动力集中动车组通过单线隧道时尾部晃车试验研究

Test Research on Train-Tail Swaying of Concentrated Power EMUs Passing Through Single-Track Tunnels

摘要

针对时速160 km动力集中动车组通过单线隧道时出现的尾部晃车问题，开展不同单线隧道、运行速度和编组方式下实车动力学线路试验，研究动车组通过单线隧道时隧道净空面积、运行速度及车辆编组位置对动车组横向平稳性的影响，明确尾部车辆横向振动时频特征及其与气动力的关联关系，揭示动力集中动车组通过单线隧道时尾部晃车问题的作用机理。结果表明：动车组尾车横向平稳性指标随隧道净空面积减小、运行速度提高呈明显增大趋势，控制车在尾部时晃车现象尤为显著；不同编组位置车辆的横向平稳性指标呈从头车至尾车逐步增大趋势；尾部车辆的横向周期性振动表现为主频1~2 Hz的车体摇头运动，与车体两侧压差波动规律一致，振动主频随速度提高缓慢增大；晃车机理为动车组尾部车辆在隧道内较强气动力作用下产生与车体固有频率接近的横向耦合周期性振动，导致尾车横向运行平稳性指标显著增大。

Abstract

Aiming at the train-tail swaying problem of concentrated power EMUs passing through single track tunnels at the speed of 160 km · h^-1, the real train dynamic line tests with different single-track tunnel conditions, running speeds and formation modes are carried out. The influence of tunnel clearance area, operating speed and vehicle formation position on the lateral running stability of EMUs when passing through single-track tunnels is studied. The time-frequency characteristics of lateral vibration of the rear car and its association with the aerodynamic force are clarified, and the mechanism of the train-tail swaying problem is revealed. The results show that the lateral running stability index of the rear car shows a significant increasing trend as the clearance area of the tunnel decreases and the running speed increases, and the swaying phenomenon is particularly significant when the control car is at the rear. The lateral running stability index of cars at different formation positions shows a gradually increasing trend from the front car to the rear car. The lateral periodic vibration of the rear car is manifested as the shaking motion of the car body with a main frequency of 1 to 2 Hz, which is consistent with the fluctuation law of the pressure difference on both sides of the car body. The main vibration frequency increases slowly with the increase of speed. The mechanism of swaying is that the rear car of the EMU exhibit periodic lateral coupling vibrations close to the natural frequency of the car body under the strong aerodynamic force in the tunnel, resulting in a significant increase in the lateral running stability index of the rear vehicles.

Graphical abstract

关键词

动力集中动车组 / 单线隧道 / 运行平稳性 / 横向晃动 / 气动载荷

Key words

Concentrated power EMUs / Single-track tunnel / Running stability / Lateral swaying / Aerodynamic load

动力集中动车组是为我国既有干线客运自主研发的新型动车组，自2019年以来，包括直车体与鼓形车体、短编与长编、高原双源等在内的系列化时速160 km动力集中动车组陆续投入运用，已经成为我国铁路客运的主力车型之一^［1-2］。运行稳定性和平稳性对动力集中动车组技术的创新和性能的提升至关重要^［3-6］。在型式试验和服役期间动力集中动车组通过单线隧道时曾出现尾部晃车问题，虽未对动车组的运行安全产生明显影响，但直接降低了运行平稳性，影响了旅客乘坐舒适性。

表1列出了某动力集中动车组以140 km · h^－1速度通过单线隧道时的实测动力学性能指标最大值，当动力车或控制车位于尾部时车体出现明显的低频横向晃动，虽未对脱轨系数、轮轴横向力等运行稳定性指标产生明显影响，但却使车体横向平稳性指标显著增大。因此，深入研究动力集中动车组通过单线小截面隧道时尾部晃车问题的作用机理和影响因素具有重要现实意义和科学价值。

