吴宁，寸冬冬

（1. 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京 100081；2. 北京纵横机电技术开发公司，北京 100094）

大风环境下动车组行车车载控制参数研究

吴宁1，寸冬冬2

（1. 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京 100081；2. 北京纵横机电技术开发公司，北京 100094）

由于车体轻量化设计和运行速度的提高，与普速列车相比气动载荷对动车组的扰动效应更强，动车组在大风环境下的运行稳定性问题凸显。分析大风环境下动车组运行稳定性，结合实车试验和仿真计算，研究车体振动参数与运行稳定性指标的关联性，提出以车体横向加速度导数和侧滚角速度作为大风环境下动车组车载关键控制参数，二者在很大程度上能够反映大风环境下动车组爬轨安全性和倾覆安全性。考虑到一定的安全裕量，动车组车体横向加速度导数和侧滚角速度的限值分别确定为8 m/s3和5 °/s。

大风；动车组；稳定性；控制参数；车体横向加速度导数；侧滚角速度

0 引言

随着动车组车体轻量化设计的发展和运行速度的提高，气动载荷对动车组的扰动效应更加明显，动车组在大风环境下运行的安全性和舒适性问题凸显[1]。为保证列车运行安全性和乘坐舒适性，提高运输效率，我国在高速铁路大风常发地段修建有挡风墙等防风设施，沿线安装大风预警系统，并进行了大风环境下动车组动力学、空气动力学等研究性试验，对大风环境下动车组的开行方案进行了探索。试验表明：大风区段设置挡风墙后起到了良好的防风效果，大风环境下动车组在一般挡风墙区段运行时的运行稳定性和乘坐舒适性均得到了明显改善。但另一方面，在个别路基-路堑防风设施过渡段等突变风场位置车体承受气动载荷波动明显，导致车体出现剧烈瞬态振动，乘坐舒适性恶化，并严重影响动车组的运行稳定性[2-3]。在设置挡风墙后，如何控制行车方式以实现少停轮、少限速的运营目标成为亟待解决的问题。

目前，大风环境下动车组的行车方案基于大风预警系统在沿线测风点的实测风速确定，根据风区沿线测风点的风速确定动车组是否能够在风区运行及在风区的运行速度。这显然是一种开环的控制方式，动车组进入风区的运行速度依赖于进入风区之前的测风点风速数据，使行车与风速的对应关系存在一定滞后，带来一定安全隐患。另一方面，动车组运行过程中经历的贴地风场复杂多变，测风点的风速并不能反映通过过渡段时剧烈变化的气动载荷产生的瞬时冲击对动车组运行稳定性的影响。因此，研究基于车载控制参数的大风环境下动车组运行闭环控制方式是很有必要的。

采用实车试验和仿真计算相结合的方法，分析过渡段突变荷载作用下动车组运行稳定性问题；考虑现有车载测试技术的可靠性、稳定性，对比车体振动参数与行车安全性之间的关联关系，初步确定动车组运行稳定性的车载控制参数。

1 大风环境下动车组运行稳定性分析

国内外学者对大风环境下铁道车辆的行车安全性做过大量研究，主要以仿真计算和风洞试验为主，重点研究了恒定风速横风作用下铁道车辆的行车安全性[4-11]。这方面的研究一般均以轮重减载率和倾覆系数作为车辆运行稳定性的表征参数，即将横风作用下车辆运行稳定性的失效模式认定为车辆倾覆。然而，通过试验发现防风设施过渡段位置（如路堑-路基过渡段、隧道口等）是动车组运行稳定性的薄弱环节，由于上述位置风场的非均匀分布，动车组通过时车体会受到突变的横向气动载荷扰动，这种扰动引起的车体振动响应通过车辆悬挂向下传递，影响轮轨力的变化，造成脱轨系数、轮重减载率、倾覆系数等运行稳定性指标较大甚至超限[2]。在突变风载作用下，动车组有可能出现向背风侧倾覆和向迎风侧爬轨2种形式的运行稳定性失效模式。选取工况1和工况2两个具有代表性的过渡段试验数据进行分析，2种工况下的车速、头车车体两侧最大压差、风载作用时间见表1，车体两侧压差在一定程度上反映了风载的大小。

表1 2种工况下的车速和所受的外部风载

工况1动车组头车一位转向架的实测脱轨系数和轮重减载率的数值变化见图1。可以看出：一轴迎风侧车轮脱轨系数明显大于其他车轮，达到0.86，而其他车轮最大值为0.31；迎风侧车轮减载，背风侧车轮增载，减载率最大值为0.52，一轴和二轴的幅值大小相当。

