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强侧风作用下列车运行安全性研究

作　者: 高广军
导　师: 田红旗
学　校: 中南大学
专　业: 载运工具运用工程
关键词: 车辆强侧风倾覆稳定性数值模拟挡风墙外形优化风速预测
分类号: U270.1
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
下　载: 503次
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内容摘要

强侧风作用下,列车在特大桥梁、高路堤或风口线路上极有可能造成列车倾覆等重大行车事故。对强侧风作用下列车运行安全性进行研究,找出车辆在强风作用时的倾覆机理,并找出具体防范措施,对于预防大风事故的发生,确保铁路运输的正常进行具有重要的现实意义。从车速—风速—线路—车辆耦合情况下车辆的气动性能出发,建立了车辆在瞬态突变载荷和稳态载荷下车辆在轨道上倾覆以及车体在转向架上倾覆的数学模型,最终得出了列车在不同载重、不同线路条件(路堤或桥梁)下风速与临界车速的关系,并提出了提高车辆在强侧风下运行的安全措施,完整地建立了在风—车—路三者耦合条件下研究车辆行车安全性的方法体系。较为系统地、完整地建立了采用不同结构形式的转向架(一系或二系悬挂、钢簧或空气弹簧、摆式或非摆式转向架、有无摇动台等)的车辆在强突变风载荷及稳态风载荷情况下车辆在轨道上倾覆、车体在转向架上倾覆的数学模型。研究表明:车辆在突变载荷情况下更容易发生倾覆事故;列车的倾覆不仅与列车在运行中的受力有关,还与车体与转向架之间的相对位置有关;车体与转向架之间发生振动时的相对横向偏移量越小,则车辆越不容易发生倾覆。得到了在强侧风作用时车—路耦合条件下车辆的气动性能。研究表明:车辆受到的气动力均随着车速和风速的增大而增大,在风向角为90°左右时,车辆受到的气动力最大;在同样外界条件(车速、风速和风向角)的情况下,车辆受到的气动力均随着路堤和桥梁高度的增高而增大;路堤迎风面结构形式对车辆的气动性能影响较小,但背风面的结构形式对列车气动性能影响较大,随着路堤背风面斜率的增大,车辆受到的气动力显著减小;对在峡谷中桥梁上的车辆来说,同样标准风速情况下,两座山之间的间距越短,列车受到的气动力越大。得到了风—车—路三者耦合条件下车辆的速度限值。研究表明:棚车和集装箱车的外形流线化最差,在同样风速条件下会承受较大的气动力,车辆的临界运行车速较低,而罐车的流线型外形最好,在同样风速时受到的气动力较小,则车辆的临界运行车速相对较高;车辆的自重越大,其临界允许车速就越高;随着桥梁和路堤的增高,车辆的临界车速迅速下降,若在线路上加挡风墙,则可以有效降低车辆受到的气动力,进而提高车辆的临界运行车速;车辆在曲线上运行时由于受离心力的影响,其临界车速会迅速降低;车辆的重心越高,则相同的离心力会产生较大的倾覆力矩,降低车辆的临界运行车速;横向振动惯性力对系统影响较大,加装阻尼器、改善踏面形状等可有效的降低振动的频率和幅值,进而降低横向振动加速度,最终提高车辆的临界运行车速。根据对单节车的研究结果,给出了一列车的限速准则:即整列车所处的位置中的所有危险点上、所有车辆的最小的临界运行车速为列车的限速。提出了大风对行车安全影响因素的改善措施。对车辆自身而言,降低车辆重心高、降低车辆在运行时的横向振动加速度能提高车辆在强侧风下的临界倾覆风速。但根本上来说,降低车辆在强侧风下受到的气动力能有效的提高车辆的抗倾覆性能,主要措施为改善车辆在强侧风下的气动外形、在线路上加设挡风墙。以棚车为例给出了棚车在强横风作用时的最佳侧壁及车顶的外形轮廓;给出了路堤上采用不同类型的挡风墙时挡风墙的最优参数;给出了桥梁上单侧透风式挡风墙最佳结构参数(挡风墙高度、透风率、挡风墙位置)。提出了风区风速的预测方法。即针对原始风速时间序列,首先进行滑动平均,然后采用卡尔曼滤波求出真值,最后采用时间序列或神经网络的方法建立风速的预测模型。时间序列预测主要针对单个测点,该方法需要较多的历史数据,能够对将来很好的预测,并能给出预测误差。针对距离较近、风速相关性较强的几个测点,可以采用神经网络预测的方法,这种方法充分考虑系统的非线性,采用较少的历史数据就能给出比较精确的预测。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-26
  1.1 论文选题背景  12-13
  1.2 国内外研究概况  13-22
    1.2.1 国外研究概况  13-18
    1.2.2 国内研究概况  18-22
  1.3 拟解决的主要问题  22
  1.4 论文的特色与创新之处  22-24
  1.5 章节划分  24-26
第二章强侧风作用下列车气动性能计算、试验方法研究  26-40
  2.1 强侧风作用下列车气动性能数值模拟方法研究  26-31
    2.1.1 列车气动性能数值模拟数学模型  26-28
    2.1.2 数值计算用几何模型  28-29
    2.1.3 数值模拟计算区域、边界条件及计算网格  29-31
  2.2 强侧风作用下车辆风洞试验方法研究  31-36
    2.2.1 风洞的基本类型  31
    2.2.2 低速风洞的类型和主要部件的功能  31-32
