强横风下青藏线列车路堤上运行气动性能研究

列车运行过程中可能遭遇来自不同方向的强风,为了充分了解和掌握列车在横风作用下的气动性能,本文以青藏线为工程背景,通过风洞试验,对强横风下青藏线客车、棚车、集装箱车在路堤和平地上运行时气动性能进行了测量和分析。结果表明,在同样的运行速度和同样的大风风速下,列

强横风下青藏线列车路堤上运行气动性能研究

杨明智1，田红旗1，鲁寨军1，黄汉杰2

1中南大学轨道交通安全教育部重点试验室，长沙（410000）

2中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳（621000）

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摘 要：列车运行过程中可能遭遇来自不同方向的强风，为了充分了解和掌握列车在横风作用下的气动性能，本文以青藏线为工程背景，通过风洞试验，对强横风下青藏线客车、棚车、集装箱车在路堤和平地上运行时气动性能进行了测量和分析。结果表明，在同样的运行速度和同样的大风风速下，列车在路堤上运行比在平地上运行所受到的侧向力系数和倾覆力矩系数大很多，因而也危险得多。

关键词：空气动力学；风洞试验；强横风；路堤

中图分类号：U270.1 文献标识码：A

1 前言

强横风对行车安全危害极大，在其作用下，列车气动性能恶化，不仅气动阻力迅速增加，而且还严重影响列车的横向稳定性，严重时将导致列车脱轨倾覆。对于一些特殊的风环境，如高路堤、特大桥梁、高架桥等路段，列车的绕流流场改变更为突出，气动力显著增大，导致列车脱轨、翻车的可能性大大增加。由侧向风引发的行车安全事故在世界各国时有发生，大风给铁路运输安全、旅客生命财产造成严重威胁。

青藏线的五道梁至安多之间最大风速均大于30m/s[1]，在安多的最大风速达到38m/s[2]，年平均大风日数在100天以上，属于强横风地区，并且高路堤众多，因此极有可能造成严重的列车事故。为使列车安全通过风区，必须对青藏线强横风问题开展研究，并为青藏线大风预警系统建立提供基础。

2 试验装置及测试方法

2.1 风洞和试验模型

试验在中国空气动力研究与发展中心8m×6m风洞中进行。该风洞为直流式、闭口、串列双试验段大型低速风洞，本次试验在第二试验段进行。第二试验段截面尺寸为8m×6m 、长15m，稳定风速范围20m/s～70m/s。

试验模型如图1-3所示，模型的比例为1：15，本次试验以青藏线运行列车为背景，采用三种编组：路堤+机车＋两节客车；路堤+机车＋三节集装箱车；路堤+机车＋三节棚车。试验需将测力天平、测压管和压力扫描阀安置在车内，因此，机车、客车、棚车及集装箱车车体都设计成空心结构；模型外部采用红松木，内撑角钢焊接的骨架。

每辆模型车的顶部、底部和两侧都设计成可拆卸的方式，以方便天平和扫瞄阀的安装和调试，以及测压管的联接；模型的大风挡、转向架也均可拆卸。

列车运行过程中可能遭遇来自不同方向的强风,为了充分了解和掌握列车在横风作用下的气动性能,本文以青藏线为工程背景,通过风洞试验,对强横风下青藏线客车、棚车、集装箱车在路堤和平地上运行时气动性能进行了测量和分析。结果表明,在同样的运行速度和同样的大风风速下,列

图1 机车+客车+路堤模型 图2 机车+棚车+路堤模型 图3 机车+集装箱车+路堤模型

2.2 测试方法

测力试验采用一组六分量盒式天平，同时测量各辆模型列车所受到的气动力和力矩；测压试验是在模型表面布置测压孔，然后由电子扫描阀测量。

为避免风洞壁面附面层的影响，在试验段内安装列车试验地板装置，该地板由5块独立地板拼接而成，中间地板有一直径7米、可旋转360°的转盘，其它为固定部分。地板前、后缘加工成流线型，以减少对气流的干扰，地板之间有倾斜的缝隙；各块地板后沿下面，有一角度可调的斜板伸出下表面，通过该斜板可以产生低压涡区，能够被动地吸除附面层，以降低地板附面层的影响。

