劉金明，高鴻瑞，劉堂紅

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410075）

隨著列車輕量化和高速化的發(fā)展，風(fēng)致列車傾覆、線路中斷、弓網(wǎng)接觸失效等鐵路事故也更易發(fā)生，大風(fēng)環(huán)境下的列車氣動(dòng)/動(dòng)力學(xué)性能急劇惡化，如何保證大風(fēng)環(huán)境下列車運(yùn)行安全性和旅客乘坐舒適性已成為鐵路運(yùn)輸中的重要問題。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)大風(fēng)下的列車氣動(dòng)載荷展開了大量研究［1-5］。在英國，Baker 及其研究團(tuán)隊(duì)利用實(shí)車試驗(yàn)、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值仿真等手段，深入研究了大風(fēng)下的列車氣動(dòng)及動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性［6-7］。在瑞典，Krajnovi? 等［8］采用大渦模擬的方法對(duì)簡化列車模型進(jìn)行數(shù)值仿真，對(duì)比了大風(fēng)下靜止和運(yùn)動(dòng)時(shí)列車受到的氣動(dòng)力，結(jié)果表明動(dòng)態(tài)與靜態(tài)條件下的最大氣動(dòng)力和力矩有明顯差異。在意大利，Cheli等［9］通過風(fēng)洞試驗(yàn)測量了不同縮比的ETR500 列車在不同基礎(chǔ)設(shè)施場景下的氣動(dòng)力系數(shù)，從不同列車模型的路堤試驗(yàn)結(jié)果得出側(cè)滾力矩系數(shù)受氣流加速影響較大。除此之外，國外其他國家也對(duì)大風(fēng)環(huán)境下的列車氣動(dòng)載荷進(jìn)行了相關(guān)研究，例如，韓國［10］、澳大利亞［11］、西班牙［12］等。國內(nèi)相關(guān)專家對(duì)此問題也展開了深入研究。田紅旗［13］采用數(shù)值仿真、風(fēng)洞試驗(yàn)、動(dòng)模型試驗(yàn)和在線實(shí)車試驗(yàn)的方法，對(duì)大風(fēng)環(huán)境下列車氣動(dòng)特性、列車對(duì)周圍環(huán)境的影響等問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究。梁習(xí)鋒等［14］基于三維模型采用數(shù)值仿真方法，研究了不同風(fēng)速、風(fēng)向下磁浮列車以430 km·h-1速度等速交會(huì)時(shí)的列車氣動(dòng)載荷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在90°風(fēng)向角下風(fēng)速增大導(dǎo)致列車受到的側(cè)向力和側(cè)滾力矩也增大，側(cè)向力約與風(fēng)速的0.8 次方成正比，側(cè)滾力矩約與風(fēng)速的1.3～1.5 次方成正比。楊明智等［15］利用風(fēng)洞試驗(yàn)研究了不同類型列車在強(qiáng)風(fēng)下的氣動(dòng)載荷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)側(cè)向力和側(cè)滾力矩系數(shù)隨著側(cè)滑角的增大而增大，增大到一定側(cè)滑角數(shù)值后兩者開始隨著側(cè)滑角的增加不斷減小。劉堂紅等［16-17］采用數(shù)值模擬方法研究了大風(fēng)環(huán)境下列車運(yùn)行安全性，提出了防風(fēng)設(shè)施改造方案，使得大風(fēng)環(huán)境下列車運(yùn)行安全速度限值顯著提升。以上對(duì)大風(fēng)環(huán)境下列車氣動(dòng)載荷的研究大部分采用數(shù)值仿真、風(fēng)洞試驗(yàn)的方法，由于實(shí)車試驗(yàn)成本高、實(shí)時(shí)測試氣動(dòng)載荷難度大，國際上采用實(shí)車試驗(yàn)的方法對(duì)大風(fēng)環(huán)境下列車氣動(dòng)載荷的研究并不多，而我國由于新疆鐵路常年遭受大風(fēng)，對(duì)行車安全影響極大，近年來開展了大量的實(shí)車試驗(yàn)，得到了寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

