的氣動效應(yīng)具有很強的現(xiàn)實意義。

本文基于時速400km中國標(biāo)準(zhǔn)化動車組的動力學(xué)參數(shù),利用SIMPACK軟件建立動力學(xué)模型,模擬了列車在無風(fēng)、橫風(fēng)激擾、列車交會以及通過隧道等狀態(tài)下的運行平穩(wěn)性,以便支撐動車組的設(shè)計工作。

1 動力學(xué)模型的建立

采用計算機數(shù)值仿真分析是車輛系統(tǒng)動力學(xué)最重要的研究手段之一,也是最常用的動力學(xué)分析方法。為研究列車中車輛的動力學(xué)性能等動力學(xué)問題,需要建立相應(yīng)的動力學(xué)分析模型。動力學(xué)數(shù)值仿真的核心問題是,根據(jù)分析問題的需求,從實際物理模型抽象出有針對性的、可靠的數(shù)學(xué)模型和多體動力學(xué)模型,然后采用合理的數(shù)值方法對所分析的問題進(jìn)行研究。歸根到底就是仿真模型要有針對性,要準(zhǔn)確可靠,數(shù)值方法要盡量減小誤差。動力學(xué)仿真涉及機車車輛結(jié)構(gòu)、多體系統(tǒng)動力學(xué)、數(shù)值計算方法、數(shù)據(jù)處理方法等多個方面[15]。

時速400km中國標(biāo)準(zhǔn)化動車組的車輪踏面外形采用LMA踏面,鋼軌采用CHN60鋼軌,輪對內(nèi)側(cè)距1 353mm,軌道不平順采用實測軌道譜。時速400km中國標(biāo)準(zhǔn)化動車組動力學(xué)模型由3節(jié)車組成,每節(jié)車由1個車體、2個構(gòu)架、4個輪對和8個轉(zhuǎn)臂組成,利用SIMPACK軟件建立時速400km中國標(biāo)準(zhǔn)化動車組的系統(tǒng)動力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 時速400 km中國標(biāo)準(zhǔn)化動車組的動力學(xué)模型

對于時速400km中國標(biāo)準(zhǔn)動車組的運行平穩(wěn)性計算,采用武廣50軌道譜,軌道具有4個方向的隨機不平順。在進(jìn)行運行平穩(wěn)性計算時,認(rèn)為軌道的隨機輸入是各態(tài)歷經(jīng)的,因此可以用一段有限長的時間歷程曲線來模擬車輛在實際線路上的運行情況。為了較為完全地反映車輛系統(tǒng)的實際動態(tài)響應(yīng),計算時先讓車輛在一段無激擾直線軌道上運行,然后在一段足夠長的不平順軌道上運行。

評價車輛運行品質(zhì)的主要指標(biāo)包括車輛運行橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度等,因此本文主要基于所建立的時速400km中國標(biāo)準(zhǔn)動車組的動力學(xué)模型,仿真計算列車在無風(fēng)、橫風(fēng)激擾、列車交會以及通過隧道等狀態(tài)下的運行品質(zhì),以便支撐動車組設(shè)計工作。

2 無風(fēng)工況下的車輛運行品質(zhì)分析

當(dāng)列車在無風(fēng)工況下運行時,列車運行的橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度分別如圖2—圖4所示。

圖2 橫向平穩(wěn)性(無風(fēng)工況)

圖3 垂向平穩(wěn)性(無風(fēng)工況)

圖4 乘坐舒適度(無風(fēng)工況)

由圖2—圖4分析可知在無風(fēng)狀態(tài)下:1)車速對列車橫向平穩(wěn)性的影響較大,對列車垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度的影響較小;2)在新輪和磨耗輪兩種狀態(tài)下,隨著車速的增大,頭車、中間車和尾車的橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度都在增大;3)同一車速等級下,在新輪狀態(tài)下,列車頭車的橫向平穩(wěn)性最大,中間車次之,尾車最小,3節(jié)車在設(shè)定的各個速度等級下均滿足橫向平穩(wěn)性的限值要求。在磨耗輪狀態(tài)下,列車中間車的橫向平穩(wěn)性最大,且當(dāng)車速大于400km/h時,中間車的橫向平穩(wěn)性超過限值要求。

3 有風(fēng)工況下的車輛運行品質(zhì)分析

3.1 “中國帽”橫風(fēng)

當(dāng)列車在橫風(fēng)的作用下運行時,列車運行的橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度分別如圖5—圖7所示。

圖5 橫向平穩(wěn)性(橫風(fēng))

圖6 垂向平穩(wěn)性(橫風(fēng))

圖7 乘坐舒適度(橫風(fēng))

