横风中复线路堤上高速列车气动性能和运行安全性研究

国内图书分类号：U238；U270.1+1；O355密级：公开国际图书分类号：625西南交通大学硕士研究生学位论文横风中复线路堤上高速列车气动性能和运行安全性研究年级二〇〇八级姓名李振申请学位级别硕士专业车辆工程指导老师二零一一年四月二十日翟婉明教授ClassifiedIndex:U238;U270.1+1;O355U.D.C:625SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisAERODYNAMICPERFORMANCEANDRUNNINGSAFETYOFHIGH-SPEEDTRAINONDOUBLE-TRACKEMBANKMENTUNDERCROSSWINDCONDITIONGrade:2008Candidate:LiZhenAcademicDegreeAppliedfor:MasterDegreeSpeciality:VehicleEngineeringSupervisor:Prof.ZhaiWanmingApril20,2011西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1．保密□，在年解密后适用本授权书；2．不保密□√日期：日期：，使用本授权书。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导老师签名：西南交通大学硕士学位论文主要工作（贡献）声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下：1.建立了横风中复线路堤上高速列车三维空气动力学模型，研究了车速、风速、路堤高度等参数对列车中各车气动力的影响规律。研究发现，列车在复线路堤上、下风线上的气动性能差异大小主要由横风速度和路堤高度决定。横风速度对两种不同外型列车气动性能的差异有重要影响。2.建立了高速列车系统动力学模型，比较了有、无横风时车辆的运行安全性。对比分析各气动力对车辆运行安全性的影响发现，横风对头车和尾车运行安全性的影响主要由侧力、摇头力矩决定，对中间车的影响主要由侧力决定。比较气动力考虑和不考虑点头力矩、摇头力矩时车辆运行安全性后发现，在较强的横风中头车的运行安全性差异较大，而尾车的差异始终比较明显。因此，在车辆系统动力学模型中，建议考虑点头力矩、摇头力矩。3.基于目前现有的运行安全性指标，开展了车速、风速、路堤高度、车体质量等参数对高速列车运行安全性影响大小及规律研究，确定了复线路堤上高速列车在横风中的行车安全域。本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学位论文作者签名：日期：西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要大风导致的列车脱轨倾覆事件在世界各地屡有发生。随着列车运营速度的提高,强风成为了高速列车安全运行的主要瓶颈之一。横风中高速列车在复线路堤上恶劣的气动性能导致其运行安全性问题尤为突出。因此，非常有必要对横风中复线路堤上高速列车的气动性能和运行安全性进行深入研究。在简要回顾和总结横风中列车的气动性能和安全性研究历史和现状后，基于计算流体动力学，建立了横风中复线路堤上高速列车的三维空气动力学模型；基于多刚体系统动力学，建立了相应的列车系统动力学模型。展现了高速列车周围流场结构、表面压强分布。研究了行车速度、横风速度和路堤高度对列车中各车气动力和运行安全性的影响。比较了高速列车在复线路堤两条线路上的气动力与运行安全性，对比了列车采用两种不同外型时的气动力和运行安全性。分析了横风对车辆运行状态的影响，对比了各气动力对车辆运行安全性的影响大小，探究了作用在车体上的气动力考虑和不考虑点头力矩、摇头力矩时运行安全性的差异。确定了高速列车在横风中运行的安全临界车速。数值计算结果表明，横风中高速列车的气动性能优劣和运行安全性高低主要由头车决定。随着列车速度的提高、横风速度的增加、路堤的增高，高速列车的气动性能越来越恶劣，其运行安全性逐渐降低。列车在复线路堤上风线上运行时，其气动性能优于下风线上，其运行安全性略高于下风线上。两种外型列车的气动性能差异和运行安全性差异随着横风速度增加而增大。横风对轮轨横向力的影响程度大于对轮轨垂向力。横风主要通过改变列车运行平衡状态来影响列车运行安全性。横风对头车和尾车的动力学性能的影响主要由侧力、摇头力矩决定，对中间车的影响主要由侧力决定。在车辆系统动力学模型中，建议考虑点头力矩、摇头力矩。横风中，车体质量对车辆运行安全性影响程度大于无风环境中。横风中，高速列车头车为满载动车时，轮轴横向力往往最先超出安全限值；头车为空载拖车时，轮重减载率最先超出安全限值。列车中头车为空载拖车时的安全临界车速比为满载动车时的安全临界车速低得多。因此，建议头车采用满载动车的编组形式。高速列车在平地上运行时的安全临界车速高于路堤上，在低路堤上运行时的安全临界车速高于高路堤上。