本文采用實(shí)車試驗(yàn)方法，對(duì)蘭新高鐵大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組的橫向力、升力、傾覆力矩等氣動(dòng)載荷進(jìn)行了測試，得到了其氣動(dòng)載荷與環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向以及車速、運(yùn)行方向等因素之間的關(guān)系，為大風(fēng)環(huán)境下列車安全評(píng)估提供了依據(jù)。

1 現(xiàn)場試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

本次大風(fēng)環(huán)境下列車氣動(dòng)載荷的實(shí)車試驗(yàn)測試在蘭新高鐵展開。蘭新高鐵位于甘肅、青海、新疆3 個(gè)省區(qū)，線路長度約1 776 km，其中甘肅境內(nèi)的正線長798.93 km，青海境內(nèi)266.92 km，新疆境內(nèi)709.92 km［18］；通過了安西風(fēng)區(qū)、煙墩風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)、達(dá)坂城風(fēng)區(qū)等5大風(fēng)區(qū)，其中百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)的風(fēng)力最為強(qiáng)勁，部分地段年均大于8級(jí)大風(fēng)天氣達(dá)到208天［18-19］。大風(fēng)區(qū)以極端天氣下列車可以停輪，但一般情況下少限速少停輪為運(yùn)營目標(biāo)，為此，在蘭新高鐵開展了大風(fēng)條件下的專項(xiàng)試驗(yàn)。擬通過試驗(yàn)研究，提出大風(fēng)條件下動(dòng)車組開行條件建議，為保障動(dòng)車組大風(fēng)條件下安全運(yùn)行積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)［20］。

試驗(yàn)列車采用8 車編組動(dòng)車組，其編組示意如圖1所示。其中，列車從烏魯木齊開往哈密為上行，此時(shí)頭車為8車；反之為下行，此時(shí)頭車為1車。

圖1 動(dòng)車組編組示意圖

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

影響大風(fēng)環(huán)境下列車運(yùn)行安全的關(guān)鍵是大風(fēng)引起的氣動(dòng)載荷［21-22］，其中最重要的氣動(dòng)載荷是橫向力、升力和傾覆力矩。因此，通過實(shí)時(shí)測量動(dòng)車組在不同運(yùn)行環(huán)境及側(cè)風(fēng)條件下的空氣壓力變化以及所受到的由側(cè)風(fēng)引起的橫向力、升力和傾覆力矩，探索車速-風(fēng)速風(fēng)向-列車氣動(dòng)載荷之間的關(guān)系，總結(jié)不同地段環(huán)境風(fēng)對(duì)動(dòng)車組氣動(dòng)載荷的影響規(guī)律，是大風(fēng)環(huán)境下列車運(yùn)行安全研究的關(guān)鍵。

現(xiàn)場試驗(yàn)中，無法像風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)菢硬捎脺y力天平直接進(jìn)行氣動(dòng)載荷的測量［15］；而在地面布置相應(yīng)設(shè)備測試氣動(dòng)載荷的方法也只是針對(duì)個(gè)別地點(diǎn)進(jìn)行，無法反映列車全線運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)載荷變化特征［6］。因此，目前對(duì)于大風(fēng)環(huán)境下列車橫向力、升力、傾覆力矩等氣動(dòng)載荷的測量，主要采用測量列車表面壓力，然后采用積分的方法得到。文獻(xiàn)［17，22］證明了該測試方法的誤差基本在10%以內(nèi)，個(gè)別差異較大的也在15%以內(nèi)，考慮到現(xiàn)場復(fù)雜地形、環(huán)境瞬變風(fēng)速等影響因素，這個(gè)誤差是可以接受的；國外也給出過類似的對(duì)比，即使采用靜置列車進(jìn)行測試，其試驗(yàn)與計(jì)算的誤差均在10%以上［6］。

對(duì)于不同的局部單元，測得其形心的壓差，則得到整個(gè)單元上的氣動(dòng)力和力矩分別為

式中：Fe為積分單元的氣動(dòng)力；p為積分單元的壓力；dxdy為積分單元的面積；Me為積分單元的氣動(dòng)力矩；L為積分單元中心點(diǎn)至力矩作用點(diǎn)的距離。

