横风作用下车辆运行安全性简化方法的研究

摘要

近年来极端异常天气常常出现，随着我国列车运行速度不断地提高，车辆在受横风作用运行时的安全性也逐渐凸显，尤其车辆在具有特殊地形地貌区域（如兰新线、沿海地区）运行时，即使车辆运行速度不高（100km/左右），车辆受横风作用也容易发生倾覆、脱轨现象，造成重大人员伤亡、财产损失，因此研究车辆在横风作用下运行安全性有现实需求。 本文通过查找大量文献，总结目前研究车辆在横风作用下运行安全性的常用方法。研究方法可大致分为风洞实验、现场实验为主的实验法和计算流体动力学（CFD）、多体动力学仿真法，这两类方法均已运用到我国高速列车运行安全性的研究，很好的指导了我国高速列车及线路的设计。但实践表明，中低速运行列车在遇突发的强烈横风时也会发生倾覆、脱轨事故，本文通过对国外标准GM/RT2142（英国标准）、EN14067 （欧洲标准）以及AS7509.1（澳大利亚标准）进行介绍，探究一种低成本可靠的评估在横风作用下，车辆中低速运行安全性的简化评价方法。 首先介绍标准GM/RT2142中的风向角—侧翻风速曲线评价车辆在横风作用下的运行安全性的计算方法，针对某设计时速为160km/h动力车，采用单一变量法对该标准中的参数进行定性、定量计算分析，研究发现：该标准体现出电机悬挂方式对机车车辆抗倾覆能力的影响较小；对某动力车而言，轴重每増加5%，面积A、高度H每减少5%车辆临界倾覆风速分别提高1.13、1.83、2.1m/s；改变机车车辆屋顶轮廓外形是提高机车车辆抗倾覆能力最有效的方法。 其次探究标准EN14067中简化分析车辆在横风作用下运行安全性的方法，推导出三质量模型的力矩平衡公式，公式表明若未平衡力方向和横风风向同向，车辆所受气动倾覆力矩较大，车辆运行时更容易被倾覆；采用标准中的预测公式和三质量模型，利用MATLAB绘制了国内某时速160km/h动力车的风特性曲线，评估该车辆的运行速度限值，动力车过曲线遇到恶劣的横风时，动力车降速运行不一定能够确保车辆安全运行，建议应及时调整车辆运行速度到均衡速度附近，可以保证运行安全。 最后利用SIMPACK软件建立多体动力学模型，按照AS7509.1标准中，施加最大气动倾覆力矩模拟风载，采用转向架倾覆系数评价该动力车运行安全性。分析表明该动力车运行速度达到250km/h时，倾覆系数不超标。另外研究横风方向对垂向力、轮重减载率动力学指标的影响，结果发现，未平衡力和风向同向会恶化垂向动力学指标，结论可用于曲线线路段指导挡风墙设置，且仿真结果进一步验证了前面简化方法分析的结论。

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第1章 绪 论

1.1 论文选题的背景及意义

1.2 国外横风下车辆运行安全性的研究现状

1.3国内横风下车辆运行安全性的研究现状

1.4 论文的研究内容

第2章 国外相关标准简介

2.1 GM/RT2142标准简介

2.2 EN14067-6标准简介

2.3 AS7509.1标准简介

第3章 标准GM/RT2142中的简化评价方法

3.1 临界倾覆风速的计算

3.1.1 参数的定义

3.1.2 临界倾覆速度的计算过程

3.2评价某动力车在横风作用下运行安全性

3.2.1 动力车参数的确定方法

3.2.2 基于标准评价该动力车在横风作用下运行安全性

3.3研究提高机车车辆抗倾覆能力的方法

3.3.1 质量参数的影响

3.3.2 横向位移参数的影响

3.3.3侧面积A和高度H的影响

3.3.4车顶外形轮廓的影响

3.4 本章小结

第4章 标准EN14067中的简化评价方法

4.1 预测公式

4.2 三质量模型

4.3 三质量模型力矩平衡推导

4.3.1 车辆的三质量模型在直线上力矩平衡的推导

4.3.2 车辆的三质量模型在曲线上力矩平衡的推导

4.4 风特性曲线以及风特性曲线表

4.4.1 风特性曲线的介绍

4.4.2 绘制某动力车的风特性曲线

4.5 本章小结

第5章 风载下动力车动力学仿真

5.1 动力车动力学模型的建立

5.2 曲线线路设置依据

5.3利用AS7509.1标准评价动力车横风下运行安全性

5.4 横风风向变化对动力车过曲线时垂向动力学性能的影响

5.4.1 曲线计算工况的选取

5.4.2 动力学指标的选定

5.5 仿真结果与分析

5.6 本章小结

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果