国内外学者对列车通过隧道时的动态特性开展了大量研究工作。日本学者中出孝次^［8］通过测试隧道内实车车体侧面压力波动规律，并辅助仿真计算和风洞试验方法发现车辆地板下会产生空气周期性流动，提出这一现象与列车在隧道区间运行时因气动力作用出现摇摆问题有关；藤本裕^［9］、菅原能生等^［10］基于车体振动控制技术，提出了车辆横向振动问题的工程解决方案，如设置车间减振器、二系悬挂设置半主动或主动横向减振器等。这些研究成果对改善日本高速列车通过隧道时的舒适性作用显著。我国高速铁路隧道建设时净空面积一般较大^［11］，且多为双线隧道，高速动车组通过隧道时一般不会出现明显的尾部晃车问题，研究重点主要集中在高速动车组通过隧道时的空气动力学效应及其对列车运行安全的影响^［12-14］。而在时速120~160 km的既有单线铁路上，因隧道净空面积较小^［15］，列车通过隧道时反而会出现尾部晃车的现象。姚远等^［16］以动力集中动车组动力车为研究对象，采用理论分析和仿真计算的方法探讨动车组通过隧道时的横向晃动机理，提出了通过单线隧道时列尾较大的横向涡激力频率与车体蛇行频率共振是引起晃车的主要原因。中国铁道科学研究院集团有限公司^［17］通过试验方法，研究了某动力集中动车组通过单线隧道时的动力学性能，初步探讨动车组尾部晃车与空气压力波动的关联性。但尽管如此，动力集中动车组通过单线隧道时尾部晃车问题的产生机理尚不清晰，技术改进措施尚未证实有效可行，有待持续开展更为深入、全面的相关研究工作。

本文开展动车组通过单线隧道时多车型、多工况的动力学性能与空气动力学联合测试的线路试验，通过对试验数据的综合分析，研究动车组横向振动随列车运行速度、隧道净空面积、编组方式等因素的变化规律以及车体横向振动与车体外两侧压力差的关联关系，探明动力集中动车组通过小断面单线隧道时的振动特性和作用机理，为动力集中动车组服役性能提升和技术创新发展提供支撑。

1 线路试验方案

1.1　试验条件

试验选取某时速160 km动力集中动车组（鼓形车体）作为被试车，列车编组方式为“动力车+7辆拖车+控制车”，编组示意图如图1所示。在直车体断面设计基础上，鼓形车体断面的最大宽度由3 105 mm增大到3 360 mm。被试动力车车轮踏面与60N钢轨匹配的等效锥度为0.08~0.13，被试控制车和拖车车轮踏面与60N钢轨匹配的等效锥度为0.14~0.18，轮轨匹配关系均在正常运用范围内。

试验选取隧道净空面积不同的2条线路开展隧道界面影响对比试验。线路A：动力集中动车组目前运用线路中隧道截面积最小的线路，净空面积约31 m²，隧道区段约占线路总长的66%，线路最高运营速度级为140 km · h^－1；线路B：典型时速160 km单线铁路，隧道净空面积约42 m²，隧道区段约占线路总长的77%，线路最高运营速度级为160 km · h^－1。

1.2　试验内容及方法

试验测试对象选取动力车、控制车及与之相邻的拖车（拖1车和拖7车），测试内容主要包括：①在被试车车体上安装振动加速度传感器，测量车体不同位置的垂向、横向振动加速度，并计算车体平稳性指标；②在被试车辆的构架、轴箱上安装振动加速度传感器，测量分析转向架振动传递特征；③在被试车二系悬挂上安装位移传感器，测量车体与转向架之间的相对位移，分析转向架动态运动状态；④在被试车车体两侧表面安装空气压力传感器，测量分析列车隧道通过时车体两侧压力差变化。

测点具体布置位置和方向见表2。表中：“一位和二位车体”为“一位和二位转向架中心对应的车体地板”的简称；“中部车体”为车体地板中心的简称。

2 动车组通过单线隧道时运行平稳性

2.1　线路对动车组运行平稳性的影响

分别在线路A和线路B这2条线路上开展同一列动力集中动车组运行平稳性测试，得到控制车车体横向和垂向平稳性指标随里程变化规律分别如图2和图3所示。由图2和图3可以看出：2条线路试验中均发现动车组尾部车辆在隧道内存在横向异常晃动的现象，线路A表现更显著；隧道区段控制车在运行方向尾部时横向平稳性指标明显大于在运行方向头部时，而在明线区段控制车在头部或尾部时横向平稳性指标无明显差异；控制车在隧道区段的垂向平稳性指标与明线区段相比无明显差异，且运行方向对其影响也不明显。