根據(jù)上述原理，可以求出每個(gè)單元上的力和力矩，進(jìn)行矢量相加后，就可得到整個(gè)車的氣動(dòng)升力、橫向力和傾覆力矩［17，22］。

為了保證不同測點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的同步性，需要保證所有的采樣管長度相同，且采樣管長度的合理確定，需要結(jié)合測試載荷的頻譜特性，以能反映載荷的響應(yīng)頻率［23］。

大風(fēng)環(huán)境下列車空氣動(dòng)力學(xué)性能的測試與明線交會(huì)、列車過隧道時(shí)列車氣動(dòng)性能測試有較大差異，明線交會(huì)或過隧道時(shí)的測試一般只關(guān)注短時(shí)間內(nèi)（如交會(huì)過程、列車通過隧道或隧道內(nèi)交會(huì)）的氣動(dòng)參數(shù)［24-25］，但大風(fēng)環(huán)境下列車氣動(dòng)性能的測試是1個(gè)長區(qū)段、長時(shí)間連續(xù)測試的過程，受當(dāng)?shù)卮髿鈮杭碍h(huán)境溫度和濕度的影響，參考?jí)毫?huì)發(fā)生變化。因此，為了準(zhǔn)確測得車體表面壓力分布，采用絕壓傳感器測量車體表面的壓力變化，其不僅包括風(fēng)載引起的壓力變化，還包括由于海拔差等引起的壓力變化，如海拔差1 000 m 引起的壓力變化將近10 kPa，風(fēng)載引起的壓力變化一般只有幾百至幾千Pa；為了準(zhǔn)確測得大風(fēng)環(huán)境下列車橫向力、升力、傾覆力矩等氣動(dòng)參數(shù)，采用小量程、高精度的差壓傳感器直接測量車體左右兩側(cè)或上下的壓差，以排除海拔差引起的壓力變化，然后再采用積分的方法求得整個(gè)車輛的氣動(dòng)載荷。

實(shí)車動(dòng)態(tài)壓力測試系統(tǒng)由壓力傳感器、采集器、連接器、計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的分析軟件組成。該系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為中心，在軟件的支持下集成多種虛擬儀器的功能，能對(duì)多點(diǎn)、多種隨時(shí)間變化的參量進(jìn)行動(dòng)態(tài)在線實(shí)時(shí)測量，并能快速進(jìn)行信號(hào)分析處理，有效排除噪聲干擾、消除偶然誤差、修正系統(tǒng)誤差，從而實(shí)現(xiàn)測量結(jié)果的高準(zhǔn)確度并具備對(duì)被測信號(hào)的高分辨能力［20］。測試使用的壓力傳感器為Honeywell 的DC010 壓力傳感器，量程為±2 500 Pa，精度為0.25%；采集器采用阿爾泰科技的NET2801，采樣頻率最高可達(dá)30 kHz。

1.3 測點(diǎn)布置

采用積分方法時(shí)，測點(diǎn)的合理布置非常重要，需要結(jié)合理論分析、數(shù)值仿真的結(jié)果合理確定測點(diǎn)，對(duì)于壓力變化較大的列車流線型部位需要對(duì)測點(diǎn)進(jìn)行加密。本文采用的測點(diǎn)布置等方法與文獻(xiàn)［17，20-22］中所述相同，這里不再贅述。

