高速列车隧道交会对其振动特性的影响分析

作     者：王北昆 冯达 卢耀辉 鲜川 曹江萍 

作者机构：西南交通大学机械工程学院 中国测试技术研究院 

出 版 物：《铁道科学与工程学报》 (Journal of Railway Science and Engineering)

年 卷 期：2024年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(52375160) 

主　　题：高速列车 列车隧道空气动力学 流场结构 频谱分析 动态响应 

摘      要：列车隧道内交会时气动载荷变化比明线会车更加复杂和剧烈，其对列车的横向振动有显著影响。为研究气动载荷与机械载荷耦合作用下列车车体的横向振动特性，以隧道会车工况下的高速列车为研究对象，基于三维非定常可压缩雷诺时均N-S方程和标准SST k-ω湍流模型，采用重叠网格技术对高速列车隧道交会工况进行模拟，分析了列车气动载荷的时频特性和流场结构。在此基础上，通过建立车辆系统动力学模型，计算了车体悬挂振动模态，进一步研究了气动载荷频率与车体悬挂振动固有频率之间的关系。最后，通过顺序耦合的方法，将气动载荷加载到车辆系统动力学模型中，计算了车体的动态响应。研究结果表明：高速列车隧道内交会过程中由于涡与涡之间、涡与地面之间、涡与隧道壁面之间的干涉产生复杂的流场结构，是导致列车会车后气动载荷幅值和波动频率升高的主要原因；头车和尾车气动载荷频率与下心滚摆频率接近，中间车的气动载荷频率与上心滚摆频率接近，易与车体产生共振，从而导致车体横向振动加剧；考虑气动载荷作用下的头车、中间车和尾车的横向振动加速度峰值分别为仅考虑轨道激励的3.22倍、2.47倍和3.59倍，气动载荷对车体横向振动的贡献度分别达到了76%、70%和78%。气动载荷是导致隧道会车时车体横向振动的主要原因，本文的研究可为改善高速列车隧道“晃车问题提供一定的理论参考。