以线路A为例，分析轨道几何不平顺与车辆运行平稳性指标的关联情况。线路A轨道几何不平顺波形如图4所示。由图2和图4可以看出：车体垂向平稳性指标的大值点主要出现在车站附近道岔区等轨道不平顺较大的区段，车体横向平稳性指标随里程分布的规律与轨道不平顺无显著对应关系，说明轨道不平顺不是动车组通过单线隧道时尾车发生周期性晃动的主因。

2.2　隧道净空面积和运行速度对动车组尾车横向平稳性影响

为直观对比不同单线隧道内动车组尾车车体横向平稳性指标随运行速度变化规律，选取线路A和线路B上控制车、动力车分别在尾部时的隧道工况数据，分析不同隧道净空面积条件下车体横向平稳性指标-速度散点分布规律，并在试验速度范围内采用最小二乘法拟合平稳性指标随速度变化的多项式曲线，结果如图5所示。图中：y_{\mathrm{k}\mathrm{31}}，y_{\mathrm{k}\mathrm{42}}及y_{\mathrm{d}\mathrm{31}}，y_{\mathrm{d}\mathrm{42}}分别为在31和42 m²净空面积隧道内控制车和动力车的横向平稳性指标；v为动车组运行速度。

由图5可以看出：相同速度级下尾车车体横向平稳性指标随隧道净空面积的减小将显著增大；相同净空面积隧道内尾车车体横向平稳性指标随列车速度的提升而增大；相比动力车，控制车横向平稳性指标随列车速度的提升和隧道净空面积的减小增速更快，控制车受隧道净空面积和列车速度的影响更大；基于实测数据的拟合曲线一方面可用于单线隧道通过时尾车晃车问题机理分析，另一方面可用于对更高速度级下车辆的运行平稳性进行预测，更好地指导动车组结构参数优化设计。

2.3　编组方式对动车组横向平稳性影响

短编动车组日常运营的编组方式主要有单列和重联2种。单列动车组车辆编组方式为1辆动力车D+7辆拖车T+1辆控制车K，重联动车组编组方式为1辆动力车D+7辆拖车T+1辆控制车K+1辆控制车K+7辆拖车T+1辆动力车D。为对比不同编组位置车辆横向平稳性在单线隧道内的差异，采用被试动车组在线路A上车载的平稳性监测数据，且因动力车与拖车的轴重和悬挂参数差别较大，此处主要对比同类型拖车、控制车横向平稳性随编组方式的变化规律。用箱线图的形式给出了该线路不同编组位置车辆横向平稳性指标样本的中位数（箱体中线）、25%分位数（箱体上沿），75%分位数（箱体下沿）、最大值（虚线上沿）和最小值（虚线下沿），结果如图6所示。

由图6可以看出：通过单线隧道时，单列动车组的横向平稳性从头车至尾车呈逐步增大趋势，重联动车组的横向平稳性从头车至尾车总体呈增大趋势，但后列的头车比相邻车辆略有增大。

3 通过单线隧道时动车组尾车晃车机理

3.1　尾车横向振动时频特征

以线路A试验数据为例，分析通过单线隧道时动车组尾部晃车现象的时频特征。控制车和动力车分别在运行方向尾部时车体一位端横向振动加速度的速度-频率图（简称“速频图”）如图7所示。由图7可以看出：随着速度的提升，车体横向振动加速度振动主频略有增大，试验速度范围内主频在1~2 Hz之间。

最高试验速度级140 km · h^－1下控制车车体横向振动加速度波形如图8所示。由图8可以看出：一位和二位端部位置均存在横向周期性振动，且两端的相位差在180°左右，车体主要表现为摇头振动，一位端是自由端，其振动幅值要大于二位端；车体中部位置周期性振动特征不明显。

