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申请/专利权人：兰州交通大学

摘要：本发明公开了横风环境下装配风阻制动装置高速列车制动安全速度阈值评估方法，以CR400AF平台标准动车组为参考，装配8套蝶形风阻制动装置，分别建立横风作用下带风阻制动装置高速列车空气动力学模型和列车轨道系统动力学模型，联合计算在风载荷作用下装配风阻制动装置高速列车动力学行为，通过列车行车安全指标评估确定风阻制动安全速度阈值；该横风环境下装配风阻制动装置高速列车制动安全速度阈值评估方法，能够给下阶段时速400+km高速列车装配风阻制动装置技术开发和应用提供制动安全参考，可有效解决现有高速列车风阻制动装置选型适用性低、复杂风环境实车试验困难和试验成本高等问题。

主权项：1.横风环境下装配风阻制动装置高速列车制动安全速度阈值评估方法，其特征在于：所述方法以CR400AF平台标准动车组为参考，装配8套蝶形风阻制动装置，分别建立横风作用下带风阻制动装置高速列车空气动力学模型和列车轨道系统动力学模型，联合计算在风载荷作用下装配风阻制动装置高速列车动力学行为，通过列车行车安全指标评估确定风阻制动安全速度阈值；具体横风环境下装配风阻制动装置高速列车制动安全速度阈值评估方法包括以下步骤：1）确定装配风阻制动装置高速列车布局方案：11）风阻制动装置选型：采用典型的蝶型风阻制动装置的结构方案，其中风阻制动板常态化工作迎风角范围为70°~80°，满足双向制动需求；12）风阻制动装置整车布局：适配8编组中国标准动车组列车布局8套蝶形风阻制动装置，每节车厢顶部安装1套，其中首尾2套风阻制动装置分别布设在头车和尾车司机室前端流线型尾端连接处纵向列车中部方向3.5m处，中间车的风阻制动装置在避开车顶空调、受电弓、各类天线设备和特高压电缆设备的前提下，布设在每节车厢纵向中心中间位置处；2）建立横风作用下带风阻制动装置高速列车空气动力学模型：21）确定装配风阻制动装置的高速列车几何模型：在满足中国现行高速铁路技术标准体系限界条件内，根据步骤12）所确定的风阻制动装置整车布局方案，建立实车比例的装配风阻制动装置的高速列车几何模型；22）选定数学模型：模拟计算采用有粘可压缩的N-S和k-ω双方程计算模型；23）确定横风环境下计算域：计算域设定为长×宽×高=4L×2L×L的六面体，L为8编组中国标准动车组列车全长，所述8编组中国标准动车组列车位于流场长度方向中部，头车鼻尖处距离流场入口为L，不同运行速度与不同横风风速工况下设定所述8编组中国标准动车组列车头车鼻尖处沿所述计算域长度方向距离尾车鼻尖处为Lcosα，所述尾车鼻尖处沿所述计算域长度方向距离压力出口为L3-cosα，所述8编组中国标准动车组列车纵向中心点左右分别距离所述计算域侧面为L，α为装配风阻制动装置的高速列车的横风环境下的偏航角；其中横风模型中所述偏航角α与列车速度V、风速Vw、合速度Vs、风向角β满足的关系式为：Vs=V+Vwcosβcosα；24）网格划分及无关性条件验证：计算采用六面体非结构化网格进行划分，列车和风阻制动装置外围附近流场变化突出的区域采用多级网格高度加密；列车及风阻制动装置表面边界层数设置为15~25，增长率设为1.2，网格包括流体网格和接触计算模型表面网格两种，不同工况下对称计算域网格总数≥1500万个；选取15~20ms的横风作用下，时速300~350km装配风阻制动装置高速列车气动特性进行比对，基于同一迭代计算方法设置3种不同网格密度工况进行无关性评估，其中细网格模型网格数量大于中等网格数量的125%，粗网格模型网格数量小于中等网格数量的75%，以装配风阻制动装置高速列车气动阻力为评估对象，计算不同网格密度对应的计算模型所受气动阻力变化率是否均小于5%，满足则进入下一步骤，不满足则需扩大所述计算域内网格总数继续计算，直至满足条件通过无关性验证；3）确定8编组中国标准动车组列车横风条件下所受空气载荷典型车辆：选取横风作用下，高速列车运行空气动力学效应最为突出的头车和尾车；同时，15~20ms横风下时速300~350km装配风阻制动装置的高速列车风阻制动时，计算确定第2至7号中间车纵向对称面上部轮廓线上稳态压力和风阻制动装置前后迎风区和背风区稳态压力峰值，选取所述第2至7号中间车中最为接近其均值的稳定中间车辆（MH04）；4）确定8编组中国标准动车组列车横风条件下列车稳定性