潘新先

Pan Xin-xian

（烏魯木齊鐵路局，新疆烏魯木齊830011)

(Urumqi Railway Administration，Urumqi 830011, Xinjiang，China)

蘭新鐵路第二雙線大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組“晃車”現(xiàn)象分析

潘新先

Pan Xin-xian

（烏魯木齊鐵路局，新疆烏魯木齊830011)

(Urumqi Railway Administration，Urumqi 830011, Xinjiang，China)

蘭新鐵路第二雙線聯(lián)調(diào)聯(lián)試和防風(fēng)安全試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在大風(fēng)環(huán)境下當(dāng)動(dòng)車組通過線路部分區(qū)段時(shí)，車體瞬間晃擺劇烈，造成列車降速并嚴(yán)重影響乘坐舒適性。為此，以實(shí)車試驗(yàn)和實(shí)地風(fēng)場(chǎng)測(cè)量為主要研究手段，就“晃車”這一現(xiàn)象開展研究，得出“晃車”現(xiàn)象主要出現(xiàn)在動(dòng)車組通過不同防風(fēng)結(jié)構(gòu)過渡段位置或地形地貌突變地段時(shí)、晃車造成的車體振動(dòng)主要表現(xiàn)為0.6Hz的低頻側(cè)滾、不同類型防風(fēng)結(jié)構(gòu)間過渡越劇烈或地形地貌變化尺度越大動(dòng)車組車體“晃車”越劇烈等結(jié)論，并提出了防風(fēng)工程改良的措施和建議。

動(dòng)車組；防風(fēng)結(jié)構(gòu)；強(qiáng)側(cè)風(fēng)；晃車；過渡段；側(cè)滾

在強(qiáng)側(cè)風(fēng)作用下，動(dòng)車組空氣動(dòng)力性能惡化，嚴(yán)重影響其橫向穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致列車的顛覆[1]。蘭新鐵路 (蘭州—烏魯木齊) 第二雙線新疆段近 60% 線路區(qū)段需要穿越煙墩、百里、三十里和達(dá)坂城 4 大風(fēng)區(qū)，風(fēng)區(qū)風(fēng)速高 (最大風(fēng)速達(dá) 60 m/s)、風(fēng)期長(zhǎng) (局部地段大于 8 級(jí)風(fēng)天數(shù)全年超過 200 d)、風(fēng)向穩(wěn)定、起風(fēng)速度快[2-3]。為盡可能降低環(huán)境風(fēng)對(duì)動(dòng)車組運(yùn)行安全造成的影響，結(jié)合我國(guó)高速鐵路建設(shè)情況，在風(fēng)區(qū)鐵路沿線依地形設(shè)置了各類型的防風(fēng)結(jié)構(gòu) (擋風(fēng)墻)[4]，并在不同防風(fēng)設(shè)施之間的過渡區(qū)域依地形修建了防風(fēng)結(jié)構(gòu)過渡段[5-6]。在大風(fēng)環(huán)境運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)動(dòng)車組列車高速通過線路某些區(qū)段時(shí)，車體會(huì)瞬間出現(xiàn)劇烈晃擺，即“晃車”現(xiàn)象，導(dǎo)致列車不能正常運(yùn)行，對(duì)行車安全和乘坐舒適性造成嚴(yán)重影響。因此，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車檢測(cè)車體橫向振動(dòng)[7]，對(duì)蘭新鐵路第二雙線環(huán)境風(fēng)下動(dòng)車組列車通過防風(fēng)結(jié)構(gòu)過渡段“晃車”的問題展開研究。

1 百里風(fēng)區(qū)檢測(cè)試驗(yàn)

考慮百里風(fēng)區(qū)內(nèi)防風(fēng)結(jié)構(gòu)類型最為全面，也是線路穿越的最長(zhǎng)風(fēng)區(qū)，因而選取“晃車”現(xiàn)象最為集中的 K2999+000—K3041+000 為試驗(yàn)研究區(qū)段。

