文章编号横风作用下高速列车安全运行速度限值的研究

文章编号横风作用下高速列车安全运行速度限值的研究 文章编号横风作用下高速列车安全运行速度限值的研 究 第 卷第 期 铁 道 学 报 43 6 43 .l oV 6 .oN 2 0 1 2 年 6 月 LANRUOJ FO EHT ANIHC YAWLIAR YTEICOS enuJ 2102 文章编号 : ( ) 1001 0638 2102 608000 70 - - - 横风作用下高速列车安全运行速度限值的研究 1 1 1 2 3 , , , , 郗艳红 毛 军 高 亮 杨国伟 曲文强 ( , ; , ; .1 北京交 通 大 学 土 木 建 筑 工 程 学 院 北京 440001 .2 中 国科 学 院 力 学研究 所 北京 091001 南 车 青岛 四方机车车 辆 股 份 有 限 公司 国家 工 程 实验 室 , 山 东 青岛 ) .3 1116 62 摘 要 :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 得 到 。 以我 国 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 HRC 3 、 、 、 / , 、 、 、 / , 度分 别 为002 052 003 053 m和k083 h 横风速度分 别 为 01 51 02 52 和 0m3 s 风 向 角 为? 09 的 52 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 个 工 况 的车 辆 轨道动 力 学性 能 进 行 52 仿真计 算 和对 比 分析 。 结合 国家 标 准 和 技术 , 给 出 型 列车 在 平 地 上 运行 时 , 横风风速与列车 最 大 安 HRC 3 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 。 : ; ; ; ; 关键词 高速列车 横风 气 动特性 轮轨动 力 学 运行速度限值 : : : / 中图分类号 文献标志码 11 .072U A i9o6d93 .011001 .ns2s00ij..60 .2102 .063-8 hc r a e s eR n odeeh tt imi L e f a S dSe e f o a p iH h dsenei a rT r e dnu s s o rC dn iW g - p 1 1 1 2 3 , , , , IX naY noh OAM nuJ OAG na i L GNAY ouG i ew UQ neW na i - g g - -q g ( , , , ; e t u t i t sn I .1 l fi ov i C n i rn Ee engi gi eBnontjioagi Jt i s r evgi nU yi eB n4ji400g01 an i hC , , , ; e t u t i t sn I .2 s c i nf aohc eM e s en i hC meda c A s e cnyfe oi c S i eB n0ji910g0 1 an i hC , , , ) RSC.3 n i Q oganda feiv Si t omogc oL n i l l o&R kc ogt S .o C .d tL n iQ oga1d1166 2 an i hC : t c a r t s bA deehtTimi l e f a s sdpe e f o ai h g h -sdpen ei a r t r eddnn iuws so r c d l uoh s den ie abt b o lbayna n iy z egh to r e a - c idmyan edln ca i he v kcAa.src-ti t s ci irdmeyatn c a r ah c l a e r i h g h -sdpenei a r t f o Tpy e HRC s3awneka t r o fe s a c du t s ehT .n i a r t sdaewmus s a o tnur no eana l a e r alrleadncui r emun52 de t a l umi s n i tsaonroei t i dnoc nehw y p y p g , , , / , , , , ehnti a r t s sde e e r enwe soh c s a00 2 052 003dna053 mk08 3 dn hiewhstso r sce i t i co l e v s a 0 1 51 02dna52 p / m03 dsn a eh ntodin it wc e r i d n a egelhTs .a? 0 9sdec li it sa ti er de t c a r ah c fl oa e r o bs egi