中国恶劣风环境下铁路安全行车研究进展
田红旗1, 2
(1. 轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙，410075；
2. 中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙，410075)
摘 要：介绍我国铁路恶劣风环境下正在开展的铁路安全行车方面的研究以及进一步开展的研究，主要包括：风环境下铁路安全行车综合研究方法，如数值计算、风洞试验、在线实车试验、理论分析等；大风环境下列车空气动力特性规律，如列车空气阻力特性、空气升力特性、空气横向动力特性、列车交会空气压力波、风—车—路—局域地貌环境耦合列车空气动力特性等；风环境下列车临界运行速度，如风特性、空气动力、机械动力作用下车辆倾覆稳定性、特殊风环境下的列车临界运行速度；恶劣风环境下铁路安全行车措施，如实施限速(即对风速－路况－车外型与载重不同组合下的列车安全运行速度限值)或停轮，设计合理的列车外形，设置挡风墙，建立铁路大风监测预警与行车指挥系统等。
关键词：列车空气动力学；恶劣风环境；铁路安全行车；研究进展
中图分类号：U270.11 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2010)06-2435-09
Research progress in railway safety under strong wind condition in China
TIAN Hong-qi1, 2
(1. Key Laboratory of Traffic Safety on Track, Ministry of Education, Changsha 410075, China;
2. School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)
Abstract: The ongoing research work and the further research plan on railway safety under strong wind condition in China were both described. The main contents are as follows: research method of railway safety under strong wind condition, including numerical calculation, wind tunnel test, online real vehicle experiments, theoretical analysis, etc; research on aerodynamic laws of trains under strong wind condition, such as aerodynamic drags of trains, air lift characteristics of trains, air lateral characteristics of trains, crossing pressure waves of trains, aerodynamic characteristics of trains under wind-vehicle-railway-local area coupled condition; research on critical running speeds of trains under strong wind condition, such as wind characteristics, wind aerodynamics, safe running speeds of trains under special conditions caused by mechanical power; research on measures of railway safety under strong wind condition, including making the plan of running speed limitations and stops of trains under the different combinations of wind speed-railway condition-train shape-train load condition, designing the optimizing shapes of trains, setting the break wall, and establishing the strong wind monitoring and warning system, etc.
Keywords: train aerodynamics; strong wind condition; railway safety; research progress
由于大风的作用，列车周围流场产生分离，在列车周围形成一系列涡流，使列车表面压力发生变化，导致列车空气动力性能恶化，列车空气阻力、车辆空气升力、车辆空气横向力、列车交会空气压力波等剧增或骤降，并严重影响列车的横向稳定性。对于一些特殊的风环境，如特大桥、高架桥、路堤，列车的绕流流场改变更为突出，当列车通过曲线路段时，空气横向力、升力与离心力叠加导致列车翻车的可能性大大增加。对此，国内外学者均进行了系列研究[1-11]。我国青藏、新疆铁路处于极端恶劣风环境下，常常发生突发性大风自然灾害，由于特殊的地形、地貌环境，形成了著名的约150 km兰新铁路百里风区、南疆铁路前100 km风区、青藏铁路900余km长距风区；沿海铁路地区常遭受台风袭击。极端恶劣风环境危及铁路运输安全，不仅导致铁路行车中断，使大量旅客滞留、货物积压，更严重的是造成车毁人亡的重大事故。因此，必须确保恶劣风环境下铁路运输安全，并尽可能畅通。为使列车安全通过风区，以保证行车安全和提高运输效率，我国学者建立了风环境下铁路安全行车研究方法，研究了大风环境下风—车—路—局域地貌环境耦合空气动力特性规律以及恶劣风环境下铁路安全行车措施等。