由于環(huán)境風(fēng)主要影響頭車的氣動(dòng)載荷和運(yùn)行安全［20-22］，而中間車的影響相對(duì)較小，考慮到列車上下行2 個(gè)方向運(yùn)行，因此，這里主要分析頭尾車氣動(dòng)載荷的變化規(guī)律。試驗(yàn)時(shí)，測試車輛選取動(dòng)車組頭尾車（1 車和8 車）、中間車（5 車和7 車）進(jìn)行測試，其中在頭車和尾車上布置車體氣動(dòng)載荷和表面壓力變化測點(diǎn)，在中間車上布置表面壓力變化測點(diǎn)。頭車氣動(dòng)載荷的測點(diǎn)布置如圖2 所示（僅給出頭車測點(diǎn)布置，尾車與頭車相同）。由圖2 可以看出：左右或上下測點(diǎn)均對(duì)稱布置，左右共布置58 個(gè)測點(diǎn)測量橫向力，其中括號(hào)外的為迎風(fēng)側(cè)測點(diǎn)編號(hào)，括號(hào)內(nèi)的為背風(fēng)側(cè)測點(diǎn)編號(hào)；上下共布置48 個(gè)測點(diǎn)測量升力，其中括號(hào)外的為車體底部測點(diǎn)編號(hào)，括號(hào)內(nèi)的為車體頂部測點(diǎn)編號(hào)。

圖2 頭車測點(diǎn)布置（單位：mm）

2 不同因素影響下列車氣動(dòng)載荷變化規(guī)律

2.1 環(huán)境風(fēng)速的影響

試驗(yàn)時(shí)環(huán)境風(fēng)速基本在20～25 m·s-1之間，風(fēng)速變化范圍較小，且受車速、風(fēng)向角、地形、防風(fēng)設(shè)施等因素的綜合影響，環(huán)境風(fēng)速對(duì)列車氣動(dòng)載荷的影響比較復(fù)雜。由于測試車輛的氣動(dòng)載荷與其在頭車還是尾車位置差異較大，這里選取200 km·h-1速度等級(jí)同一方向運(yùn)行的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，地點(diǎn)選取地形比較平坦且距測風(fēng)站較近的K3 016+000路堤柱板式擋風(fēng)墻和K3 017+060 橋式擋風(fēng)墻處，且考慮試驗(yàn)時(shí)風(fēng)向的影響，選取風(fēng)向角差異不超過5°的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測試結(jié)果見表1，得到傾覆力矩與環(huán)境風(fēng)速擬合曲線如圖3 所示（橫向力、升力變化趨勢與傾覆力矩類似，不再單獨(dú)分析）。圖中：M為傾覆力矩，傾覆力矩為負(fù)時(shí)表示其使列車產(chǎn)生逆風(fēng)方向的傾覆；vw為環(huán)境風(fēng)速。從圖3可以看出：隨著風(fēng)速的增加，傾覆力矩增大，約與風(fēng)速的1.4次方成正比。

圖3 傾覆力矩隨環(huán)境風(fēng)速變化測試結(jié)果

表1 動(dòng)車組不同風(fēng)速下測試結(jié)果

實(shí)際上，隨著車速的不同，環(huán)境風(fēng)速變化對(duì)列車氣動(dòng)載荷的影響規(guī)律也有所不同［20］，因此，補(bǔ)充部分?jǐn)?shù)值計(jì)算結(jié)果分析不同車速條件下環(huán)境風(fēng)速對(duì)列車氣動(dòng)載荷的影響。計(jì)算基于剪切應(yīng)力輸運(yùn)（Shear Stress Transfer，SST）k-ω湍流模型，采用改進(jìn)的延遲分離渦模擬（Improved Delayed Detached Eddy Simulation，IDDES）方法，計(jì)算不同車速、不同環(huán)境風(fēng)速條件下列車受到的氣動(dòng)載荷；時(shí)間步長設(shè)置為0.1 ms，此時(shí)庫朗數(shù)約為2；計(jì)算域以及計(jì)算網(wǎng)格的設(shè)置與文獻(xiàn)［22］相同。為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性，將其與實(shí)車試驗(yàn)車體表面壓差進(jìn)行對(duì)比，最大誤差小于15%，大部分測點(diǎn)誤差小于10%。考慮到實(shí)車試驗(yàn)中的復(fù)雜條件以及數(shù)值計(jì)算時(shí)的簡化處理，上述誤差是可以接受的，因此可認(rèn)為數(shù)值計(jì)算是可靠的。