dn a o t pna agr pshdn a o s n o e r ewneka t ehoTt.tnniuoc c a c idmaenl c ishcevi t skciarrett a r ahc s e r r oc n i dno o teh tevoba o5n2i t a r e noc y - p g p g - sno i t i d de tear lewuc l a c lseevri t c e dna moc de r a neni i l h t iw c iehtts emod de rus a em kc a r t a r ts c e dna eh t r eG p y p p - , nakmc a r tn I .a r ts pceecnadr oc c a h t i w l eahn ot i t aNsdr adna t s l a cdin anhcse nto i t a c i f is pc e denr e cno c eh ta l e r - i hsno i t ne ewtpeb dn iewh stso r c t i co l e v dyna eh mutmi x am e f a sn i t ao rp e g sdpe e f oeh t H RC n i a 3r tn i nnu r gno a ena l a e r a eshTa.wdnuo f s t l us e r l l iw a l n iad i u e l o rl o rntinoc feof a sno i t ao r e fnoi aar t r ednu s so r c p p y g g p - .dn iw : ; ; ; ; eKs dyr ow i h g h -sdpenei a r t s so r c dn i-w dsocrie at s ic irmeyatnc a r ah c e l c i hev kc a r -t s c idmyan de t imi l eu l a v f o ehnti a r t sde e p [ ] 1 , 。 高速列车 在 强 横风作用下的 稳定 性 问题 十 分 突 出 横风 对 高速 铁路的运行安全 造 成 明 显 威胁 避 免 和减 小这 一 威胁 的 重 要 措施 之 一 是 对 在 横风条件下 收稿日期 : ; 修回日期 : 1102 50 02 1102 21 92 - - - - 基金项目 : 国家科技支撑 计 划 ( ) 209002ZYTG 运行的高速列车实行限速 。 国 内 外 针 对 大 风条件下高 第一作者 : 郗艳红 ( ,?) 女 , 河北 唐 山人 , 博士 。 0891 : lEi -am nc .ud@e b.ujt , 速列车的 空 气 动 力 学性 能 开 展 了 诸 多研究 对 横风 效 通讯作者 : 毛 军 ( ,?) 男 , 湖北 公 安 人 , 副 教授 , 博士 。 6691 : lEi -am ojanmc .ud@e b.ujt 应 所 引 起 的安全性 问题 进 行 了 分析 , 并 把 计 算 流体 力 06121404第 期 横风作用下高速列车安全运行速度限值的研究 6 9 学 和 动 力 学仿真 结合 起 来 对 高速列车的安全速度 进 行 ( ) 采 用相 对 运动 模拟 列车 附 近 的 外 流 场 。 使 用 2 [211 ] - 。 , 了探 讨 由 于 这些 研究 对 列车的 几何 外 形 进 行 了 剪 切应力 输 运 模 型 湍 流 模 型 流 场 内 黏 性流 TSS k -ω , , 、 , [ 。] 过 度 简 化 且 将 横风风 场取 为 均 匀 风 与实 际 情 况 有 一 体 为 可 压缩 定 常 流动 流动控制方 程 见 文 献 用 31 定 差 异 。 本文 以我 国 型 高速列车 在 平 原 上 运行 有 限体 积 法 ( ) 将 控制方 程 离散 , 扩散项 用 二阶精 HRC 3 MVF 为 例 , 根 据 其 真实 外 形 和 细 部 结 构 建 模 , 横风风 场取 为 度 中 心 差 分 格 式 离散 , 用分 离 式 解 法 对 离散 后 的控制 , _ 。 , 大 气底 层 边 界 速度 型 风 场 采 用 软 件 对 方 程 组求 解 使 用 法 耦合 压 力 速度 场 压 RATS M+CC ELPMI S - 高速列车 以 不同 行 驶 速度 在 不同 风速横风 中 运行 时 的 力 采 用 迭代 法 修 正 。 气 动特性 进 行数值 模拟 计 算 , 并 采 用 软 件 进 计算 域 及网 格划 分 KCAPMI S 2 .1 , [ ,] 行动 力 学仿真 初 步 给 出 横风作用下高速列车的 最 大 安 流 场 计 算 模 型 参 照 文 献 计 算 域 的 长 度 为 41 。 、 、 。 