1.1 檢測(cè)點(diǎn)布置

在動(dòng)車組車體底部非共線的 4 個(gè)點(diǎn)上分別安裝高速攝像機(jī) (CCD)，當(dāng)動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)，CCD 分別記錄鋼軌相對(duì)于該測(cè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)圖像序列，通過數(shù)字圖像處理，可以分析得到任一測(cè)點(diǎn)相對(duì)于軌面的橫向位移與垂向位移[8]。各測(cè)點(diǎn) CCD 通過同步控制裝置同步采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、處理和顯示。綜合其中任意 3 個(gè)測(cè)點(diǎn)的橫向與垂向位移，即可確定動(dòng)車組車體相對(duì)于軌面的空間姿態(tài)和動(dòng)態(tài)偏移量[9]，并且通過剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)相關(guān)理論可得到車體任意一點(diǎn)的振動(dòng)偏移量。測(cè)點(diǎn)布置如圖 1 所示。

1.2 “晃車”現(xiàn)象發(fā)生區(qū)域及特點(diǎn)

1.2.1 “晃車”現(xiàn)象發(fā)生區(qū)域

由于“晃車”主要表現(xiàn)為車體的側(cè)滾運(yùn)動(dòng)，因而將車體運(yùn)行過程中的側(cè)滾角作為“晃車”程度的評(píng)判指標(biāo)。某單程動(dòng)車組頭車車體側(cè)滾角曲線如圖 2 所示，可以看出在試驗(yàn)區(qū)段運(yùn)行過程中車體側(cè)滾角幅值部分區(qū)段波動(dòng)劇烈，車體側(cè)滾運(yùn)動(dòng)明顯。選取其中某處側(cè)滾角出現(xiàn)極值的位置，通過曲線分析發(fā)現(xiàn)，側(cè)滾角具有幅值突然增大，然后快速衰減的特點(diǎn)，即車體的瞬態(tài)側(cè)滾運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致車體側(cè)滾角的突然增大，造成了“晃車”現(xiàn)象，過渡段(K3036+700) 側(cè)滾角變化曲線如圖 3 所示。通過進(jìn)一步結(jié)合鐵路沿線地形地貌資料分析可知，側(cè)滾角極值點(diǎn)皆出現(xiàn)在不同類型防風(fēng)結(jié)構(gòu)過渡處，即“晃車”現(xiàn)象主要出現(xiàn)在防風(fēng)結(jié)構(gòu)過渡段 (包含堤塹、堤橋、堤隧、隧橋等過渡類型) 附近。

圖 1 測(cè)點(diǎn)布置

圖 2 某單程動(dòng)車組頭車車體側(cè)滾角曲線

圖 3 過渡段 (K3036+700) 側(cè)滾角變化曲線

此外，不同過渡段處“晃車”程度明顯不同。動(dòng)車組通過連續(xù)過渡段側(cè)滾角變化曲線如圖 4 所示，緩和過渡段和直角段分別如圖 5、圖 6 所示。結(jié)合圖 4—圖 6 分析可知，試驗(yàn)動(dòng)車組在防風(fēng)結(jié)構(gòu)或地形地貌變化較緩區(qū)域運(yùn)行時(shí)，車體側(cè)滾角幅值波動(dòng)較小，動(dòng)車組運(yùn)行較為穩(wěn)定；當(dāng)動(dòng)車組通過防風(fēng)結(jié)構(gòu)過渡段或地形地貌突變區(qū)域時(shí)，車體側(cè)滾角發(fā)生瞬變，車體產(chǎn)生劇烈晃動(dòng)，并且過渡段的過渡結(jié)構(gòu)越劇烈、地形地貌變化尺度越大，對(duì)車體晃動(dòng)影響越明顯，在圖 4 曲線中，車體側(cè)滾角變化最大處出現(xiàn)在防風(fēng)結(jié)構(gòu)直角過渡段處。

1.2.2 “晃車”車體振動(dòng)特點(diǎn)

