交會(huì)列車橫向穩(wěn)定性研究

董亞男

(遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州　121000)

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交會(huì)列車橫向穩(wěn)定性研究

董亞男

(遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州121000)

摘要：高速列車在運(yùn)行時(shí)，車體與空氣之間會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，使車體附近繞流改變，對列車產(chǎn)生氣動(dòng)力作用。列車會(huì)車過程中，車體周圍繞流改變更為明顯，其橫向穩(wěn)定性受到影響。借助CFdesign軟件的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，模擬高速列車動(dòng)態(tài)交會(huì)過程，定量分析會(huì)車過程對列車橫向穩(wěn)定性的影響，確定會(huì)車過程中列車的最危險(xiǎn)時(shí)刻。

關(guān)鍵詞：會(huì)車；高速列車；橫向穩(wěn)定性；數(shù)值模擬

交會(huì)時(shí)的高速列車，其外部繞流改變更為明顯，列車橫向穩(wěn)定性受到影響。國際上廣泛采用風(fēng)洞試驗(yàn)和仿真計(jì)算研究列車的橫向穩(wěn)定性問題。本文借助CFdesign軟件的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，模擬列車動(dòng)態(tài)交會(huì)過程，定量分析會(huì)車過程對列車橫向穩(wěn)定性的影響，確定會(huì)車過程中列車的最危險(xiǎn)時(shí)刻。

1計(jì)算模型

模擬計(jì)算中物理模型以高速動(dòng)車組CRH2為原型，將列車長度縮短至76 m，包含頭車、中間車和尾車3節(jié)，整車簡化為連續(xù)剛體，表面光滑。數(shù)學(xué)模型是由連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、k-ε方程、絕熱方程和氣體狀態(tài)方程等構(gòu)成的封閉方程組。

2氣動(dòng)力定義

對列車所受氣動(dòng)力和力矩進(jìn)行如圖1的定義，包括反映列車橫向穩(wěn)定性的側(cè)向力Fy、側(cè)傾力矩Mx和側(cè)偏力矩Mz，以及列車所受阻力Fx、升浮力Fz和仰俯力矩My。

圖1　列車氣動(dòng)力

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1會(huì)車時(shí)橫向氣動(dòng)力分析

對比時(shí)速350 km/h單獨(dú)行駛和等速會(huì)車兩種情況下，高速列車受到的側(cè)向力。如圖2所示，在會(huì)車的整個(gè)過程中，列車受到不穩(wěn)定的橫向氣動(dòng)力作用，橫向穩(wěn)定性相比單獨(dú)運(yùn)行時(shí)變差。有兩個(gè)時(shí)刻列車側(cè)向力明顯增大，一是兩車頭車完全交會(huì)時(shí)，二是兩車開始分離時(shí)。其中，頭車完全交會(huì)時(shí)列車受到的側(cè)向力達(dá)到最大，此時(shí)橫向穩(wěn)定性最差。

(a)兩種工況下列車側(cè)向力

(b)會(huì)車時(shí)各節(jié)車和整車側(cè)向力

如圖3(a)，開始會(huì)車時(shí)，側(cè)傾力矩急劇增大，兩列車的頭車完全交會(huì)時(shí)增至最大；兩列車從會(huì)車位置開始分離時(shí)，側(cè)傾力矩增至反向最大值。產(chǎn)生劇烈變化的側(cè)傾力矩是由于列車頭部正壓中心位置較低，會(huì)車時(shí)列車下半部壓力值顯著高于上半部，列車產(chǎn)生向會(huì)車內(nèi)側(cè)傾覆的趨勢；兩車從會(huì)車位置開始分離時(shí)，列車下半部負(fù)壓顯著增大，列車產(chǎn)生向會(huì)車外側(cè)傾覆的趨勢。如圖3(b)，開始會(huì)車時(shí)，車頭向內(nèi)傾覆趨勢最明顯，兩車從會(huì)車位置開始分離時(shí)，車尾向外側(cè)傾覆趨勢明顯。

(a)兩種工況下列車側(cè)傾力矩

(b)會(huì)車時(shí)各節(jié)車和整車側(cè)傾力矩

通過分析可知，會(huì)車時(shí)，列車的橫向穩(wěn)定性顯著下降，容易產(chǎn)生橫向搖擺現(xiàn)象。以側(cè)傾力矩衡量列車傾覆的危險(xiǎn)性，有兩個(gè)時(shí)刻列車最易發(fā)生傾覆危險(xiǎn)，一是在兩列車的頭車完全交會(huì)時(shí)，列車向會(huì)車內(nèi)側(cè)傾覆危險(xiǎn)最大，二是在兩車開始分離時(shí)，列車向會(huì)車外側(cè)傾覆危險(xiǎn)最大。從數(shù)值上衡量，兩車開始分離時(shí)力矩絕對值最大，此時(shí)最易發(fā)生傾覆危險(xiǎn)。