全运行速度限值与横风风速 之 间 的 关 系 宽 度 为 高度 为 列车 头 部 鼻尖 0m24 0m24 0m01 处 到 计 算 域前 端 边 界 距离 取 , 尾 部 距 计 算 域后 0m21 横风 作 用下高速列 车 的空 气 动力学 计算 1 端 边 界 取 , 横风 入 口距 列车的 距离 取 , 横 0m03 0m21 。 在 通 过模 型 实验 确 定 了 数值 模拟 方法的 适 用性的 风 出 口距 列车的 距离 取 0m03 [ ] 7 , , 基 础上 对 高速列车 在 平 原 上 运行的横风 效 应 进 行 采 用 六 面 体 网 格 在 车体 表 面及地面 处 生成 边 界 数值 模拟 分析 。 层 网 格 , 加 密尾 流 、 列车 表 面和 受 电 弓 等 流 场 变化 较 大 。 计算模型 与条件 区 域 的 网 格 整 个 计 算区 域 的 网 格 总 数 约 为 万 1 .1 300 1 , 。 列车 中 部 截 面不 变 缩 短 的 模 型 不 改 变列车流 场 个 [ ] 6 结 构 的基 本 特 征 , 采 用 辆 车 编 组 , 即 头 车 拖 车 横风 作 用下高速列 车 所受的 气 动荷载 3 + + 3 .1 尾 车 , 长 度分 别 为 、 和 , 对 车速 为 、 、 、 、 / , 风速 为 5m76 .52 5m77 .42 5m76 .52 002 052 003 053 m0k83 h , , 、 、 、 、 / , 列车 宽 度 为 高度 为 考虑 真实的 转 风 向 角 为 的 个 组 合 工 况 5m62 .3 9m8 .3 01 51 02 52 0m3 s ? 09 52 、 。 : 。 , 向 架 受 电 弓 和 风 挡 等 主 要 计 算 工 况 和 条件 是 进 行 气 动 荷载 模拟 计 算 由 于 工 况 较 多 仅 在 表 中 1 ( ) 车速 为 、 、 、 、 / ; 横风 采 列 出了 部 分 工 况 的的计 算 结 果 。 由 于 气 动 力 模拟 与轮 1 002 052 003 053 m0k83 h , [ ,] , 用 大 气底 层 边 界 速度 型 根 据 文 献 在 气 象 上 轨动 力 学仿真的 坐标 系 不同 这些气 动 荷载 在 加 载 到 21 、 、 、 、 / , , 高度 处 的风速分 别 为 横风 多体动 力 学仿真 模 型 上 时 进 行 了 变 换 动 力 学仿真的 0m1 01 51 02 52 0m3 s 风 向 角 为 。 参 考 坐标 系 如 图 所示 。 ? 09 1 表 1 横风 和 列 车 风形 成 的列 车气 动荷载 1- 车速 (/ ? ) mk h - / / / (/ ? ) (/ ? ) (/ ? ) 车 辆 F x Nk F y Nk F z Nk M x Nk m M y Nk m M z Nk m 1- 风速 (/ ? ) m s 083 0-1 43 .381-9 .02- 87 .1- 80223.8944.0.6715-1- 053 51 14 .7281-4 .9273-1 .8- 498171525..71.43110-2- - 头 车 003 02 2 .9- 4749.30.41-2- 793.221.72391-.922- - 052 52 1406.06-.964-9 .43- 70790867..83.11112-2- - 002 03 76 .33-039.03.68-2- 35 .71 627 .53061- 230 . - 083 0-1 602 .851-7 .7- 772 .67-4 .2- 955 .5- .01- 370 053 5-1 984706.336.71-27.1-0622-.3- 396 .1 72 .2 拖 车 003 0-2 19 .371-8 .71-5 .23- 69 .1- 71 .04 20 .61 052 5-2 349991.301.11-5.2-23- 88 .1 981 .75 786 .22 002 0-3 69 .8-29 .164-1 .64- 9 .0 57 .77- 55 .8- 083 0-1 862 .51- 8077.15.819-58 .0-47 .0-911 .89- 053 5-1 368 .41- 72153.625.9919-.0- 31 1.0326 .721- 尾 车 003 0-2 13 .31- 84 .3-87 .01- 65 .2 92534.9.551- 052 52 663 .73115-66.95-.42- 88 .2 32 4.4743-.591- - 002 03 674 .9-46 .9- 4 .92- 426 .2 19 .1490 .851- - 铁 道 学 报 第 卷 43 1 0 图 列车 所 受 气 动 荷载和 动 力 学仿真计 算 模 型 1 器 等 非 线性 环 节 。 