图1 工况1动车组头车一位转向架的实测脱轨系数和轮重减载率

工况2动车组头车一位转向架实测脱轨系数和轮重减载率的数值变化见图2。可以看出：二轴背风侧车轮脱轨系数略大于其他车轮，最大值为0.41；迎风侧车轮减载，背风侧车轮增载，二轴减载率稍大于一轴，最大值达到0.92。

结合2种工况的风载特征及车速，对比其动力学响应可以看出：当列车速度较低，风载作用时间较长时，风载增大到一定程度会使动车组产生向背风侧倾覆的稳定性失效模式；当列车速度较高，风载作用时间较短时，风载增大到一定程度会使动车组产生向迎风侧车轮爬轨的失效模式。因此，动车组运行稳定性车载控制参数必须兼顾这两种稳定性失效模式，特别是车轮向迎风侧爬轨的稳定性失效模式，其所需的风载大小及作用时间更容易满足，在实际动车组运行过程中发生的概率相对较大。

2 大风环境下动车组列车动力学模型

为了结合试验数据对车载控制参数与安全性指标的关联性进行验证，建立动车组列车动力学模型。计算采用的风载是由试验实测车体两侧压差综合解析而得到的。

采用与试验一致的动车组动力学参数，建立包括头车、中间车和尾车3节车的列车动力学计算模型（见图3）。模型包括车体、牵引装置、构架、轴箱、轮对、一系悬挂装置、二系悬挂装置、抗蛇形减振器、抗侧滚扭杆、横向止挡以及车钩装置，共计156个自由度，模型中考虑了一系、二系阻尼以及横向止挡的非线性特性。轮轨接触采用经典的Hertz接触理论，蠕滑力计算采用Kalker简化非线性理论方法，车轮踏面型面采用实车车轮型面，钢轨型面为标准60 kg/m轨，轨底坡为1∶40。

图3 列车动力学计算模型

3 大风环境下动车组运行安全性车载控制参数

3.1 确定原则

大风环境下动车组行车车载控制参数用于大风环境下动车组的行车控制。稳定性指标脱轨系数和轮重减载率等均需要在动车组上换装测力轮对进行直接测量，由于测力轮对在日常维护、应用管理等方面的特殊性，难以在运营动车组上实现。因此应通过合理的统计分析和理论分析，确定能够反映大风环境下动车组运行安全性的车载参数，作为控制动车组运行状态的输入参数，实现运营动车组在大风环境下运行稳定性的在线评估。确定大风环境下动车组行车控制参数应遵循以下原则：（1）能够在运营动车组上进行在线测试和评估；（2）应比较准确、全面地反映大风环境对动车组运行稳定性的影响；（3）该参数的测试技术成熟，包括传感器在内的测试系统稳定、可靠。

事实上，与一般情况下由线路因素或走行部状态导致的运行安全性问题不同，大风环境下车体的振动参数和轮轨力参数的因果关系正好相反。即车体振动是输入项，轮轨力参数是响应项，因此采用车体的振动参数作为运行安全性的表征参数是合理的。根据前文分析，大风环境下动车组运行稳定性应通过脱轨系数和轮重减载率的数值直接反映。因此，判断某个车载参数是否能够准确反映动车组的运行稳定性可依据其与脱轨系数和轮重减载率指标的相关性来进行。

3.2 与安全性指标关联性分析

从工程技术的角度考虑，将加速度和角速度作为车载关键控制参数是容易实现的。另一方面，大风环境下车体横向振动和侧滚振动是引起轮轨力变化的主要原因，同时轮轨力的变化又会通过车辆悬挂反馈在车体横向加速度和侧滚角速度上。因此，选择车体横向加速度和侧滚角速度作为直接的车载控制参数或作为车载控制参数的输入项，无论从工程实现的角度还是在原理上都是可行的。

在大风导致脱轨系数超限或数值较大的情况下，车体横向加速度均存在明显的振荡，出现明显的反相位突变（见图4）。一般情况下，这种反相位突变会导致其导数出现较大的值，即车体的横向冲动（车体横向加速度的导数）与脱轨系数可能存在很好的相关性。

图4 脱轨系数大值点处动力学响应变化

利用建立的动车组列车动力学模型，计算给出各个动力学指标的数值，对上述推论进行验证。具体计算结果见表2。

表2 不同横向风载作用下动力学指标最大值

将表2中各项动力学参数计算结果进行归一化处理，对比其随横向风载增大的变化趋势（见图5）。从图中可以看出：车体横向冲动与脱轨系数的变化趋势最为相近，相对于其他参数，车体横向冲动与脱轨系数的相关性最好，可以考虑将车体横向冲动作为大风环境下动车组行车车载关键控制参数。此外，车体侧滚角速度与轮重减载率的变化趋势也有较好的相似性。