如圖4，會(huì)車時(shí)，列車的側(cè)偏力矩急劇增大，頭車完全交會(huì)時(shí)力矩達(dá)到峰值，力矩的方向?yàn)檐囶^向會(huì)車外側(cè)偏轉(zhuǎn)；兩車從會(huì)車位置開始分離時(shí)，側(cè)偏力矩反向增至最大，力矩的方向改變成車頭向會(huì)車內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)。

(a)兩種工況下列車側(cè)偏力矩

(b)會(huì)車時(shí)各節(jié)車和整車側(cè)偏力矩

通過分析可知，在列車交會(huì)過程中，列車的車頭和車尾容易發(fā)生擺動(dòng)。當(dāng)兩列車的車頭完全交會(huì)時(shí)，列車側(cè)偏力矩達(dá)到峰值，容易造成車頭向會(huì)車外側(cè)脫軌。

3.2會(huì)車速度對橫向穩(wěn)定性影響

如圖5、圖6、圖7，在兩列車車頭完全交會(huì)和兩車開始分離這兩個(gè)危險(xiǎn)時(shí)刻，列車所受側(cè)向力、側(cè)傾力矩和側(cè)偏力矩均隨著會(huì)車速度的提高而增大。

圖5　不同會(huì)車速度下的側(cè)向力

圖6　不同會(huì)車速度下的側(cè)傾力矩

圖7　不同會(huì)車速度下的側(cè)偏力矩

表1是不同會(huì)車速度下列車橫向氣動(dòng)力計(jì)算值。由表1可知，列車頭車交會(huì)時(shí)，列車橫向氣動(dòng)力出現(xiàn)第一個(gè)峰值，350 km/h會(huì)車時(shí)的側(cè)向力約為200 km/h會(huì)車時(shí)的3倍，側(cè)傾力矩約為2.8倍，側(cè)偏力矩約為2.3倍；兩車開始分離時(shí)，橫向氣動(dòng)力出現(xiàn)第二個(gè)峰值，350 km/h會(huì)車時(shí)的側(cè)向力約為200 km/h會(huì)車時(shí)的2.3倍，側(cè)傾力矩約為1.9倍，側(cè)偏力矩約為2倍。隨著會(huì)車速度的不斷提高，列車的橫向氣動(dòng)力顯著增大，橫向穩(wěn)定性明顯減弱。

表1　不同會(huì)車速度下的列車橫向氣動(dòng)力

4結(jié)語

列車所受橫向氣動(dòng)力在會(huì)車過程中產(chǎn)生一個(gè)氣動(dòng)力波，峰值分別出現(xiàn)于兩車頭車交會(huì)和兩車從會(huì)車位置開始分離時(shí)。在兩車頭車交會(huì)時(shí)刻，列車受到的側(cè)向力和側(cè)偏力矩最大，列車有車頭向會(huì)車外側(cè)側(cè)偏或車尾向會(huì)車內(nèi)側(cè)側(cè)偏的趨勢，此時(shí)最易脫軌。在兩車從會(huì)車位置開始分離時(shí)，列車受到的側(cè)傾力矩最大，此時(shí)列車最易向會(huì)車外側(cè)傾覆。列車的橫向氣動(dòng)力隨會(huì)車速度的提高而增大，橫向穩(wěn)定性減弱。

參考文獻(xiàn)

[1]郗艷紅.橫風(fēng)作用下高速列車氣動(dòng)特性及運(yùn)行安全性研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2012.

[2]田紅旗.列車空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京：中國鐵道出版社，2007.

[責(zé)任編輯：趙偉]

Research of the Horizontal Stability of Crossing Trains

DONG Yanan

(Liaoning Railway Vocational and Technical college，Jinzhou 121000,China)

Abstract:When high-speed trains running, strong interaction will happen between the air and trains. The interaction will change the flow field around the trains and the aerodynamic force on the trains.When trains crossing, the flow field changes more obviously, the horizontal stability is affected. With the moving grid technique of CFdesign, the article simulates the crossing process of two trains, researches the horizontal stability of crossing trains, and determines the most dangerous moment in the process of passing trains.

Key words:crossing trains; high-speed trains; horizontal stability; numerical simulation

中圖分類號(hào):U260.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào)：1008-6811(2016)01-0019-03

作者簡介：董亞男(1983—)，女，遼寧錦州人，遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)車車輛系講師，碩士，主要從事鐵道機(jī)車車輛、列車空氣動(dòng)力學(xué)等方面的研究。

收稿日期：2015-12-20