通過數(shù)值計(jì)算補(bǔ)充無擋風(fēng)墻和4 m 高擋風(fēng)墻地段不同車速下列車傾覆力矩隨環(huán)境風(fēng)速的變化關(guān)系如圖4 所示。圖中：M120，M200和M250分別為120，200 和250 km·h-1車速時(shí)的傾覆力矩；vt為車速。從圖4可以看出：無擋風(fēng)墻地段，傾覆力矩與環(huán)境風(fēng)速的1.3～1.6 次方成正比，且隨著車速的增加，傾覆力矩與環(huán)境風(fēng)擬合的冪次越小；有擋風(fēng)墻地段，傾覆力矩與環(huán)境風(fēng)速的1.2～1.5 次方成正比，同樣也是隨著車速的增加，傾覆力矩與環(huán)境風(fēng)擬合的冪次越小。

圖4 不同車速下傾覆力矩隨環(huán)境風(fēng)速變化結(jié)果

2.2 車速的影響

由于本次試驗(yàn)的速度等級(jí)較少，主要集中在180～250 km·h-1之間，且受運(yùn)行方向、環(huán)境風(fēng)速等條件的影響，用于分析氣動(dòng)載荷隨車速變化的數(shù)據(jù)較少。根據(jù)文獻(xiàn)［20］，不同風(fēng)速條件下，傾覆力矩隨車速的變化規(guī)律不同：風(fēng)速越高，車速對(duì)列車氣動(dòng)載荷的影響越小。因此，分析車速對(duì)列車氣動(dòng)載荷的影響時(shí)，需要保證風(fēng)速條件基本相同。選取無擋風(fēng)墻和4 m 高擋風(fēng)墻條件下的結(jié)果進(jìn)行分析，其中選取的無擋風(fēng)墻地段數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速為20±2 m·s-1，選取的4 m 高擋風(fēng)墻地段數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速為25±2.5 m·s-1；得到傾覆力矩隨車速的變化曲線如圖5 所示。從圖5 可以看出：無擋風(fēng)墻地段，傾覆力矩約與車速的0.60 次方成正比；有擋風(fēng)墻地段，傾覆力矩約與車速的0.46 次方成正比。

圖5 不同風(fēng)速下傾覆力矩隨車速變化結(jié)果

2.3 車輛編組位置的影響

頭尾車的最大正、負(fù)傾覆力矩測試結(jié)果如圖6所示。圖中：試驗(yàn)工況序號(hào)為奇數(shù)時(shí)表示列車上行（烏魯木齊至哈密），為偶數(shù)時(shí)表示列車下行（哈密至烏魯木齊）。從圖6可以看出：傾覆力矩為正時(shí)，大部分試驗(yàn)工況下頭車大于尾車；傾覆力矩為負(fù)時(shí)，列車上行方向運(yùn)行時(shí)尾車大于頭車。從傾覆力矩的總體變化趨勢看，頭車大于尾車。從頭尾車全程氣動(dòng)載荷試驗(yàn)也可以看出：橫向力、傾覆力矩均是頭車大于尾車；升力在峰值上也是頭車大于尾車，但平均升力尾車較頭車大，且頭尾車的升力均為正值［20］，正升力會(huì)減小輪軌接觸力，不利于列車運(yùn)行安全。

圖6 列車頭尾車傾覆力矩測試結(jié)果對(duì)比

2.4 擋風(fēng)墻類型的影響

選取防風(fēng)明洞、板式擋風(fēng)墻、橋式擋風(fēng)墻、路塹及其過渡段等地段，分析典型地段氣動(dòng)傾覆力矩變化規(guī)律。K3 005—K3 015 地段氣動(dòng)傾覆力矩測試曲線如圖7 所示。從圖7 可以看出：防風(fēng)明洞（K3009+767—K3010+857）和橋式擋風(fēng)墻（K3 012+200—600）的防風(fēng)效果都非常好，傾覆力矩接近0；柱板式擋風(fēng)墻（K3 011+500—K3 012+100）后氣動(dòng)傾覆力矩為負(fù)值，說明防風(fēng)能力過度，但負(fù)的傾覆力矩較小，滿足運(yùn)行安全需要。全程測試過程發(fā)現(xiàn)，氣動(dòng)載荷突變或氣動(dòng)載荷過大的地段主要集中在采用不同防風(fēng)設(shè)施的過渡地段。