3 试验结果与分析

由于大风环境下，侧向力和倾覆力矩对列车的安全有重要影响，本文主要分析路堤上列车空气侧向力系数和倾覆力矩系数的特性。

3.1 侧向力系数

图4为客车侧向力系数随侧滑角变化曲线图，分析该图可以得到客车的侧向力变化情况：当侧滑角β<60°时，头车、中间车和尾车的侧向力系数均随侧滑角的增大而增加。当β=60°时，头车、中间车出现拐点，拐点后，侧向力系数开始下降；而尾车侧向力系数一直随侧滑角的增大而增加。

图5和图6分别为棚车、集装箱车侧向力系数随侧滑角变化曲线图，棚车和集装箱车的侧向力系数变化情况和前面客车的侧向力系数随侧滑角变化规律类似，只是拐点的位置有所差异。

图7为路堤上的客车与平地上的客车侧向力系数比较图，分析该图可以看出：客车在路堤上运行时所受到的侧向力系数比平地时所受到的侧向力系数大很多。比较路堤和平地上运行客车的侧面压力分布，可以发现背风面负压的压力系数的绝对值，路堤上比平地上要大很多，这是列车在路堤上运行时所受到的侧向力比列车在平地所受到的侧向力大的原因。

列车运行过程中可能遭遇来自不同方向的强风,为了充分了解和掌握列车在横风作用下的气动性能,本文以青藏线为工程背景,通过风洞试验,对强横风下青藏线客车、棚车、集装箱车在路堤和平地上运行时气动性能进行了测量和分析。结果表明,在同样的运行速度和同样的大风风速下,列

图4 客车侧向力系数随侧滑角变化曲线图 图5 棚车侧向力系数随侧滑角变化曲线图

图6 集装箱车侧向力系数随侧滑角变化图 图7路堤和平地上客车侧向力系数比较图

并且同样大风环境下，数值计算显示路堤越高，列车所受到的侧向力越大（如图8所示）。其原因也是由于路堤越高，路堤和车辆背风面负压的范围和负压的绝对值越大。

3.2 倾覆力矩系数

图9为客车倾覆力矩系数随侧滑角变化曲线图，由图可见：当侧滑角β<60°时，头车、中间车和尾车的倾覆力矩系数的绝对值均随侧滑角的增大而增加。当β=60°时，头车、中间车出现拐点，拐点后，倾覆力矩系数的绝对值开始下降；而尾车的倾覆力矩系数的绝对值一直随侧滑角的增大而增加。

图10和图11分别为棚车和集装箱车倾覆力矩系数随侧滑角变化曲线图，棚车和集装箱车的倾覆力矩系数变化情况和客车的倾覆力矩系数随侧滑角变化规律类似，只是拐点的位置有所差异。

图12为路堤上客车倾覆力矩系数与平地上客车倾覆力矩系数比较图，由该图可以看出：列车在路堤上运行时所受到的倾覆力矩比平地上所受到的倾覆力矩大。这主要是由于列车在路堤上运行时所受到的侧向力比平地时所受到的侧向力大，而倾覆力矩主要由侧向力产生的

列车运行过程中可能遭遇来自不同方向的强风,为了充分了解和掌握列车在横风作用下的气动性能,本文以青藏线为工程背景,通过风洞试验,对强横风下青藏线客车、棚车、集装箱车在路堤和平地上运行时气动性能进行了测量和分析。结果表明,在同样的运行速度和同样的大风风速下,列

原因。同样，对棚车和集装箱车，也是路堤上的倾覆力矩系数比平地上的倾覆力矩系数大。

图9 客车倾覆力矩系数随侧滑角变化曲线图 图10 棚车倾覆力矩系数随侧滑角变化曲线图

图11 集装箱车倾覆力矩系数随侧滑角变化曲线图 图12 路堤和平地客车倾覆力矩系数比较

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