强风沙环境下车窗破损对高速列车运行安全性影响研究

强风沙环境下车窗破损对高速列车运行安全性影响研究

辛东泽

中车青岛四方机车车辆股份有限公司   山东青岛  266000

摘要：强风沙环境下，高速列车行驶会受到强烈的风沙冲击，车辆两侧车窗会因此而破裂，在这种情况下，无论是高速列车运行，还是车内乘客安全，都会受到很大程度影响。所以，高速列车如何在强风沙环境下安全运行已经成为业界普遍关注的问题。本文以国内某高速列车为例，基于气动仿真模型，探讨了强风沙环境下车窗破损的高速列车运行安全性。研究结果表明：强风沙环境下，相较于迎风侧车窗破损，双侧车窗破损时，车厢外与车厢内的压力以及气流更加平稳，且列车脱轨率，乃至轮重减载率等，都比较低。所以在强风沙环境下应该降低高速列车行驶速度，以免车窗受损而影响高速列车运行与车内乘客安全。

关键词：强风沙环境；车窗破损；高速列车运行；安全性

高速列车遇到强风沙环境极易发生安全事故，比如，强风沙的冲击与磨损可能导致列车车窗破损，如果车窗出现破损情况，列车内部就会受到影响，不仅乘客乘车舒适度下降，还会增大列车行驶时的阻力，从而增加能耗。不仅如此，高速列车车窗破损还会导致行驶中的高速列车出现失稳情况，增加列车侧翻或脱轨等安全事故发生的概率，不仅会危及乘客的生命安全，还会为铁路运输行业带来巨大的经济损失。所以，针对强风沙环境下车窗破损对高速列车运行安全性影响展开分析和研究对铁路交通事业的发展以及人民的安定和谐具有重要的现实意义。

1 某高速列车车体仿真模型的构建

高速列车的组成结构比较复杂，想要将整个列车的结构全面呈现出来是比较困难的，而本文主要研究车窗部位破损对高速列车运行安全产生的影响，所以在建模过程中不考虑转向架等车辆底部结构[1]。本次研究参考的列车为三节车编组（即头车+中间车+尾车），根据以下几项数据构建列车仿真模型。其中，头车与尾车车厢的长度皆为2650cm，中间车厢的长度为2500cm，整车车厢的长度为7800cm，宽度为320cm，高度为314cm；车厢首块玻璃的长度与宽度皆为65cm，其他玻璃的长度为140cm，宽度为65cm；玻璃和玻璃之间的距离为65cm，厢体的厚度为5cm。图1为构建的车体仿真模型。为了更好地研究车窗破损时车体内部与车体外流场，只考虑其中的游客与座椅，该高速列车设置的座位总共有90个，假设所有的座位都坐满乘客。

图1 某高速列车车体仿真模型

2高速列车车体仿真模型的边界条件

2.1厢体表面的网格划分

高速列车运行时计算获得的外流场长度为30000cm，宽度为10000cm，高度为3000cm，因为车体内设置的座椅以及乘坐人员的模型极为复杂，同时厢体表面必须划分成小尺度的网格，但厢体其他区域则可以划分大尺度网格，且为了防止网格划分过多而影响计算的时间，应该通过非结构四面体网格法来划分厢体表面网格、座椅网格以及外流场网格。

2.2仿真模型的边界条件

本次研究通过相对运行法对高速列车行驶过程中的气流流动进行模拟，设置的边界条件如下：如果空气流速与高速列车运行速度相同，则空气流过车体前端的速度入口时，对车体长度方向产生的来流空气进行模拟。针对车体宽度方向，设置不同风速经过其侧面速度入口，对衡风环境进行模拟。设置车体前端速度入口对应的压力出口以及车体侧面速度入口对应的压力入口为一个标准大气压，并将车体顶端、车内乘客、车内座椅面与车体外表统一归为无滑移面。为了更好地观察车窗破损前与破损后的实际情况，将车窗设置成2种边界条件，一是车体壁面，二是车体内部[2]。同时，假设迎风面玻璃破损2块、4块，以此类推到10块；双侧车窗破损4块、8块，以此类推到20块，两种情况下皆对应的破损面积为21%、42%，以此类推到100%。

2.3强风沙作用下沙相设置

强风沙环境下，空气相属于第一相，其粘度系数接近1.7894×10-5，相对密度（物质的密度与参考物质的密度在各自规定的条件下之比）接近1.225kg/m3；沙相属于第二相，其粒径分为3种，依次为0.05mm、0.1mm、0.22mm，密度接近2.650kg/m3，体积分数接近20%（最大）。 受到横风沙环境的影响，沙粒混合到空气中，沙相体积分数随着距离地面高度的增加而减小。沙相体积分数计算公式如下：

其中，、、、代表拟合系数（通过最小二乘法获得），即同水平地面之间的距离，处在1000cm位置时，为0.005%，为5×10-4，为0.19995，为0.5822。

本次研究选择所处的位置为250cm、300cm、350cm，获得的沙相体积分数依次为0.28%、0.12%、0.054%。在横风环境下，沙粒初速度随着风速变化而变化，风速是其初始速度的5倍。普朗特冯卡曼的对数速度分布规律为：