横风 作 用下高速列 车 的动力学 仿真 2 / 采 用实 际 的 轮 对 踏 面和 钢轨相 G2001S k06 m g ; 、 动力学 仿真模型 匹 配 考虑 轮轨 蠕滑 非 线性 及 车 辆 系 统中 一 二 系横 1 .2 与 空 气 动 力 学 模 型 相 对应 , 建立 由 头 车 、 拖 车 和 尾 向 、 垂 向减 振 器 及 横 向 止 挡 的 非 线性特性 ; 基于 等效 的 车 组 成 的高速列车动 力 学 模 型 , 如 图 所示 。 接触特性 , 使 用 简 化的滚动接触 非 线 1 na i z t r eH r ek l aK , 。 动车 组 中 每节 车 辆 模 型 为 车体 构 架 轮 对 的 组 性 理 论 算 法 计 算 轮轨 间 蠕滑 力和 蠕滑 力 矩 - - mi s t s aF 。 合 每 一 转 向 架 由 轴箱悬挂 和中 央悬挂 部 分 组 分 别采 用 德 国 低 干 扰 轨道 谱 和 京 津 线实测轨道 谱 作 为 2 成 。 轴箱悬挂 包括 垂 向 、 横 向和 纵 向 个 方 向 的 弹 轨道 随 机 激 扰 输 入 。 3 簧刚 度 以 及 垂 向减 振 器 阻 尼 。 中 央悬挂 为 空 气弹 动力学 仿真结 果 2 .2 , 、 簧 其 悬挂 参 数 包括 垂 向 横 向和 纵 向 个 方 向 的 非 表 为 采 用 德 国 轨道 谱 和 京 津 线轨道 谱 对 个 3 2 52 线性 弹簧刚 度 和减 振 器 阻 尼 。 车体 和 转 向 架 均 分 别 工 况 进 行仿真的轮轨动 力 学性 能 参 数的计 算 结 果 。 由 具有 纵 向 、 横 向 、 垂 向 及 侧 滚 ( 绕 轴 、) 点 头 表 可 知 , 全 部 工 况 的轮 轴 横 向力和 轮轨 垂 向力 均 在 x z x 2 y ( 、) ( ) , , 绕 轴 摇 头 绕 轴 等 个 方 向 的 自 由 度 轮 对 安全限值 内 但脱 轨系数 和减载 率 则 出 现 了 超 过 安全 z 6 y 、 、 。 。 , 则 具有 横 向 垂 向 侧 滚 和 摇 头 个 自 由 度 节 车 限值的 情 形 因 此 应 根 据 脱 轨系数 和减载 率 的 标 准 4 3 之 间通 过 车 钩缓 冲 装 置 依 次相 连 。 模 型 还 包含 较 为 极 限值 来 确 定 横风下的车速 阈 值 。 完 整的轮轨接触 几何 关 系 、 横 向 缓 冲 器 、 抗蛇 行 减 振 表 2 横风 作 用下的轮轨动力学参数 京 津 线轨道 谱 德 国 轨道 谱 风 速 车速 最 大 脱 最 大 轮 轴 横 向 轮轨 垂 向 最 大 脱 最 大 轮 轴 横 向 轮轨 垂 向 1- 1- (/ ? ) (/ ? ) m s mk h 轨系数 减载 率 力 / 力 / 轨系数 减载 率 力 / 力 / Nk Nk Nk Nk 002 90 .0 83 .0 8 .6 8 .39 01 .0 04 .0 0 .6 0 .401 052 01 .0 34 .0 1 .7 0 .59 51 .0 84 .0 5 .6 1 .401 01 003 11 .0 84 .0 2 .8 0 .69 02 .0 05 .0 8 .7 1 .501 053 51 .0 45 .0 1 .01 0 .69 42 .0 95 .0 1 .01 0 .601 083 61 .0 95 .0 8 .9 1 .79 34 .0 46 .0 3 .11 0 .701 002 82 .0 93 .0 1 .7 2 .49 81 .0 24 .0 4 .9 1 .001 052 53 .0 34 .0 5 .11 2 .89 24 .0 05 .0 1 .11 2 .011 51 003 84 .0 15 .0 5 .21 1 .001 26 .0 16 .0 2 .31 1 .611 053 16 .0 66 .0 1 .61 9 .701 77 .0 77 .0 7 .51 2 .031 083 57 .0 27 .0 5 .71 1 .511 58 .0 28 .0 4 .71 1 .831 002 04 .0 24 .0 1 .41 1 .001 54 .0 54 .0 5 .31 1 .501 052 95 .0 55 .0 1 .71 0 .201 06 .0 06 .0 7 .61 1 .211 02 003 56 .0 26 .0 2 .91 0 .801 37 .0 86 .0 8 .71 2 .121 053 47 .0 18 .0 1 .22 9 .611 29 .0 68 .0 5 .22 0 .631 083 87 .0 88 .0 2 .52 0 .811 69 .0 29 .0 3 .52 2 .931 第 期 横风作用下高速列车安全运行速度限值的研究 6 1 1 续 表 横风作用下的轮轨动 力 学 参 数 2 京 津 线轨道 谱 德 国 轨道 谱 风 速 车速 最 大 脱 最 大 轮 轴 横 向 轮轨 垂 向 最 大 脱 最 大 轮 轴 横 向 轮轨 垂 向 1- 1- (/ ? ) (/ ? ) m s