由圖5—圖7可知在橫風(fēng)激擾下:1)車速對列車橫向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度的影響較大,對列車垂向平穩(wěn)性的影響相對較小;2)在新輪和磨耗輪兩種狀態(tài)下,隨著車速的增大,頭車、中間車和尾車的橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度都在增大;3)當(dāng)列車以同一車速運行時,均是列車頭車的橫向平穩(wěn)性最大,中間車次之,尾車最小,且在磨耗輪狀態(tài)下,當(dāng)車速大于400km/h時,中間車的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)略微超過限值要求。建議限定車輛運行速度在400km/h以下來保證車輛具有較優(yōu)的運行平穩(wěn)性。

3.2 列車交會運行

當(dāng)兩列車交會運行時,列車運行的平穩(wěn)性以及乘坐舒適度分別如圖8—圖10所示。

圖8 橫向平穩(wěn)性(交會運行)

圖9 垂向平穩(wěn)性(交會運行)

圖10 乘坐舒適度(交會運行)

由圖8—圖10分析可知當(dāng)兩列車交會運行時:1)車速對列車橫向平穩(wěn)性的影響較大,對列車垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度的影響相對較小;2)同一車速等級下,在新輪狀態(tài)下,列車頭車的橫向平穩(wěn)性最大,中間車次之,尾車最小,3節(jié)車在設(shè)定的各個速度等級下均滿足橫向平穩(wěn)性的限值要求;在磨耗輪狀態(tài)下,列車中間車的橫向平穩(wěn)性最大,且當(dāng)車速大于400km/h時,中間車的橫向平穩(wěn)性超過限值要求。建議當(dāng)兩列車在交會運行時,限定車輛運行速度在400km/h以下來保證車輛具有較優(yōu)的運行平穩(wěn)性。

3.3 隧道內(nèi)運行

當(dāng)列車在隧道中運行時,列車運行的橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度分別如圖11—圖13所示。

圖11 橫向平穩(wěn)性(隧道內(nèi)運行)

圖12 垂向平穩(wěn)性(隧道內(nèi)運行)

圖13 乘坐舒適度(隧道內(nèi)運行)

由圖11—圖13分析可知當(dāng)列車在隧道中運行時:1)車速對列車橫向平穩(wěn)性的影響較大,對列車垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度的影響相對較小;2)在新輪和磨耗輪兩種狀態(tài)下,隨著車速的增大,頭車、中間車和尾車的橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度都在增大;3)同一車速等級下,在新輪狀態(tài)下,列車頭車的橫向平穩(wěn)性最大,中間車次之,尾車最小,3節(jié)車在設(shè)定的各個速度等級下均滿足橫向平穩(wěn)性的限值要求;在磨耗輪狀態(tài)下,列車中間車的橫向平穩(wěn)性最大,且當(dāng)車速大于400km/h時,中間車的橫向平穩(wěn)性超過限值要求。建議當(dāng)列車在隧道中運行時,限定車輛運行速度在400km/h以下來保證車輛具有較優(yōu)的運行平穩(wěn)性。

4 結(jié)語

本文主要基于所建立的時速400km中國標(biāo)準(zhǔn)動車組的動力學(xué)模型,仿真計算列車在無風(fēng)、橫風(fēng)激擾、列車交會以及通過隧道等狀態(tài)下的車輛運行品質(zhì),所得結(jié)論具體如下。

1)在無風(fēng)、兩列車交會運行以及通過隧道的狀態(tài)下,車速對列車橫向平穩(wěn)性的影響較大,對列車垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度的影響較小;在橫風(fēng)激擾的狀態(tài)下,車速對列車橫向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度的影響較大,對列車垂向平穩(wěn)性的影響相對較小。

2)在無風(fēng)、橫風(fēng)激擾以及通過隧道的狀態(tài)下,在新輪和磨耗輪兩種狀態(tài)下,隨著車速的增大,頭車、中間車和尾車的橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性以及乘坐舒適度都在增大。

3)在無風(fēng)、列車交會運行以及通過隧道的狀態(tài)下,同一車速等級下,在新輪狀態(tài)下,列車頭車的橫向平穩(wěn)性最大,中間車次之,尾車最小,3節(jié)車在設(shè)定的各個速度等級下均滿足橫向平穩(wěn)性的限值要求。在磨耗輪狀態(tài)下,列車中間車的橫向平穩(wěn)性最大,且當(dāng)車速大于400km/h時,中間車的橫向平穩(wěn)性超過限值要求。

4)當(dāng)列車在橫風(fēng)激擾下運行時,在新輪和磨耗輪兩種狀態(tài)下,當(dāng)列車以同一車速運行時,均是列車頭車的橫向平穩(wěn)性最大,中間車次之,尾車最小,且在磨耗輪狀態(tài)下,當(dāng)車速大于400km/h時,中間車的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)略微超過限值要求。建議當(dāng)列車在橫風(fēng)激擾下行駛時,限定車輛運行速度在400km/h以下來保證車輛具有較優(yōu)的運行平穩(wěn)性。