其中，在本次研究中的取值为0.4，代表摩阻风速，代表粗糙度（空气动力学范畴），取值为0.33cm，如果横向风速设置成四个阶段，则依次对应为：一阶段10m/s对应0.5m/s，二阶段20m/s对应1.0m/s，三阶段30m/s对应1.25m/s，四阶段35m/s对应1.5m/s

[3]。

2.4车体监测点和风速设置

针对该高速列车车体两边的10组玻璃分别给予编号。其中，B1到B10代表迎风侧的玻璃，B11到B20代表背风侧玻璃，同时，将监测点设置在每块玻璃的核心区域。从调查发现该高速列车的服务线路主要处在多风地带，年平均风速大约在20m/s，所以，本次研究选择高速列车运行过程中的模拟风速为20m/s。

3强风沙环境下车窗破损对高速列车运行安全性影响

图2 车窗破碎脱轨系数对比         图3 车窗破损轮重减载率对比

结合该高速列车运行的实际情况，设置列车运行速度为300km/h，设置三种车速工况，一是200 km/h，二是250 km/h，三是300 km/h，本次研究的模拟横向风速与风向角分别设定为20 m/s、90度。以此来确定三种车窗破碎情况，一是车窗没有破碎情况，二是迎风侧车窗破碎情况，三是双侧车窗破碎情况。在这些情况中，后两种破损情况都出现在空气流速方向上，且W5与W6块玻璃没有全部破损，但三种破损情况都取决于车体脱轨系数、列车轮重减载率以及列车轮轴横向与垂向力等因素相关，本次研究主要围绕车体脱轨系数与列车轮重减载率展开分析，获得的分析结果如图2、图3所示。

由图2中的数据可知，三种车窗破损情况下，迎风侧脱轨系数最大，同时，在车窗破损时，随着列车运行速度增加，双侧脱轨系数上升的趋势要远低于迎风侧。当列车行驶速度为250 km/h时，无论是横风环境下，还是风沙环境下，车窗破损时，迎风侧产生的脱轨系数或等于或远远高于设定的参考值，但在此条件下，双侧产生的脱轨系数只有处在风沙环境下才高于设定的参考值，但超出的数值并不多，直至列车行驶速度达到275 km/h的区域时，横风条件下双侧车窗破损时产生的脱轨系数才超过设定的参考值。所以，在强风沙环境下，高速列车运行速度要得到合理控制，最好将列车运行速度控制在200 km/h以下，这样才能够防止高速列车在行驶中发生脱轨的风险[4]。

由图3中的数据可知，三种车窗破损情况下，同样是迎风侧列车轮重减载率最大，通过a、b对比，在车窗破损的200 km/h、250 km/h、300 km/h三种列车运行速度下，每一相同车速段都是风沙环境下列车轮重减载率最大，而处在横风条件下，车窗出现破损的面积较大。以风沙条件下的车窗破损情况来说，双侧车窗破损出现的列车轮重减载率远远低于迎风侧车窗破损出现的列车轮重减载率，大约相差22.4%；以横风条件下的车窗破损情况来说，双侧车窗破损出现的列车轮重减载率要比迎风侧车窗破损出现的列车轮重减载率减少19.2%[5]。从整体情况来看，随着高速列车运行速度的增加，无论是横风环境下，还是风沙环境下，列车轮重减载率越来越高，无论是双侧车窗破损，还是迎风侧车窗破损，列车轮重减载率同样是越来越高。所以，在高速列车运行过程中同样要控制好列车运行速度。

4结论

本文以国内某高速列车为例，基于气动仿真模型，探讨了强风沙环境下车窗破损的高速列车运行安全性。为此得出了如下结论，首先，相较于横风环境影响，在高速列车运行过程中车窗破损时，处在风沙环境影响下，不管是迎风侧的情况，还是双侧的情况，高速列车车体脱轨系数以及列车轮重减载率都在随着高速列车运行速度的增加而明显增大。其次，高速列车处在风沙环境中运行，在车窗破损时，相较于迎风侧情况，双侧产生的高速列车车体脱轨系数以及列车轮重减载率都出现了明显降低的情况。所以，在强风沙环境下，高速列车在运行过程中，应该适当地调整列车运行速度，最好将其控制在200km/h以下，这样才能够防止高速列车在行驶中发生脱轨或侧翻等风险，保证旅客列车运行的安全性与稳定性。

参考文献

[1]冯振,李明理,张璟鑫.气动载荷对高速列车车体强度的影响研究[J].铁道车辆, 2024, 62(1):8-12.

[2]李文涛,金阿芳,李虎,等.不同类型风沙环境下高速列车气动特性分析[J].机械设计与制造, 2022(006):000.

[3]刘小平,董治宝,王训明.固定沙质床面的空气动力学粗糙度[J].中国沙漠, 2003.DOI:CNKI:SUN:ZGSS.0.2003-02-003.

[4]罗文昊李宗义张涛.风沙环境下不同线路类型对高速列车气动特性影响研究[J].铁道标准设计, 2022, 66(11):36-42.

[5]崔景魁.强侧风环境下铁路客运列车速度限值研究[D].中南大学,2009.DOI:10.7666/d.y1720666.