mk h 轨系数 减载 率 力 / 力 / 轨系数 减载 率 力 / 力 / Nk Nk Nk Nk 002 15 .0 35 .0 1 .91 2 .501 55 .0 45 .0 3 .51 1 .011 052 16 .0 16 .0 1 .22 1 .701 37 .0 96 .0 2 .22 1 .811 52 003 07 .0 47 .0 1 .62 0 .211 88 .0 18 .0 1 .52 0 .231 053 57 .0 38 .0 282 0 .121 00 .1 29 .0 4 .72 1 .041 083 87 .0 19 .0 3 .03 1 .421 51 .1 00 .1 2 .23 1 .241 002 65 .0 06 .0 1 .32 1 .711 06 .0 26 .0 3 .42 1 .121 052 86 .0 57 .0 2 .82 1 .021 28 .0 87 .0 2 .62 3 .531 03 003 47 .0 38 .0 2 .33 0 .321 98 .0 88 .0 4 .33 2 .631 053 57 .0 29 .0 1 .93 1 .031 40 .1 89 .0 5 .53 2 .841 083 67 .0 69 .0 1 .04 1 .431 02 .1 00 .1 6 .73 1 .751 图 为 脱 轨系数 随 风速 和 车速变化的 关 系曲线 。 2 图中 虚 线 对应 于 《 铁道车 辆 动 力 学性 能 评 估 和试 验 鉴 [ ] 51 》 , 定 规范 给 出 的 脱 轨系数安全限值 根 据 它们 与 脱 轨系数变化曲线的 交点可 以 得 到以 脱 轨系数作 为 安全 判 据 的 、 列车 在 某 一风速下的安全速度 阈 值 , 也 可 以 得 到 某 一列车速度 所 对应 的 最 大 横风风速 。 京 津 线轨道 谱 德 国 轨道 谱 --- 临 界 动态 减载 率 ? ? 图 轮 重 减载 率 随 列车速度的变化曲线 3 图 可 知 , 在 各 个 风速下 , 头 车的 最 大 减载 率 均 随 着 车 3 速的 增加而增 大 。 若 采 用 京 津 线轨道 谱 , 风速 低 于 / , 时 各 个 车速下的 最 大 减载 率 都 未 超 过 临 界 动 5m1 s 态 减载 率 ( 。) 而 若 采 用 德 国 轨道 谱 , 在 横风风速 为 8 .0 京 津 线轨道 谱 德 国 轨道 谱 临 界 脱 轨系数 ? ? --- / 的 范围 内均 出 现 了 减载 率超 限的 情 况 : 风 51 0m3 s ~ 图 脱 轨系数 随 列车速度的变化曲线 2 / , / 速 为 时 车速 工 况 的 减载 率 为 5m1 s m0k53 h 由 图 可 知 , 在 各 个 风速下 , 最 大 脱 轨系数 均 随 2 , , / 接 近 于 临 界 值 车速 工 况 的 减载 率 则 。 , 77 .0 mk083 h 着 车速的 增加而增 大 若 采 用 京 津 线轨道 谱 在 各 车 为 ; 风速 为 / 时 , 车速 / 和 28 .0 0m2 s 0mk53 h 速下的 最 大 脱 轨系数 都 未 超 过 临 界 脱 轨系数 ( ,) 仅 8 .0 / 工 况 的 减载 率 分 别 为 和 ; 风速 为 mk083 h 68 .0 29 .0 以 脱 轨系数作 为 安全 判 据 就 可 认 为 列车 没 有 脱 轨的 危 / , / 、 / / 时 车速 和 工 。 , 5m2 s mk003 mhk053 h mk083 h 险 而 若 采 用 德 国 轨道 谱 则 在 横风风速 为 51 ~03 、 ; / 况 的 减载 率 分 别 1为8 .0 29 .0 和0 .1 风速 为0m3 s / 的 范围 内均 出 现 了 脱 轨系数 超 限的 情 形 : 风速 为 m s 时 , 车速 / 、 / 和 / 工 况 的 减 / , / ; mk003 mhk053 h mk083 h 时 车速 工 况 的 脱 轨系数 为 风 5m1 s mk083 h 58 .0 、 , / / , / / 载 率 分 别 为 和 且 工 况 的 减 速 为 0m2 s 时 车速 m0k53 h m和0k83 h 工 况 的 88 .0 89 .0 0 .1 mk052 h 载 率 也 达 到 , 接 近 于 临 界 减载 率 。 脱 轨系数分 别 为 和 ; 风速 为 / 时 , 车 87 .0 29 .0 69 .0 5m2 s / 、 / / 同 样 , 根 据 文 献 [ ] 给 出 的 减载 率 安全限值 , 可 以 速 和 工 况 的 脱 轨系数 51 mk003 mhk053 h mk083 h 、 分 别 为 、 和 。 得 到以 减载 率 作 为 安全 判 据 的 列车 在 某 一 风速下的 88 .0 0 .1 0 .1 。 。 