兰新铁路第二双线大风环境下动车组“晃车”现象分析

潘新先

Pan Xin-xian

（乌鲁木齐铁路局，新疆乌鲁木齐830011)

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

兰新铁路第二双线大风环境下动车组“晃车”现象分析

潘新先

Pan Xin-xian

（乌鲁木齐铁路局，新疆乌鲁木齐830011)

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

兰新铁路第二双线联调联试和防风安全试验时发现，在大风环境下当动车组通过线路部分区段时，车体瞬间晃摆剧烈，造成列车降速并严重影响乘坐舒适性。为此，以实车试验和实地风场测量为主要研究手段，就“晃车”这一现象开展研究，得出“晃车”现象主要出现在动车组通过不同防风结构过渡段位置或地形地貌突变地段时、晃车造成的车体振动主要表现为0.6Hz的低频侧滚、不同类型防风结构间过渡越剧烈或地形地貌变化尺度越大动车组车体“晃车”越剧烈等结论，并提出了防风工程改良的措施和建议。

动车组；防风结构；强侧风；晃车；过渡段；侧滚

在强侧风作用下，动车组空气动力性能恶化，严重影响其横向稳定性，甚至导致列车的颠覆[1]。兰新铁路 (兰州—乌鲁木齐) 第二双线新疆段近 60% 线路区段需要穿越烟墩、百里、三十里和达坂城 4 大风区，风区风速高 (最大风速达 60 m/s)、风期长 (局部地段大于 8 级风天数全年超过 200 d)、风向稳定、起风速度快[2-3]。为尽可能降低环境风对动车组运行安全造成的影响，结合我国高速铁路建设情况，在风区铁路沿线依地形设置了各类型的防风结构 (挡风墙)[4]，并在不同防风设施之间的过渡区域依地形修建了防风结构过渡段[5-6]。在大风环境运行过程中发现，当动车组列车高速通过线路某些区段时，车体会瞬间出现剧烈晃摆，即“晃车”现象，导致列车不能正常运行，对行车安全和乘坐舒适性造成严重影响。因此，通过现场实车检测车体横向振动[7]，对兰新铁路第二双线环境风下动车组列车通过防风结构过渡段“晃车”的问题展开研究。

1 百里风区检测试验

考虑百里风区内防风结构类型最为全面，也是线路穿越的最长风区，因而选取“晃车”现象最为集中的 K2999+000—K3041+000 为试验研究区段。

1.1 检测点布置

在动车组车体底部非共线的 4 个点上分别安装高速摄像机 (CCD)，当动车组运行时，CCD 分别记录钢轨相对于该测点的运动图像序列，通过数字图像处理，可以分析得到任一测点相对于轨面的横向位移与垂向位移[8]。各测点 CCD 通过同步控制装置同步采集数据，数据通过计算机存储、处理和显示。综合其中任意 3 个测点的横向与垂向位移，即可确定动车组车体相对于轨面的空间姿态和动态偏移量[9]，并且通过刚体运动学相关理论可得到车体任意一点的振动偏移量。测点布置如图 1 所示。

1.2 “晃车”现象发生区域及特点

1.2.1 “晃车”现象发生区域

由于“晃车”主要表现为车体的侧滚运动，因而将车体运行过程中的侧滚角作为“晃车”程度的评判指标。某单程动车组头车车体侧滚角曲线如图 2 所示，可以看出在试验区段运行过程中车体侧滚角幅值部分区段波动剧烈，车体侧滚运动明显。选取其中某处侧滚角出现极值的位置，通过曲线分析发现，侧滚角具有幅值突然增大，然后快速衰减的特点，即车体的瞬态侧滚运动导致车体侧滚角的突然增大，造成了“晃车”现象，过渡段(K3036+700) 侧滚角变化曲线如图 3 所示。通过进一步结合铁路沿线地形地貌资料分析可知，侧滚角极值点皆出现在不同类型防风结构过渡处，即“晃车”现象主要出现在防风结构过渡段 (包含堤堑、堤桥、堤隧、隧桥等过渡类型) 附近。

图 1 测点布置

图 2 某单程动车组头车车体侧滚角曲线

图 3 过渡段 (K3036+700) 侧滚角变化曲线

此外，不同过渡段处“晃车”程度明显不同。动车组通过连续过渡段侧滚角变化曲线如图 4 所示，缓和过渡段和直角段分别如图 5、图 6 所示。结合图 4—图 6 分析可知，试验动车组在防风结构或地形地貌变化较缓区域运行时，车体侧滚角幅值波动较小，动车组运行较为稳定；当动车组通过防风结构过渡段或地形地貌突变区域时，车体侧滚角发生瞬变，车体产生剧烈晃动，并且过渡段的过渡结构越剧烈、地形地貌变化尺度越大，对车体晃动影响越明显，在图 4 曲线中，车体侧滚角变化最大处出现在防风结构直角过渡段处。

1.2.2 “晃车”车体振动特点

在车体、构架加装振动加速度传感器及在二系簧上加装垂向位移计，测得车体横向加速度频谱如图 7 所示，车体横向加速度、左右侧空气弹簧附近车体与转向架之间垂向相对位移，转向架中心二系横向减振器处车体与转向架之间横向相对位移的典型时域波形如图 8 所示。分析可知，“晃车”车体振动主要呈现出以下特征：①车体的振动主频率约为 0.6 Hz；②车体两侧的垂向位移变化同步，相位相反；③车体的晃动主要体现为车体的侧滚，并且振幅较大。