在車體、構(gòu)架加裝振動(dòng)加速度傳感器及在二系簧上加裝垂向位移計(jì)，測(cè)得車體橫向加速度頻譜如圖 7 所示，車體橫向加速度、左右側(cè)空氣彈簧附近車體與轉(zhuǎn)向架之間垂向相對(duì)位移，轉(zhuǎn)向架中心二系橫向減振器處車體與轉(zhuǎn)向架之間橫向相對(duì)位移的典型時(shí)域波形如圖 8 所示。分析可知，“晃車”車體振動(dòng)主要呈現(xiàn)出以下特征：①車體的振動(dòng)主頻率約為 0.6 Hz；②車體兩側(cè)的垂向位移變化同步，相位相反；③車體的晃動(dòng)主要體現(xiàn)為車體的側(cè)滾，并且振幅較大。

圖 4 動(dòng)車組通過連續(xù)過渡段側(cè)滾角變化曲線

圖 5 緩和過渡段

圖 6 直角段

圖 7 車體橫向加速度頻譜

2 “晃車”現(xiàn)象的發(fā)生原因及應(yīng)對(duì)措施

2.1 “晃車”現(xiàn)象的發(fā)生原因

為研究動(dòng)車組通過不同防風(fēng)結(jié)構(gòu)過渡段時(shí)出現(xiàn)“晃車”現(xiàn)象的原因，選取與圖 2、圖 3 所示同一趟測(cè)試車體兩側(cè)壓差曲線進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，車體兩側(cè)壓差波動(dòng)劇烈，與車體側(cè)滾角變化趨勢(shì)基本一致，即車體兩側(cè)壓差是導(dǎo)致車體側(cè)滾運(yùn)動(dòng)的主因。當(dāng)動(dòng)車組在通過防風(fēng)結(jié)構(gòu)過渡段時(shí)，車體的兩側(cè)壓差突然增大導(dǎo)致橫向氣動(dòng)力的瞬變，出現(xiàn)“晃車”現(xiàn)象，特別是在進(jìn)出路塹與路基防風(fēng)墻時(shí)的過渡段時(shí)側(cè)動(dòng)力瞬變更明顯，某單程車體兩側(cè)壓差檢測(cè)曲線和過渡段 (K3021+800) 車體兩側(cè)壓差變化曲線分別如圖 9、圖 10 所示[6]。

圖 8 車體橫向加速度及車體與轉(zhuǎn)向架之間相對(duì)位移典型時(shí)域波形

圖 9 某單程車體兩側(cè)壓差檢測(cè)曲線

圖 10 過渡段 (K3021+800) 車體兩側(cè)壓差變化曲線

為研究造成過渡段處氣動(dòng)力突變的原因，選取某典型過渡段進(jìn)行實(shí)地勘察和風(fēng)場(chǎng)測(cè)試。由測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)環(huán)境風(fēng)越過防風(fēng)設(shè)施進(jìn)入線內(nèi)時(shí)，風(fēng)速和風(fēng)向角發(fā)生明顯改變，流場(chǎng)紊亂，在過渡段處形成了由線路內(nèi)吹向墻外的環(huán)境風(fēng)，部分沿線路方向流動(dòng)，其余越過線路繼續(xù)流動(dòng)，風(fēng)速呈增大趨勢(shì)。通過分析認(rèn)為防風(fēng)設(shè)施過渡段存在過渡不平順的問題：一是平面上以直角過渡，二是垂向上以階梯形過渡。正是這種過渡的不平順，使得在該位置處近地環(huán)境風(fēng)的風(fēng)速及風(fēng)向在過渡段位置發(fā)生突然改變，產(chǎn)生“風(fēng)切變”現(xiàn)象，引起防風(fēng)設(shè)施背風(fēng)側(cè)線路周圍流場(chǎng)急劇變化，使得動(dòng)車組經(jīng)過時(shí)流場(chǎng)劇變形成強(qiáng)瞬態(tài)氣動(dòng)激擾造成車體晃動(dòng)，即“晃車”現(xiàn)象。

因此，要降低“晃車”對(duì)蘭新鐵路第二雙線安全運(yùn)營(yíng)的影響，需要從優(yōu)化防風(fēng)結(jié)構(gòu)過渡段的角度入手，研究改進(jìn)不同防風(fēng)結(jié)構(gòu)過渡地段的設(shè)計(jì)，增加地形急劇變化點(diǎn)防護(hù)措施。