图 是 车速与 最 大 减载 率 之 间 的 关 系曲线 由 安全速度 阈 值 3铁 道 学 报 第 卷 43 1 2 列 车运行 速 度 安全域 分 析 高安全运行速度 有 所 不同 ; 采 用 不 同 轨道 谱 计 算 得 到 3 .2 , / , 由 图 可 知 在 列车速度 和 风速 的 最 高安全运行速度 也 不 相 同 轨道 谱 对 动 力 学仿真 2 002 mk0~83 h / , 。 范围 内 使 用 京 津 线轨道 谱 得 到 的 脱 轨系 结 果 的 影响 比 较 大 京 津 线实测轨道 谱 与 德 国 低 干 扰 01 ~0m3 s 数 均 未 超 限 , 因 此以 脱 轨系数 为 判 据时 , 只 给 出 德 国 轨 轨道 谱 相 比 , 前 者 反 映 的 京 津 线线路状态 良好 , 总 体 优 道 谱 下的速度限值 。 由 上 述 计 算 和 分析 可 知 , 根 据不 于 后 者 。 使 用 德 国 低 干 扰 轨道 谱 计 算 的动 力 学指 标 普 , 。 同 动 力 学性 能 参 数的安全指 标 限值 可 以 确 定 列车 在 遍 高于 使 用 我 国京 津 线轨道 谱 计 算 的动 力 学指 标 若 横风作用下的安全速度 阈 值 , 见表 。 根 据 表 可 以 以 德 国 低 干 扰 轨道 谱 进 行仿真计 算 , 制 定 横风作用下 3 3 得 到 拟 合 曲线 , 如 图 所示 。 的列车安全运行速度限值 , 将 偏 于 保 守 和 安全 。 4 ( ) , ; 风速 越 大 列车 最 高安全运行速度 越 低 风速 2 / 表 横风 作 用下的列 车 速 度 限值 3 mk h , 。 越 小 列车 最 高安全运行速度 越 高 如果使 用轮轨 垂 以 脱 轨系数 以 减载 率 为 判 据 风速 为 判 据 向力和 轮 轴 横 向力 作 为 列车安全运行的控制指 标 , 则 1- (/ ? ) 使 用 德 国 使 用 德 国 使 用 京 津 m s 在 所 计 算 的列车速度 为 / 的 范围 内 都 002 m0k83 h ~ 轨道 谱 轨道 谱 线轨道 谱 ; 是 安全的 如果 以 脱 轨系数 和 轮 重 减载 率 作 为 控制指 01 30 .914 46 .034 00 .264 , , 标 则 在 达 到 危 及 安全的速度限值 前 其 他 安全性指 51 96 .063 03 .763 85 .204 标 , 如 轮轨 垂 向力和 轮 轴 横 向力 等 均 在 安全限值 以 内 。 02 24 .513 46 .633 00 .753 , 因 此 建议 同时 以 脱 轨系数 和 轮 重 减载 率 作 为 确 定 高 52 01 .372 61 .692 09 .133 , 速列车 在 横风 环境 中 最 高 允许 运行速度的 依 据 使 高 03 31 .442 05 .062 69 .772 速列车 在 复 杂 风 环境 下 具有足够 的运行安全性 。 横风 作 用下列 车运行 速 度 限值 3 , 上 述 分析 表 明 脱 轨系数 和 轮 重 减载 率 作 为 控制 安全 允许 行车速度的动 力 性 能 参 数 , 采 用 京 津 线实测 , 轨道 谱 和 德 国 低 干 扰 轨道 谱 计 算 的 结 果 也 不 相 同 因 , 此需 要 进 行 统 筹 考虑 确 定 列车 在 横风 环境 中 运行的 速度安全 域 。 京 津 线轨道 谱 德 国 轨道 谱 ? ? 由 拟 合关 系 式 ( ) 可 知 , 无 风 时 的列车限速 临 界 2 图 4 不同 判 据 确 定 的风速 车速 关 系 - / ; ( ) 值 为 由 式 得 到 的 无 风 时 的列车限 mk32 .375 h 3 , 使 用 德 国 轨道 谱 时 得 到以 脱 轨系数 为 判 据 的风 / 。 , 速 临 界 值 则 为 为了 验 证 其准 确 性 对 m6k3 .845 h 速 车速 拟 合 曲线的 函 数 关 系 为 - 列车速度 为 / 、 无 横风的 工 况 进 行 了 气 094 mk055 h ~ V r t x,am = 动 力和 轨道动 力 学计 算 。 2 ( ) 671 .0 6 8297v. w51- 9 201 .v9 w55+ 1 , 计 算 表 明 这些 工 况 的 最 大 轮 轴 横 向力和 轮轨 垂 相 关 系数 为 。 式中 , 和 分 别 为 999 .0 96 V , v r t xam w 向力 均 未 超 过 限值 , 而 脱 轨系数 和 轮 重 减载 率 则 有 超 列车的 最 大 安全运行速度 和 风 向 角 的横风风速 , ? 09 过 限值的 情 形 。 风速 为 零 时对应 的 极 限速度分 别 是 单位分 别 是 / 和 / 。 由 式 ( ) 可 知 , 无 横风 时 mk h m s 1 / ( , 、) 以 脱 轨系数 为 判 据 德 国 轨道 谱 m2k05 h 的列车限速 临 界 值 为 / 。 