    2.2.3 列车空气动力特性风洞模型试验原理  32
    2.2.4 风洞试验用模型  32-34
    2.2.5 列车风洞测力试验技术  34
    2.2.6 列车风洞测压试验技术  34-35
    2.2.7 列车风洞试验地面效应模拟技术  35-36
  2.3 列车气动性能数值模拟计算、风洞试验结果对比研究  36-39
    2.3.1 气动力对比分析  36-37
    2.3.2 表面压力分布对比分析  37-39
  2.4 小结  39-40
第三章强侧风作用下列车气动性能研究  40-50
  3.1 风向角对列车气动性能的影响  40-41
  3.2 风速对列车气动性能的影响  41-42
  3.3 车速对列车气动性能的影响  42-43
  3.4 路堤对列车气动性能的影响  43-46
    3.4.1 路堤高度对列车气动性能的影响  43-44
    3.4.2 路堤结构形式对列车气动性能的影响  44-46
  3.5 桥梁对列车气动性能的影响  46-49
    3.5.1 桥梁高度对列车气动性能的影响  46-48
    3.5.2 桥梁周围环境对列车气动性能的影响  48-49
  3.6 小结  49-50
第四章强侧风作用下列车倾覆稳定性计算模型研究  50-69
  4.1 强侧风作用下车辆受力分析及车辆倾覆的力学模型  50-53
  4.2 强侧风作用下车辆在轨道上倾覆的数学模型  53-60
    4.2.1 曲线外侧倾覆  53-55
    4.2.2 曲线内侧倾覆  55-56
    4.2.3 直线上倾覆  56-57
    4.2.4 基于风速与风向的车辆倾覆  57-59
    4.2.5 几种特殊形式转向架上车辆的倾覆  59-60
  4.3 强侧风作用下车体在转向架上倾覆的数学模型  60-64
    4.3.1 曲线外侧倾覆  61-62
    4.3.2 曲线内侧倾覆  62-63
    4.3.3 直线上倾覆  63-64
  4.4 突变强侧风作用下车辆倾覆的数学模型  64-68
    4.4.1 车辆运动方程  64-65
    4.4.2 车辆倾覆数学模型  65-66
    4.4.3 车辆横向位移算例分析  66-68
  4.5 小结  68-69
第五章强侧风作用下列车速度限值研究  69-83
  5.1 不同车型速度限值  69-71
  5.2 不同自重速度限值  71-73
    5.2.1 自重对速度限值的影响  71-72
    5.2.2 装载货物后外形变化对速度限值的影响  72-73
  5.3 不同路况速度限值  73-76
    5.3.1 有无挡风墙时的速度限值  73-74
    5.3.2 不同路堤和桥梁高度下车辆的限速限值  74-75
    5.3.3 直线、曲线上列车速度限值  75-76
  5.4 不同重心高时的速度限值  76-77
    5.4.1 不同重心高时列车速度限值  76
    5.4.2 降低车辆重心高措施  76-77
  5.5 不同横向振动加速度时的列车速度限值  77-79
    5.5.1 车体横向振动加速度对车辆倾覆稳定性的影响  77
    5.5.2 在直线和曲线上时车辆的横向振动加速度  77-78
    5.5.3 降低车辆横向振动加速度的措施  78-79
  5.6 不同转向架时速度限值  79-80
  5.7 列车速度限值  80-82
  5.8 小结  82-83
第六章大风对行车安全影响因素的改善措施  83-108
  6.1 列车外形研究  83-90
    6.1.1 棚车横向气动外形研究  83-87
    6.1.2 客车横向气动外形优化  87-90
  6.2 挡风墙研究  90-106
    6.2.1 路堤上挡风墙研究  90-101
    6.2.2 桥梁上挡风墙研究  101-106
  6.3 小结  106-108
第七章风特性研究及大风预测  108-134
  7.1 平均风速与瞬时风速  108-113
    7.1.1 脉动风的空间相关性  109-110
    7.1.2 阵风风速系数  110-111
    7.1.3 水平脉动风速谱  111-112
    7.1.4 垂直脉动风谱  112-113
    7.1.5 阵风风速系数实例  113
  7.2 时间序列分析预测方法  113-125
    7.2.1 时间序列分析方法预测步骤  114
    7.2.2 原始风速数据序列预处理  114-115
    7.2.3 Kalman滤波  115-116
    7.2.4 大风时间序列分析  116-125
  7.3 神经网络预测  125-132
    7.3.1 多层网络及BP算法  126-127
    7.3.2 BP学习算法原理  127-131
    7.3.3 实例分析  131-132
  7.4 小结  132-134
参考文献  134-144
致谢  144-145
攻读博士学位期间主要的研究成果  145-147

强侧风作用下列车运行安全性研究

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