关键词：高速列车；气动性能；运行安全性；横风；复线路堤西南交通大学硕士研究生学位论文第II页AbstractTheaccidentsoftrainsblownawayfromtrackoroverturnedbystrongwindhavehappenedmanytimesintheworld.Withtheincreaseoftrainspeed,strongwindhasbecomeabigandchiefobstacletotherunningsafetyofhigh-speedtrain.Astheaerodynamicperformanceofhigh-speedtrainondouble-trackembankmentisverypoorincrosswind,theproblemofrunningsafetyisveryserious.Therefore,itisnecessarytostudytheaerodynamicperformanceandtherunningsafetyofhigh-speedtrainincrosswindindetails,whenitisrunningondouble-trackembankment.Thestudyofaerodynamicperformanceandsafetyoftrainincrosswindisbrieflyreviewedatfirst.Basedonthecomputationalfluiddynamics,athree-dimensionalaerodynamicmodelofhigh-speedtrainrunningonadouble-trackembankmentundercrosswindconditionissetup.Thecorrespondingtrainsystemdynamicmodelisestablishedonthebasisofmultirigid-bodysystemdynamics.Theflowstructurearoundthetrainandthepressuredistributiononthesurfaceofthetrainareshowed.Influencesofthetrainspeed,crosswindspeedandheightofembankmentontheaerodynamicperformanceandtherunningsafetyofhigh-speedtrainisstudied.Theaerodynamicperformanceandtherunningsafetyofhigh-speedtrainonthewindwardtrackofembankmentarecomparedwiththoseontheleewardtrack.Besides,thecomparisonbetweentwodifferentconfigurationaltrainsiscarriedout.Theinfluenceofcrosswindontherunningbehaviourofhigh-speedtrainisinvestigated.Theeffectsofaerodynamicforcesonrunningsafetyarecompared.Therunningsafetiesofhigh-speedtrainareinvestigatedwithandwithoutconsideringtheinclinemomentandtheyawmoment.Thecriticalsafetyrunningspeedincrosswindisdeternimed.Numericalresultsshowthattheaerodynamicperformanceandtherunningsafetyofhigh-speedtrainincrosswindsarebasicallycontrolledbytheheadcar.Withtheincreaseoftrainspeed,crosswindspeed,embankmentheight,theaerodynamicperformanceandtherunningsafetybothbecomepoor.Whenthehigh-speedtrainistravellingonthewindwardtrack,theaerodynamicperformanceandtherunningsafetyarebetterthanthoseontheleewardtrack.Withtheincreaseofcrosswindspeed,differencesoftheaerodynamicperformanceandtherunning西南交通大学硕士研究生学位论文第III页safetybetweentwoconfigurativetrainsbecomelarge.Thecrosswindhasgreaterinfluenceonthewheel/raillateralforcethanthewheel/railverticalforce.Therunningsafetyiscloselyrelatedtotherunningbalancestateofthevehiclewhichischangedbythecrosswind.Influencesofcrosswindonthedynamicperformanceoftheheadcarandthetailcararemainlydeterminedbythesideforceandtheyawmoment.Asforthemiddlecar,itisdominatedbythesideforce.Inthevehiclesystemdynamicmodel,theinclinemomentandtheyawmomentaresuggestedtobetakenintoconsideration.Thedynamicperformanceismoresensitivetothecarbodymassincrosswindthanthatwithoutcrosswind.Whentheheadcarisamotorcarwithfullload,thelateralwheelsetforceisusuallythefirstindexexceedingthesafetylimitamongallsafetyindices.Whentheheadcarisanemptytrailercar,the