圖7 典型地段列車氣動(dòng)傾覆力矩典型測試曲線

頭車和尾車氣動(dòng)傾覆力矩測試結(jié)果最大值出現(xiàn)位置的統(tǒng)計(jì)見表2。由表2 可知：最大正傾覆力矩出現(xiàn)次數(shù)最多的是過渡段，其次是路塹和板式擋風(fēng)墻；最大負(fù)傾覆力矩出現(xiàn)次數(shù)最多的是板式擋風(fēng)墻，其次是路塹，過渡段沒有出現(xiàn)。板式擋風(fēng)墻和路塹同時(shí)出現(xiàn)最大正或負(fù)傾覆力矩，主要是因?yàn)榈匦蔚挠绊?，一般地? m 高的擋風(fēng)墻均處于防風(fēng)能力過渡地段，但如果迎風(fēng)側(cè)存在山包或堆積砂石的情況，其防風(fēng)能力會(huì)大大下降；路塹的防風(fēng)能力主要跟路塹的深度有關(guān)。

表2 傾覆力矩大值點(diǎn)出現(xiàn)位置統(tǒng)計(jì)表

為分析典型過渡段氣動(dòng)載荷的突變情況，選取動(dòng)車組1車作為頭車運(yùn)行的某趟在K3 002—K3 004里程的氣動(dòng)傾覆力矩測試結(jié)果如圖8 所示。從圖8可以看出：幾個(gè)氣動(dòng)載荷突變點(diǎn)分別出現(xiàn)在路塹與板式擋風(fēng)墻過渡（K3 002+240—420）、板式擋風(fēng)墻（K3 002+680—820）、路塹與板式擋風(fēng)墻過渡（K3 002+900—K3 003+060）、路塹與板式擋風(fēng)墻過渡（K3 003+200—340）、深路塹（K3 003+500—900）等典型過渡地段和受地形影響的擋風(fēng)墻及路塹地段，防風(fēng)能力比較薄弱的地段（圖中正傾覆力矩較大的地段）主要出現(xiàn)在過渡地段。

圖8 K3 002—K3 004里程氣動(dòng)傾覆力矩突變地段

2.5 運(yùn)行線別及方向的影響

1）運(yùn)行線別

分析運(yùn)行線別對(duì)列車氣動(dòng)傾覆力矩的影響，首先要保證列車運(yùn)行方向相同且測試車輛在列車編組中的位置、車速相同，試驗(yàn)時(shí)下行線多被運(yùn)營動(dòng)車組占用，所以試驗(yàn)列車基本在上行線運(yùn)行，很難采集相同工況下的多趟試驗(yàn)數(shù)據(jù)、采用統(tǒng)計(jì)的方法分析，因此，這里選用試驗(yàn)列車的工況4 和工況8 全程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別對(duì)應(yīng)動(dòng)車組上行線（靠近擋風(fēng)墻）下行和下行線（遠(yuǎn)離擋風(fēng)墻）下行。作為頭車的1車在不同線別上運(yùn)行（下行方向運(yùn)行）時(shí)的氣動(dòng)傾覆力矩測試結(jié)果如圖9 所示。從圖9 可以看出：上行線的氣動(dòng)力矩整體上比下行線運(yùn)行時(shí)小，即靠近擋風(fēng)墻的線路防風(fēng)效果更好。

