风雨环境对桥上城际列车运行安全性影响研究

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随着铁路快速发展,铁路桥梁在线路中的占比越来越高。风雨环境下,强风驱动降雨使得脉动风的湍流效应恶化,加剧其对结构的冲击作用,使得风雨联合作用下桥上列车动力学问题将愈发突出。因此,分析强风降雨等恶劣天气环境对高架桥梁上运行的城际列车动力学特性影响,已成为当前列车运行安全研究中重要的课题之一。本文采用数值仿真方法,分析风雨环境对桥上列车气动特性影响,研究风雨联合作用下列车所受气动载荷随环境特征参数的变化规律,并基于列车多体动力学仿真分析,探讨了风雨环境下桥上城际列车运行安全控制问题。主要内容包括以下部分:(1)研究了风雨环境不同特征参数对列车周围雨滴密度分布和运动特性的影响,其结果表明:随着侧风风速和风向角增加,列车和桥梁迎风侧表面附近的雨滴密度表现出增大的趋势;部分雨滴在气流绕流的带动下呈现类抛物线的抛射特征,并随侧风风速和风向角的增大其抛射距离亦表现出增大的趋势;而随降雨强度的增加,列车和桥梁迎风侧表面附近的雨滴密度表现出明显的增大趋势,但是雨滴的抛射特征随之未表现出明显的趋势变化;此外,桥上列车背风侧的气流结构随风速和风向角的增加而变化显著,但其对降雨强度的敏感度相对微弱;较小粒径的雨滴颗粒运动速度和涡旋特性与气流流动特性表现相近,而较大粒径雨滴颗粒的运动速度则较之表现出减小趋势特点。(2)分析了风雨环境不同特征参数对列车表面压力系数和气动力系数的影响。结果表明:风雨环境下,侧风作用对列车气动特性的影响占据主导因素,降雨对其附加作用相对较弱。较之于无雨工况下,在有雨条件下列车的表面压力、侧向力和倾覆力矩系数有增大的趋势,而其对升力系数影响甚微;有雨条件下,列车的侧向力和倾覆力矩系数随侧风风速、风向角和降雨强度的增大均表现出增大的趋势,但是其升力系数随降雨强度变化敏感度相对较低;随着运行车速的降低,列车的气动载荷系数均有下降的趋势。(3)基于气动载荷仿真结果和城际列车运行安全指标,研究了风雨环境不同特征参数对桥上城际列车运行安全性的影响,并基于最小二乘法原理得出了以轮重减载率为判据的不同降雨强度下列车运行安全域和侧风风速-降雨强度-临界车速耦合关系,其结果表明:相较之无雨工况(0 mm/h),20、40、60、80和100 mm/h降雨强度下,列车的运行安全域分别减小了0.56%、1.56%、4.80%、5.92%和7.03%。
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