強(qiáng)風(fēng)作用下列車脫軌分析.pdf

1、強(qiáng)風(fēng)中列車脫軌時(shí)有發(fā)生，輕則造成鐵路運(yùn)輸中斷，重則列車傾覆，造成車毀人亡的后果，社會(huì)影響極大。脫軌研究從來(lái)都是各國(guó)軌道交通領(lǐng)域的重大課題。國(guó)外對(duì)強(qiáng)風(fēng)中列車的脫軌研究始于1879年12月28日的Tay鐵路橋倒塌災(zāi)難，造成75人死亡，很多專家確信是當(dāng)時(shí)正在橋上運(yùn)行的列車脫軌后造成的橋毀人亡。2007年2月28日新疆列車在遭遇13級(jí)大風(fēng)后發(fā)生脫軌、傾覆，造成了很大的社會(huì)影響。脫軌在我國(guó)鐵路行車重大、大事故中的比例高達(dá)七成左右；隨著我國(guó)高速客運(yùn)

2、專線建設(shè)的廣泛展開(kāi)，風(fēng)對(duì)列車行車安全的影響越來(lái)越大，有時(shí)甚至處于支配性地位。保證列車安全運(yùn)行更為重要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)脫軌問(wèn)題研究了一百多年，取得了很多很好的成果，然而尚有很多問(wèn)題懸而未決。隨著曾慶元院士列車脫軌能量隨機(jī)分析理論的問(wèn)世，很多問(wèn)題迎刃而解。本文正是在列車脫軌能量隨機(jī)分析理論的基礎(chǔ)上考慮列車在風(fēng)載荷作用下的脫軌分析，以期拓展該理論的應(yīng)用范圍，使其成為趨近于全天候的列車脫軌能量隨機(jī)分析理論。此外，考慮到強(qiáng)風(fēng)作用下列車脫軌往往伴隨列

3、車的傾覆，本文在對(duì)列車空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行詳細(xì)分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，提出了一整套列車傾覆分析理論。本論文的主要研究如下： 1.列車空氣動(dòng)力學(xué)方面 要進(jìn)行強(qiáng)風(fēng)作用下列車脫軌分析，需要對(duì)列車空氣動(dòng)力學(xué)性能有全面的了解。因此本文對(duì)列車在橫風(fēng)作用下的繞流結(jié)構(gòu)，受力特點(diǎn)，列車的風(fēng)致振動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析、計(jì)算，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，證明了本文分析計(jì)算的正確性，其主要內(nèi)容為： (1)通過(guò)對(duì)顫振進(jìn)行詳細(xì)的理論分析和計(jì)算，提出了由于列

4、車斷面較為鈍化，其氣動(dòng)藕合作用應(yīng)較弱，一般不會(huì)發(fā)生劇烈的經(jīng)典顫振。又由于列車的顫振臨界風(fēng)速很高，故一般不用考慮顫振； (2)提出了作用在列車上的空氣力，從數(shù)學(xué)上看，可看成是均值和脈動(dòng)值之和；從空氣動(dòng)力學(xué)機(jī)理上來(lái)看是非常復(fù)雜的。對(duì)列車來(lái)說(shuō)，主要包括：靜風(fēng)力，伴隨卡門渦的釋放而作用的脈動(dòng)氣動(dòng)力和抖振部分； (3)將三維雷諾平均N-S方程(RANS)結(jié)合k-ε湍流模型，用有限體積法將控制方程離散求解。用SIMPLE法耦合壓力-

5、速度場(chǎng)。針對(duì)列車在不同風(fēng)速下的氣動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算。模擬計(jì)算結(jié)果顯示增大列車運(yùn)行速度和橫風(fēng)速度，都會(huì)增大列車氣動(dòng)升力、氣動(dòng)阻力，并且呈加劇的趨勢(shì)，均呈現(xiàn)出非線性現(xiàn)象。列車在高速、大橫風(fēng)情況下運(yùn)行，以上兩種非線性風(fēng)險(xiǎn)的影響將使得行車的安全性將受到極其嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 (4)基于前沿追蹤算法生成列車橫斷面繞流場(chǎng)的非結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格移動(dòng)過(guò)程中，將網(wǎng)格看成實(shí)際結(jié)構(gòu)，引入基于邊的直系彈簧和基于頂點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)彈簧，從而對(duì)網(wǎng)格品質(zhì)進(jìn)行控制，防止崎變。

6、采用非結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算流體域進(jìn)行劃分和移動(dòng)，對(duì)流體控制方程做FVM構(gòu)造，計(jì)算了列車橫斷面繞流。得出一些結(jié)論：列車橫斷面背風(fēng)側(cè)上下有很明顯的脫離渦；列車迎風(fēng)面是正壓區(qū)，上、下表面和背風(fēng)面均處于負(fù)壓區(qū)中。當(dāng)列車在傾覆過(guò)程中時(shí)，列車下表面處于正壓區(qū)。 (5)首次將抖振反應(yīng)譜理論應(yīng)用于列車的抖振分析中，計(jì)算出了車體和轉(zhuǎn)向架的一階升沉、橫移和側(cè)滾的抖振反應(yīng)譜。 2.強(qiáng)風(fēng)作用下列車脫軌分析理論方面 以列車脫軌能量隨機(jī)分析理

7、論為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)列車空氣動(dòng)力學(xué)性能的理論分析，計(jì)算，包括列車抖振反應(yīng)譜的計(jì)算后，提出了一套風(fēng)載荷下列車脫軌能量隨機(jī)分析理論，從而使列車脫軌能量隨機(jī)分析理論成為能判斷無(wú)論有沒(méi)有風(fēng)都能適用的理論，第一次使列車脫軌能量隨機(jī)分析理論能夠適應(yīng)列車脫軌計(jì)算的全天候應(yīng)用，使列車脫軌能量隨機(jī)分析理論趨于完善。同時(shí)創(chuàng)建了一整套列車傾覆分析理論。其主要內(nèi)容包括： (1)對(duì)考慮風(fēng)載荷的列車脫軌力學(xué)機(jī)理進(jìn)行研究，提出了考慮風(fēng)載荷的列車脫軌機(jī)理是列車-軌

8、道(橋梁)時(shí)變系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱此系統(tǒng))橫向振動(dòng)喪失穩(wěn)定。 (2)兩種方法的提出，即提出了考慮風(fēng)載荷的列車脫軌能量隨機(jī)分析理論的時(shí)域法和頻域法： (3)計(jì)算得到了各風(fēng)速下的σp-v曲線，對(duì)原σp-v曲線進(jìn)行了有益的擴(kuò)充，使得列車脫軌能量隨機(jī)分析理論成為趨近于全天候的理論： (4)建立了考慮風(fēng)載荷的列車是否脫軌條件； (5)提出了考慮風(fēng)載荷下列車是否脫軌第一、第二判別準(zhǔn)則： (6)首次提出了列車傾覆條件