控制车走行部关键部件横向振动加速度如图9所示。由图9可以看出：横向低频周期性振动仅存在于车体，未传递至构架和轴箱，说明二系悬挂对车体的周期性振动向下传递起到明显的抑制作用。

3.2　尾车横向振动与气动力关联特性

为研究动车组通过单线隧道时尾车车体横向振动激励的来源，从气动力的角度做进一步分析。以控制车作为尾车时为例，得到单列动车组通过单线隧道时不同编组位置车体两侧压差对比如图10所示。由图10可以看出：从头车至尾车车体两侧压差呈增大趋势，且在尾部车辆车体两侧压差存在周期性波动，这一特征与日本学者^［8］提出的风洞试验和理论计算结果相吻合。

为对比尾车振动响应和气动力的关联关系，得到隧道工况下控制车在尾部时一位端车体两侧压差峰峰值和横向平稳性对比见表3。由表3可以看出：尾车车体两侧压差峰峰值与横向平稳性指标呈正相关。

如前文所述，通过单线隧道时动车组尾部车辆车体主要表现为摇头振动，因此，利用实测的车体两侧压差在对应车体侧面上进行积分，再向质心求距，近似得到外部流场作用在车体上的摇头力矩，观察摇头力矩和车体振动的特征。需要说明的是车外压力测试的测点有限，且忽略了车头变截面以及同一积分面上存在压力差等因素，因此拟合的气动力用于观察波动规律，幅值仅供参考。利用实测的一位和二位二系的横向位移进行矢量求和，再求其与车辆定距之比，近似得到车辆摇头角。

1段典型隧道区段内控制车作为尾车时车体摇头力矩、车体横向振动加速度及摇头角如图11所示，车体摇头力矩和横向振动加速度频域波形如图12所示。图中：灰色区域为隧道区段。由图11和图12可以看出：车体所受的摇头力矩和横向振动加速度波形的变化规律类似，进入隧道开始产生周期性波动，直到出隧道后周期性波动才显著衰减，二者的波动频率也基本一致。

综合以上分析可以得到动力集中动车组通过单线隧道时尾部晃车的作用机理：当动车组进入小断面单线隧道时，车辆与隧道壁间流场发生变化，将产生从头车至尾车扩展的周期性波动，列车尾部较强的周期性气动力作用于车体上，使车体产生受迫振动，振动频率与车辆蛇行运动频率（1.3 Hz）和车体摇头频率（0.7 Hz）接近，更加剧了车体横向周期性振动。试验速度范围内车体振动主频在1~2 Hz之间，属人体感受较敏感的频率范围，因此车辆横向运行平稳性指标显著增大。

4 结论及建议

（1）动力集中动车组通过单线隧道时尾部会出现晃车现象，运行稳定性指标无显著变化，横向平稳性会出现明显增大。尾车横向平稳性随隧道净空面积的减小、运行速度的提高而显著增大，控制车相对于动力车横向平稳性的增幅更大，增速更快；通过单线隧道时动车组横向平稳性从头车至尾车呈逐步增大趋势，重联动车组的横向平稳性从头车至尾车总体呈增大趋势，但后列的头车比相邻车辆略有增大。

（2）动力集中动车组通过单线隧道时车体横向振动主要表现为摇头运动，且仅存在于车体，未传递至构架和轴箱。车体两侧压差和横向平稳性指标呈正相关，气动力产生的车体摇头力矩和横向振动规律类似，二者的波动频率也基本一致。

（3）动力集中动车组在单线隧道内运行时产生的气动力是其尾车晃车问题的主要原因，其作用机理为隧道内车辆与隧道壁间流场会随着列车高速通过产生从头车至尾车扩展的周期性波动。列车尾部车辆在较强气动力作用下产生与其车体固有频率接近的横向耦合周期性振动，导致车辆横向运行平稳性指标显著增大，乘坐舒适性降低。

（4）建议基于单线隧道内尾部晃车机理，持续开展动力集中动车组结构参数优化设计和单线隧道适应性深化研究。

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基金资助

中国铁道科学研究院集团有限公司院基金课题(2022YJ262)

中国铁道科学研究院集团有限公司院基金课题(2024YJ042)