图5 不同横向风载作用下车辆动力学响应最大值归一化曲线

3.3 参数确定

基于上述研究，利用试验数据对车体振动参数和运行稳定性指标的对应关系进行统计分析。大风区段和道岔区段车体横向冲动和脱轨系数的散点对应分布分别见图6和图7，大风区段和道岔区段车体侧滚角速度和轮重减载率的散点对应分布分别见图8和图9。图中大风区段的散点总数为2 173个，道岔区段散点总数为498个。参照UIC518—2009关于采用车体加速度进行安全性评判的滤波方法，车体横向冲动和侧滚角速度均采用6 Hz滤波。

图6 大风区段车体横向冲动相对于脱轨系数的散点分布

不难看出：（1）在大风作为主要影响因素的条件下，车体横向冲动与脱轨系数具有较好的相关性，若将6 Hz滤波后的车体横向冲动限值确定为8 m/s3，以脱轨系数限值0.8作为安全性是否符合要求的标准，无漏判点出现，漏判率为0；共有8个误判点，仅占散点总数的0.36%。在线路条件（道岔）作为主要影响因素的条件下，则不会出现误判点。即选择车体横向冲动作为行车关键控制参数既能较好地间接反映大风环境下动车组的爬轨安全性，又能很好地屏蔽线路因素的影响，不会造成动车组正常侧向进出道岔时的误判。（2）大风环境下车体侧滚角速度与轮重减载率具有很好的相关性，若将6 Hz滤波后的车体侧滚角速度限值确定为5°/s，以轮重减载率限值0.8作为安全性是否符合要求的标准，无漏判点出现，仅有7个误判点。即选择车体侧滚角速度作为行车关键控制参数较好地间接反映了大风环境下动车组的倾覆安全性。

图7 道岔区段车体横向冲动相对于脱轨系数的散点分布

图8 大风区段车体侧滚角速度相对于轮重减载率的散点分布

图9 道岔区段车体侧滚角速度相对于轮重减载率的散点分布

综上所述，车体横向冲动和侧滚角速度能够在很大程度上分别反映大风环境下动车组爬轨安全性和倾覆安全性，宜将车体横向冲动和车体侧滚角速度作为大风环境下动车组行车关键控制参数，对于分析的动车组，考虑到一定的安全裕量，限值可以分别确定为8 m/s3和5°/s。另一方面，由于与运行安全性指标并不完全对应，存在一定的随机性，车体横向冲动和侧滚角速度并不能完全替代安全性指标作为大风环境下动车组运行安全性的评判指标。

4 结论

（1）在突变风载作用下，动车组存在向背风侧倾覆和向迎风侧爬轨2种形式的运行稳定性失效模式。动车组在大风环境下的运行安全性除传统认知中的倾覆稳定性之外，还应关注突变风载作用下车轮爬轨脱轨的可能。

（2）通过仿真计算和试验实测结果的综合分析，提出了以车体横向加速度导数和侧滚角速度作为大风环境下动车组车载关键控制参数，二者在很大程度上能够分别反映大风环境下动车组爬轨安全性和倾覆安全性，对于分析的动车组，考虑到一定的安全裕量，6 Hz滤波后的限值分别确定为8 m/s3和5 °/s。

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On EMU Train Operation & Load-carrying Control Parameters in High Wind Environment

WU Ning1，CUN Dongdong2
（1. Locomotive & Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2. Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co，Beijing 100094，China）

Due to lightweight design of the train body and increase of running speed of the train, aerodynamic load exerts a stronger perturbing effect on EMU trains than on conventional speed ones, thus the operational stability of EMU trains running in high wind becomes an issue. Based on tests on real trains and simulation calculation, this paper examines operation stability of EMU trains running in high wind and the relationship between vibration parameters and the running stability indexes of the train body, puts forward the idea that the train body lateral acceleration derivative and the side-roll angular speed, which to a large extent are able to show safety in terms of rail-climbing and overturning of EMU trains in high wind, shall be the EMU train loadcarrying key control parameters. Taking into account the safety margin, the paper concludes that the train body lateral acceleration derivative and side-roll angular speed shall be 8 m/s3and 5 °/s respectively.

high wind；EMU；stability；control parameters；train body lateral acceleration derivative；sideroll angular speed

U270.1+1

A

1001-683X（2017）11-0082-06

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.11.082

中国铁路总公司科技研究开发计划项目（2015T002-C）

吴宁（1980—），男，副研究员，硕士。E-mail：buxzhewn@sina.com

责任编辑 李凤玲

2017-01-16