和安全性受控车辆：在步骤3）所确定的横风条件下所受空气载荷典型车辆头车、尾车和稳定中间车辆（MH04）的前提下，分别建立头车、尾车和稳定中间车辆（MH04）独立局部坐标系，以风速Vw在0~20ms范围内，≤5ms等梯度选取工况数m，列车速度V在200~400kmh范围内，≤50kmh等梯度选取工况数n，总计m×n个计算工况，分别模拟计算装配风阻制动装置高速列车所述头车、尾车和稳定中间车辆（MH04）在横风作用下所受气动阻力、气动横向力、气动升力、滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩；对比统一量纲的气动力和力矩系数，分析确定横风条件下列车稳定性和安全性受控的危险车辆（TC01），并存储所述危险车辆（TC01）在m×n个计算工况对应的气动载荷；5）建立横风作用下列车轨道系统动力学模型：51）采用将风载荷作用下装配风阻制动装置8编组高速列车车辆横向运动和垂向运动耦合起来的数学模型；52）列车轨道系统动力学模型创建：建立包括1个含风阻制动装置的车体、2个枕梁、2个构架、4个轮对和8个转臂组成的模型；车体、构架、轮对取6个自由度，转臂取1个点头自由度；所述列车轨道系统动力学模型还包括轮轨接触几何关系、轮轨蠕滑、一二系悬挂系统、横向缓冲器、抗蛇行减振器在内的非线性系统；其中计算采用满载状态下的列车动力学参数，轮对、构架、车体均视为刚体，不考虑钢轨的弹性变形，采用LMA踏面和TB234460kg钢轨相匹配，轮对内侧距采用中国标准1353mm，轨道不平顺激励采用实测中国高速铁路轨道谱；53）气动载荷加载和计算：分别将步骤4）计算得到的所述危险车辆（TC01）在m×n个计算工况对应的气动载荷数据加载到建立的所述列车轨道系统动力学模型中，并进行模拟计算每个工况对应的脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力和轮轨垂向力参数，其中所述气动载荷按一次线性关系加载，加载时间≥4s；6）脱轨或倾覆工况排除：以步骤53）计算得到的m×n个计算工况对应的装配风阻制动装置高速列车脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力和轮轨垂向力参数为前提，参考中国高速铁路技术标准体系脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力和轮轨垂向力指标为约束条件，计算确定并排除模拟计算中脱轨或倾覆的计算工况；7）确定安全判据的安全速度阈值：71）依据步骤5）得到的计算工况，排除步骤6）所述的脱轨或倾覆工况，同一坐标系中分别建立不同横风风速对应下的列车速度与脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力和轮轨垂向力的曲线关系，根据步骤6）的约束指标，分析曲线是否突破所述约束指标限定值，如果有则可确定该指标作为安全判据指标，分别通过突破点确定所述安全判据指标对应的装配风阻制动装置高速列车安全速度阈值，以及运行速度所对应的最大风速限值；72）安全判据指标函数构建：在步骤71）的基础上，在横风风速10~20ms的环境下，采用一次线性函数拟合所述安全判据指标与列车速度的一般关系式：NPVw=c0V+c1，式中NPVw为不同横风风速对应的安全判据指标，c0，c1为关于横风风速Vw和列车运行速度V的系数；其中，横风风速10ms和20ms的工况不做判定计算；73）安全速度阈值域计算：根据步骤72）构建的所述安全判据指标与列车速度的一般关系式，取点求解横风风速Vw在10~20ms范围内对应的列车运行速度轮重减载率曲线与轮重减载率安全限值的交点，即可得到该横风风速环境下最大的制动安全速度阈值，进而拟合构造横风环境下装配风阻制动装置高速列车风阻制动安全区域上限曲线；8）适应性验证：将步骤73）计算所得到的风阻制动安全区域上限曲线，与中国高速铁路设计规范和铁路技术管理规程中规定的列车遇大风环境的行车安全域对比，计算所述风阻制动安全区域上限曲线是否落在所述行车安全域之内，并保有一定速度余量，是则计算结束，否则计算错误。

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百度查询： 兰州交通大学 横风环境下装配风阻制动装置高速列车制动安全速度阈值评估方法