图 4 动车组通过连续过渡段侧滚角变化曲线

图 5 缓和过渡段

图 6 直角段

图 7 车体横向加速度频谱

2 “晃车”现象的发生原因及应对措施

2.1 “晃车”现象的发生原因

为研究动车组通过不同防风结构过渡段时出现“晃车”现象的原因，选取与图 2、图 3 所示同一趟测试车体两侧压差曲线进行对比发现，车体两侧压差波动剧烈，与车体侧滚角变化趋势基本一致，即车体两侧压差是导致车体侧滚运动的主因。当动车组在通过防风结构过渡段时，车体的两侧压差突然增大导致横向气动力的瞬变，出现“晃车”现象，特别是在进出路堑与路基防风墙时的过渡段时侧动力瞬变更明显，某单程车体两侧压差检测曲线和过渡段 (K3021+800) 车体两侧压差变化曲线分别如图 9、图 10 所示[6]。

图 8 车体横向加速度及车体与转向架之间相对位移典型时域波形

图 9 某单程车体两侧压差检测曲线

图 10 过渡段 (K3021+800) 车体两侧压差变化曲线

为研究造成过渡段处气动力突变的原因，选取某典型过渡段进行实地勘察和风场测试。由测试结果可知，当环境风越过防风设施进入线内时，风速和风向角发生明显改变，流场紊乱，在过渡段处形成了由线路内吹向墙外的环境风，部分沿线路方向流动，其余越过线路继续流动，风速呈增大趋势。通过分析认为防风设施过渡段存在过渡不平顺的问题：一是平面上以直角过渡，二是垂向上以阶梯形过渡。正是这种过渡的不平顺，使得在该位置处近地环境风的风速及风向在过渡段位置发生突然改变，产生“风切变”现象，引起防风设施背风侧线路周围流场急剧变化，使得动车组经过时流场剧变形成强瞬态气动激扰造成车体晃动，即“晃车”现象。

因此，要降低“晃车”对兰新铁路第二双线安全运营的影响，需要从优化防风结构过渡段的角度入手，研究改进不同防风结构过渡地段的设计，增加地形急剧变化点防护措施。

2.2 “晃车”现象的应对措施

从上述研究可知，过渡段的过渡形式对于“晃车”的影响非常明显。在实际线路中，受沿线复杂地形地貌的影响，依地形建造的过渡结构不尽相同，使得列车通过不同过渡段区域时的气动性能存在较大差异，从而导致每个出现“晃车”现象的过渡段均具有明显的地形地貌特性。要解决“晃车”现象，必须对沿线每个出现“晃车”现象的过渡段进行针对性研究，提出具有地形地貌特性的改造方案，但这在工程具体操作上难以实现。因此，建议从以下方面进行防风设施过渡段的改造工作。

（1）对现场实车试验数据与线路地形地貌进行匹配分析，准确获取测量指标出现大值或突变的路段和区域位置，归纳总结其过渡结构类型及周围地形地貌特征。

（2）对典型过渡结构及地形地貌突变路段进行全尺寸三维实地建模，通过大型数值模拟计算掌握过渡段位置流场特征，获取动车组列车通过时其气动特性变化规律，并在此基础上确定合理过渡形式和改造措施。

（3）结合工程实际要求，形成可行的现场工程改造方案。

3 结束语

研究大风环境下动车组列车在运行过程中出现的“晃车”现象，对于提升在风区运营的高速列车行车安全及运行品质具有重要科学意义和工程价值。通过实车测量动车组列车运行过程中的车体振动偏移情况，结合铁路沿线地形地貌分析，发现防风设施过渡段位置和地形地貌突变区域是“晃车”现象的频发区段；过渡不平顺和沿线地形突变形成的“风切变”现象是造成“晃车”现象频发的主要原因。因此，为削弱“晃车”现象对行车安全和乘坐舒适性影响，提出进一步优化不同防风设施之间的过渡形式，确定合理过渡结构，从工程角度入手有效解决动车组列车在运行过程中的“晃车”问题。

[1] 田红旗. 列车空气动力学[M]. 北京：中国铁道出版社，2007.

[2] 鲁寨军，周 丹，黄 莎，等. 兰新铁路第二双线大风条件下行车安全专项实验报告[R]. 长沙：中南大学，2014. LU Zhai-jun，ZHOU Dan，HUANG Sha，et al. The Report of Vehicle Safety Specific Test on Second Two Lines of Lanzhou-Xinjiang Railway under Strong Wind[R]. Changsha：Central South University，2014.

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[4] 鲁寨军，田红旗. 大风环境下 YW25G 型客车横向振动偏移量研究[J]. 铁道科学工程学报，2011，8(3)：57-61. LU Zhai-jun，TIAN Hong-qi. Research on YW25G Passenger-Car’s Lateral Vibration Offset under Strong Winds[J]. Journal of Railway Science and Engineering，2011，8(3)：57-61.

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[7] 田葆栓. 对铁路限界的分析与思考[J]. 铁道货运，2010，28(8)：13-18. TIAN Bao-shuan. Analysis and Thoughts on Railway Clearance[J]. Railway Freight Transport，2010，28(8)：13-18.

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[9] 侯富国，吴 宁，于卫东，等. 兰新第二双线大风条件下行车安全专项实验报告[R]. 北京：中国铁道科学研究院，2014.

责任编辑：吴文娟

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

中国铁路总公司科研开发计划课题(Z2015-T001)