圖9 動(dòng)車組頭車在不同線路上運(yùn)行時(shí)傾覆力矩測試結(jié)果比較

2）運(yùn)行方向

大風(fēng)環(huán)境下的列車氣動(dòng)傾覆力矩與車速、風(fēng)速的合成速度有關(guān)，在相同的車速、風(fēng)速、風(fēng)向條件下，若環(huán)境風(fēng)速與線路不垂直，對(duì)于不同的列車運(yùn)行方向，車速與風(fēng)速的合成速度則不同。車速與風(fēng)速合成速度示意圖如圖10所示。圖中：-vt為空氣相對(duì)列車的速度。從圖10可以看出：當(dāng)風(fēng)速垂直線路偏向線路上行方向時(shí)（即大風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)中的270°～360°風(fēng)向角），列車上行方向運(yùn)行時(shí)車速與環(huán)境風(fēng)速的合成速度v1小于列車下行方向運(yùn)行時(shí)車速與環(huán)境風(fēng)速的合成速度v2；當(dāng)風(fēng)速垂直線路偏向線路下行方向時(shí)（即大風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)中的0～90°風(fēng)向角），列車上行方向運(yùn)行時(shí)車速與環(huán)境風(fēng)速的合成速度v3大于列車下行方向運(yùn)行時(shí)車速與環(huán)境風(fēng)速的合成速度v4；即列車逆風(fēng)方向運(yùn)行時(shí)，車速與環(huán)境風(fēng)速的合成速度更大，列車受到的氣動(dòng)載荷也就更大。

由于用某個(gè)地點(diǎn)的數(shù)值對(duì)比分析時(shí)受環(huán)境風(fēng)速的影響差異較大，這里選取測試車輛均位于前進(jìn)方向的頭車、試驗(yàn)車速均為180 km·h-1、不同運(yùn)行方向的2 趟試驗(yàn)全程數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析運(yùn)行方向?qū)α熊嚉鈩?dòng)傾覆力矩的影響，2 趟全程數(shù)據(jù)比較如圖11 所示。從圖11 可以看出：下行方向運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)傾覆力矩比上行方向運(yùn)行時(shí)大，說明環(huán)境風(fēng)速與車速的合成速度下行比上行大，對(duì)應(yīng)圖10（b）的情況，也就是現(xiàn)場環(huán)境風(fēng)偏向上行方向即風(fēng)向角為270°～360°的環(huán)境風(fēng)占主導(dǎo)。

圖10 車速與風(fēng)速合成速度示意圖

圖11 列車不同運(yùn)行方向傾覆力矩結(jié)果比較

3 結(jié)論

（1）隨著環(huán)境風(fēng)速的增加，氣動(dòng)傾覆力矩增加，在車速為0且風(fēng)向角不變的情況下，列車氣動(dòng)傾覆力矩與環(huán)境風(fēng)速的平方關(guān)系仍然成立；車速不為0時(shí)，環(huán)境風(fēng)速改變后，風(fēng)速與車速的合成速度和側(cè)滑角均發(fā)生變化，所以，不同車速下列車氣動(dòng)傾覆力矩與環(huán)境風(fēng)的關(guān)系有所不同，車速在120→250 km·h-1變化時(shí)，列車氣動(dòng)傾覆力矩與環(huán)境風(fēng)速的1.6→1.2 次方成正比，且隨著車速的增加，與環(huán)境風(fēng)速擬合的冪次越小。

（2）風(fēng)速條件不同，列車氣動(dòng)傾覆力矩隨車速的變化規(guī)律不同，風(fēng)速越高，車速對(duì)傾覆力矩的影響越小。風(fēng)速在20→25 m·s-1變化時(shí)，列車氣動(dòng)傾覆力矩與車速的0.60→0.46 次方成正比，且隨著環(huán)境風(fēng)速的增加，與車速擬合的冪次越小。

（3）在環(huán)境風(fēng)速和車速等參數(shù)相同的條件下，處于列車前進(jìn)方向的頭車受到的氣動(dòng)載荷大于尾車。

（4）在環(huán)境風(fēng)方向有一定偏角的情況下，列車逆風(fēng)方向運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)力比順風(fēng)方向大，蘭新高鐵試驗(yàn)中列車下行方向運(yùn)行測試結(jié)果總體比上行方向運(yùn)行大，說明列車下行方向運(yùn)行是逆風(fēng)情況，可見，蘭新高鐵現(xiàn)場垂直線路偏向上行方向（即270°～360°風(fēng)向角）的環(huán)境風(fēng)較多。