mk21 .955 h / ( , ) / 以 减载 率 为 判 据 德 国 轨道 谱 和 mk105 h mk135 h 以 载减 率 为 判 据 速风的 速车 拟 合 的线曲 函 数 关 系 为 - ( 以 减载 率 为 判 据 , 京 津 轨道 谱 。) 它们 与 从 图 和 拟 4 使 用 京 津 实测轨道 谱 合关 系 式 ( ) 式 ( ) 得 到 的 结 果 有 所 差 别 , 需 要 进 1 3 ~ V , = r t xam 。 : 行 修 正 方法 是 将 零 风速的 临 界 速度 点 加 入 表 和 3 2 ( ) 980 .0 38863v.21- 24332 .v375+ 2 w w 图 中 , 形 成 新 的 以 脱 轨系数 和减载 率 为 判 据 的风速 3 - 使 用 德 国 低 干 扰 轨道 谱 车速曲线 , 从 而 得 到 不同 横风作用下的列车运行速度 V r t x,am = , 。 安全 域 如 图 所示 5 2 ( ) 031 .0 1 2134v.3w1- 67 593 .v84w5+ 3 以 脱 轨系数 为 判 据 的风速 车 速 拟 合 曲线的 函 数 - 。 相 关 系数分 别 为 和 关 系 为 889 .0 9 3 299 .0 8 7 : 图 表 明 ( ) 4 V763 ,.005= 878 .8-9 4v 4 r t xam w ( ) 。 由 不同 安全性指 标 限值 所 确 定 的控制列车 最 相 关 系数 为 由 该 式 可 推 算 出 列车 静止 1 699 .0 1 9第 期 横风作用下高速列车安全运行速度限值的研究 6 1 3 线性 关 系 。 ( ) 。 轨道 谱 对 动 力 学仿真 结 果 的 影响 比 较 大 3 使 用 德 国 低 干 扰 轨道 谱 计 算 的动 力 学指 标 普遍 高于 使 用 我 国京 津 线轨道 谱 计 算 的动 力 学指 标 。 若 以 德 国 低 干 扰 轨道 谱 进 行仿真计 算 , 进而 制 定 列车安全运行速 , 。 度限值 将 偏 于安全 ( ) 型 列车 在 平 地 上 运行 时 , 横风风速与 4 HRC 3 列车 最 大 安全运行速度 之 间 的 对应关 系 近 似 为 线性 关 图 横风作用 时 列车 在 平 地 上 运行的速度安全 域 5 。 , / , 系 在 风速 较 低 例如 小 于 时 采 用 由 两 种 轨 0m2 s 时能 承 受 的 最 大 风速 为 / 。 5m3 .65 s , 道 谱 仿真计 算 给 出 的列车 最 大 运行速度基 本 相 等 可 以 减载 率 为 判 据 的风速 车速 拟 合 曲线的 函 数 关 - 以 取 偏 安全 裕 量 小些 的 最 大 运行速度 ( 由 京 津 线实测 系 为 轨道 谱 计 算 ;) 在 风速 较 大 , 例如 大 于 / 时 , 建议 0m2 s 使 用 德 国 低 干 扰 轨道 谱 ( 选取 偏 安全的 最 大 运行速度 由 德 国 低 干 扰 轨道 谱 计 ( ) V84r t6 x,.am105= 671 .8 -6 5v w 5 。) 算 使 用 京 津 实测轨道 谱 ( ) V458 ,.435= 664 .8 -3 9v 6 r t xam w : 参考 文献 相 关 系数分 别 为 和 。 由 它们 699 .0 15 599 .0 79 [ ] 刘 庆 宽 , 杜彦良 日 本 列车横风 和 强 风 对 策 研究 [ ] 铁道 1 . J . 推 算 出 当 列车 静止 时能 够 承 受 的 最 大 风速分 别 为 , , ( :) 学报 8002 03 1 28 .8-8 / / 。 和 5m3 .16 s7m1 .36 s , UIL n i Q ngau-k UD n aYna i -nli a rdgTn.iws s o r -c dn nao r t S g 根 据 拟 合关 系 式 ( ) 式 ( ) 以 及图 可 以 得 4 6 4 ~ [ ] e r us adenmirWe t nuo C hc r a e s e R n i a J lpnaan r uJo J. f oeh t / 到 横风风速 从 范围 内 任 一风速下的列车 01 ~0m3 s , , ( :) an i hCawl i aR t e i c oS 8002 03 1 28 .88 y y - 。 限速值 采 用 京 津 线实测轨道 谱 和 德 国 低 干 扰 轨道 [ ] 2 REKAB CenhoT.Ji t a l umi S dafeot snU do r eA c iman y y 谱 , 列车的 最 大 运行速度 都 随 着 横风风速的 增 大 而 减 [ ] s s o rC dn iWs e c r o F snn oi a rT l an rJuo J. f odn iW nE gi - 。 , 小 但 同 一风速下 两 者 给 出 的列车 最 大 运行速度 有 , , : n i r e en l a i rdgtnasudn I do r eA s c imyan 0102 89 88 .9-9 , , 。 