横风中复线路堤上高速列车气动性能和运行安全性研究

论文摘要

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

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 高速铁路概况
• 1.1.2 强风中列车的运行安全性
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 风环境中车辆的气动力
• 1.2.2 横风中车辆的倾覆机理
• 1.2.3 横风中车辆的运行安全性
• 1.2.4 当前研究存在的问题
• 1.3 本文研究内容及方法
• 第2章 横风中复线路堤上高速列车空气动力学模型
• 2.1 计算流体动力学基本理论
• 2.1.1 计算流体动力学控制方程
• 2.1.2 计算流体动力学数值求解方法
• 2.2 空气动力学模型
• 2.2.1 物理模型简化
• 2.2.2 计算流场
• 2.2.3 边界条件
• 2.2.4 气体介质
• 2.2.5 气动力定义
• 2.3 本章小结
• 第3章 横风中复线路堤上高速列车的气动性能
• 3.1 高速列车绕流流场分析
• 3.1.1 高速列车周围的流线
• 3.1.2 高速列车周围和表面的压强
• 3.2 高速列车气动力分析
• 3.2.1 行车速度对气动力的影响
• 3.2.2 横风速度对气动力的影响
• 3.2.3 路堤高度对气动力的影响
• 3.2.4 上、下风线上列车气动力的对比分析
• 3.2.5 两种外型列车气动力的对比分析
• 3.3 本章小节
• 第4章 横风中高速列车系统动力学模型
• 4.1 列车系统动力学模型
• 4.1.1 车辆物理模型
• 4.1.2 轮轨接触关系
• 4.2 车辆临界速度计算
• 4.3 风荷载和轨道不平顺
• 4.3.1 风荷载的施加
• 4.3.2 轨道随机不平顺
• 4.4 高速列车运行安全性评价标准
• 4.4.1 车辆运行动态安全性评价标准
• 4.4.2 轨道结构动力作用安全性评价标准
• 4.5 本章小结
• 第5章 横风对车辆运行安全性的影响
• 5.1 有、无横风时运行安全性的对比
• 5.2 横风中车辆在理想轨道上的动力学性能
• 5.2.1 运动位移
• 5.2.2 脱轨系数
• 5.2.3 轮重减载率
• 5.2.4 倾覆系数
• 5.2.5 轮轨垂向力
• 5.2.6 轮轨横向力
• 5.2.7 轮轴横向力
• 5.3 气动力对运行安全性影响大小的对比分析
• 5.3.1 头车
• 5.3.2 中间车
• 5.3.3 尾车
• 5.4 考虑和不考虑点头力矩和摇头力矩时的运行安全性对比
• 5.4.1 头车
• 5.4.2 中间车
• 5.4.3 尾车
• 5.5 本章小结
• 第6章 横风中复线路堤上高速列车运行安全性
• 6.1 横风中高速列车运行安全性分析
• 6.1.1 行车速度对运行安全性的影响
• 6.1.2 横风速度对运行安全性的影响
• 6.1.3 路堤高度对运行安全性的影响
• 6.1.4 车体质量对运行安全性的影响
• 6.1.5 上、下风线上运行安全性的对比分析
• 6.1.6 两种外型列车运行安全性的对比分析
• 6.2 横风中高速列车行车安全域
• 6.2.1 行车安全域的确定
• 6.2.2 横风中复线路堤上高速列车行车安全域
• 6.3 本章小节
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加科研项目情况