2.2 “晃車”現(xiàn)象的應(yīng)對(duì)措施

從上述研究可知，過渡段的過渡形式對(duì)于“晃車”的影響非常明顯。在實(shí)際線路中，受沿線復(fù)雜地形地貌的影響，依地形建造的過渡結(jié)構(gòu)不盡相同，使得列車通過不同過渡段區(qū)域時(shí)的氣動(dòng)性能存在較大差異，從而導(dǎo)致每個(gè)出現(xiàn)“晃車”現(xiàn)象的過渡段均具有明顯的地形地貌特性。要解決“晃車”現(xiàn)象，必須對(duì)沿線每個(gè)出現(xiàn)“晃車”現(xiàn)象的過渡段進(jìn)行針對(duì)性研究，提出具有地形地貌特性的改造方案，但這在工程具體操作上難以實(shí)現(xiàn)。因此，建議從以下方面進(jìn)行防風(fēng)設(shè)施過渡段的改造工作。

（1）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)與線路地形地貌進(jìn)行匹配分析，準(zhǔn)確獲取測(cè)量指標(biāo)出現(xiàn)大值或突變的路段和區(qū)域位置，歸納總結(jié)其過渡結(jié)構(gòu)類型及周圍地形地貌特征。

（2）對(duì)典型過渡結(jié)構(gòu)及地形地貌突變路段進(jìn)行全尺寸三維實(shí)地建模，通過大型數(shù)值模擬計(jì)算掌握過渡段位置流場(chǎng)特征，獲取動(dòng)車組列車通過時(shí)其氣動(dòng)特性變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上確定合理過渡形式和改造措施。

（3）結(jié)合工程實(shí)際要求，形成可行的現(xiàn)場(chǎng)工程改造方案。

3 結(jié)束語(yǔ)

研究大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組列車在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的“晃車”現(xiàn)象，對(duì)于提升在風(fēng)區(qū)運(yùn)營(yíng)的高速列車行車安全及運(yùn)行品質(zhì)具有重要科學(xué)意義和工程價(jià)值。通過實(shí)車測(cè)量動(dòng)車組列車運(yùn)行過程中的車體振動(dòng)偏移情況，結(jié)合鐵路沿線地形地貌分析，發(fā)現(xiàn)防風(fēng)設(shè)施過渡段位置和地形地貌突變區(qū)域是“晃車”現(xiàn)象的頻發(fā)區(qū)段；過渡不平順和沿線地形突變形成的“風(fēng)切變”現(xiàn)象是造成“晃車”現(xiàn)象頻發(fā)的主要原因。因此，為削弱“晃車”現(xiàn)象對(duì)行車安全和乘坐舒適性影響，提出進(jìn)一步優(yōu)化不同防風(fēng)設(shè)施之間的過渡形式，確定合理過渡結(jié)構(gòu)，從工程角度入手有效解決動(dòng)車組列車在運(yùn)行過程中的“晃車”問題。

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責(zé)任編輯：吳文娟

Analysis of “Car Swaying” of EMUs on the Second Lanzhou-Urumqi High-Speed Railway under Strong Wind Environment

Amid the integrated testing and commissioning of the second Lanzhou-Urumqi highspeed railway and in its windproof safety test, violent car swaying is noticed in passing by some sections of the line in windy conditions, which results in speed reduction and undermines the riding comfort. In this respect, the phenomenon is studied using the vehicle test and in-situ wind field measurements. The results show that the "car swaying" mainly occurs when the vehicle passes through the transition zones of the windbreak structures or that of landform where the vehicle takes a 0.6Hz low-frequency rolling. That is to say, the more different the transition may be, the more fiercely vehicle body sways. Finally in this paper, the measures and suggestions for the improvement of windbreak structure are put forward.

EMU; Windbreak Structure; Strong Crosswind; Car Swaying; Transition Region; Rolling

1003-1421(2016)12-0064-05

U292.3+5；U298.1

B

10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2016.12.13

2016-07-15

中國(guó)鐵路總公司科研開發(fā)計(jì)劃課題(Z2015-T001)