一 定 的 差 异 风速 越 小 差 异 越 小 采 用 德 国 低 干 扰 轨 [ ] IN3IRARRAC t i l i ba i l eR.A de s aB l anA s i s f oeh ts s o rC y y - [ ] 道 谱 得 到 的列车 最 大 安全速度 低 于 采 用 京 津 线实测轨 tdni ilwi ba t S awflo i aRs e l c i heV l an rJuo J. f odn iW y y , , : , 。 n i rnEe engi l a i grdntasud n I do r eA s c imyan 7002 59 394 - 道 谱 得 到 的列车 最 大 安全速度 偏 于安全 当 风速 不 .905 超 过 / 时 , 二 者 的 差距 不 超 过 ; 当 风速 为 0m2 s %5 02 [ ] , ON4ALLERO RAEBOHCS nOM. ed i S tdni ilwi ba t S f o - y / 时 , 二 者 的 差距 从 逐 步增 大 到 左 ~0m3 s %5 %41 [ ] iH h sdsenei a rT e l c iJheV. meSt s s c iDman uS e l g - p y y pp - 。 , , / , 右 因 此 在 风速 较 低 时 例如 小 于 时 采 用 由 0m2 s , , : t nem 3002 04 341 .06-1 两 种 轨道 谱 仿真计 算 给 出 的列车 最 大 运行速度基 本 相 [ ] , , 5 UHGAR ANSAHTANUHGAR H D bmiK o t eS .T g u - 等 , 可 以 取 安全 裕 量 略 小 的 最 大 运行速度 ( 由 京 津 线实 [ ] do r e.Ai hc s c iman f o iH h sde eawl i aR n i a rT J y g - p y ;) , / , 测轨道 谱 计 算 在 风速 较 大 例如 大 于 时 选 0m2 s , , : o rP . s s e r nsio r eA s eeccnae i cS 2002 83 964 .415 g p - 取 偏 安全的 最 大 运行速度 ( 由 德 国 低 干 扰 轨道 谱 计 [ ] , , 6REIHK WREUERB M TSRUD wo l F.Fe r u t cu r t S A - 。) 算 : dnuo r sn i a rT r ed nu ed i S sndon iiWt i dn oC l a c i rae muN [ ] , , : du t S mJoC . s r e t usd i u l&F 0002 92 971 .591 y p - 结 论 4 [ ] , , 7 毛 军 郗艳红 杨 国 伟 . 侧 风风 场 特 征 对 高速列车 气 动性 [ ] , , ( :) 能 作用的研究 铁道学报 J . 1102 33 4 22 .0-3 : 列车 气 动 力荷载和 轮轨动 力 学仿真计 算 表 明 , , OAM nu J IX n aY no-h g GNAY hc r aoe usGeR.i e-w n o n I - ( ) 高速列车 以 不同 速度 在 风 向 角 的横风 中 1 ? 09 esccneiutlsfi r e t cfa or ahC sf soo rC dn iWd l e i F ndoo r eA y - 运行 时 , 各 节 车 辆 的 气 动 荷载和 轮轨动 力 学性 能 相 差 [ ] ce cimnaanmr o f r eP f o a iH h sde ne i a rT l an rJuo J. f o g - p 。 较 大 横风 对 列车 头 车的 气 动性 能和 运行 稳定 性的 影 , , ( :) ehatn i h Cawl i a R t e i cyoS y1102 33 4 22 .0-3 响 最 大 , 可 以 通 过 头 车的运行 稳定 性分析 来 评 估 整车 [ ] 毛 军 , 马小 云 , 郗艳红 基于流动 模拟 和 动 力 学仿真的高速 8 . 的运行 稳定 性 。 列车横风运行 稳定 性研究 [ ] 北京交 通 大 学学报 , , J . 1102 ( ) , 横风风速 和 列车运行速度 越 大 头 车的动 力 2 ( :) 53 1 44 .84 - 学性 能 参 数 越 大 , 但 并 非 呈 线性 关 系 ; 根 据 这些 性 能 参 , , OAM nu J AM oa i X -ynu IX n aY nhoc-hr a egs eR. no eh t 数 确 定 的列车安全速度限值与横风风速的 关 系 也 不 是 n i nnuRt i l i bag t S y f o iH g h -sdepsen i a rT r ed nu e h ts