1 风环境下铁路安全行车研究方法
目前，我国已建立了风环境下铁路行车的综合研究方法，包括：数值计算、风洞试验、在线实车试验、理论分析等。
1.1 数值计算
数值计算内容主要有：列车空气动力特性数值模拟计算，车辆倾覆稳定性计算，列车临界运行速度及速度限值计算，预警与指挥系统的相关计算。
对于列车空气动力特性的数值模拟计算问题，运行列车在风环境作用下的流场数值模拟是一个非常复杂的流场计算问题，其复杂性表现在以下几方面：
(1) 流场中存在湍流附面层分离、具有3种不同相对运动等问题；
(2) 列车在风环境作用下运行是一个三维流场中复杂形状物体受力问题；
(3) 列车是1个大的细长物体，其侧向迎风面面积较大，需要选取较大的计算区域；且外部裸露有受电弓、网线、转向架等复杂细小结构，其计算网格需要很密；
(4) 风环境下桥梁、路堤、路堑对列车的干扰非常复杂；
(5) 存在列车运行与风移动2种形式的运动；
(6) 风向在水平面和垂向平面均不确定；
(7) 风速为瞬态的，需要确定瞬态风的速度谱密度函数；
(8) 对于有挡风墙的路段，各种挡风墙对列车的干扰也非常复杂；
(9) 列车周围的局域地形地貌环境影响。
由于上述情况的复杂性，列车空气动力特性数值模拟计算模型需要包括列车细部外形、路况外形(道床、桥梁、路堤、路堑等外形)、列车周围的局域地形地貌环境、列车运动、瞬态风速风向等。
对于电气化铁路，还要考虑弓网关系问题。
对于车辆倾覆稳定性计算问题，其计算模型需要考虑风环境下的空气动力与机械动力的瞬时耦合作用，同时还要考虑路况信息。我国目前已完成的计算内容有：
(1) 大风环境下有、无挡风墙时的列车空气动力特性计算，包括列车周围环境流场特性、列车表面分布压力、列车空气阻力、车辆空气升力、车辆空气横向力、列车交会空气压力波；
(2) 大风环境下挡风墙表面及周围空气动力特性计算；
(3) 大风环境下风—车—路(路堤、大桥、挡风墙等)—局域地貌环境耦合空气动力特性计算；
(4) 风特性与路况耦合的空气动力、机械动力作用下车辆倾覆稳定计算；
(5) 风力风向—路况(路堤、大桥、曲线、直线、挡风墙等)—列车外型与载重组合下的列车临界运行速度及速度限值计算；
(6) 封闭式、半封闭式防风明洞空气动力特性计算；
(7) 大风监测预警与铁路行车指挥系统成套应用软件的相关数值计算。
1.2 风洞试验
风洞试验主要是为了获得大风环境下的列车空气动力特性而进行的试验。
模拟大风环境的风洞试验方法主要是将来流沿侧偏角β方向吹向列车，模拟列车运行速度、环境风风速和风向的合成作用。通过改变侧偏角β，以模拟以下7种情况(通常β=0°~90°，步长一般为5°)。
情况1：列车速度、环境风速不变，改变环境风向；
情况2：列车速度、环境风向不变，改变环境风速；
情况3：环境风速、风向不变，改变列车运行速度；
情况4：列车速度不变，改变环境风风速及风向；
情况5：环境风速不变，改变列车速度及环境风向；
情况6：环境风向不变，改变环境风速及列车速度；
情况7：环境风速、风向及列车速度均发生变化。
对于固定地板的风洞试验方法，由于无法模拟列车与地板间的相对运动，因此，与真实的地面效应相比，固定地板的风洞试验结果稍有差异。
大型风洞试验在亚洲最大的航天低速风洞完成，为了满足长大形状的列车风洞试验，研制了专用地板和测力专用天平，研究了测力、测压等关键试验技术。同时，在国防科技大学截面积为1.0 m×0.8 m的风洞上，研制了多孔均匀吸气地板，能较均匀地控制地板附面层厚度，用于不同厚度固定地板附面层影响研究。专用试验也在国内外的其他风洞进行。
对各种客、货运列车已完成的试验内容有：列车周围流场特性、列车表面分布压力、列车空气阻力、车辆空气升力、车辆空气横向力、列车交会空气压力波、挡风墙表面及周围空气动力特性、防风明洞空气动力特性、大风环境下风—车—路(路堤、桥、挡风墙等)耦合空气动力特性等。
采用的试验模型是：列车模型由3节或3节以上车箱组成，已完成的风洞试验模型缩尺比最大为1?6。
1.3 在线实车试验
实车试验是研究大风环境下安全行车问题的重要手段之一，它能真实地反映实际风环境下实际列车在实际线路上的运行情况，并为验证数值计算和模拟试验结果提供依据。
对各种客运列车、货运列车、挡风墙等，已完成的在线实车试验主要有：
(1) 大风环境下列车空气动力特性试验。包括列车周围环境流场特性、列车表面分布压力、车辆空气升力、车辆空气横向力、列车交会空气压力波、风—车—路(路堤、桥、挡风墙等)—地貌环境耦合空气动力特性等试验；
(2) 大风环境下挡风墙表面及周围空气动力特性试验，桥上挡风墙振动性能试验，挡风墙高度、形状，对一线、二线安全行车影响试验；
(3) 机车、客车车窗玻璃承受风载荷试验；
(4) 货物列车装载加固(如篷布或固结绳等柔性加固、集装箱弹性联结等)承受风载荷能力试验；
(5) 大风环境下列车动态偏移量试验；
(6) 大风环境下车辆倾覆稳定性试验；
(7) 大风环境下列车运行安全性试验；
(8) 大风环境下接触网偏移量试验。
2 大风环境下列车空气动力特性规律
大风环境下的列车空气动力特性[12-20]包括列车空气阻力特性、车辆空气升力特性、车辆空气横向力特性、列车交会空气压力波特性和风—车—路耦合空气动力特性。
环境风对列车空气动力特性的影响表现在风力、风向、列车速度的综合影响。
2.1 列车空气阻力特性规律
大风可能导致列车空气阻力迅速增加。为了最大限度地降低列车运行时的能耗，提高牵引动力利用率，开展了大风环境下列车空气阻力特性研究。研究内容有：环境风速和列车运行速度对列车空气阻力的影响；风向对列车空气阻力的影响，包括风向与列车运行方向相同、相反、垂直以及风向角为锐角、风向角由锐角变为钝角等；列车外形对风环境下的列车空气阻力影响。
通过研究，得到了风速、风向、列车运行速度与列车空气阻力之间的一系列关系式，见文献[1，12]，并得到如下规律：
(1) 列车空气阻力与环境风速和列车运行速度反向矢量叠加后的合成速度有关。
(2) 顺风使列车空气阻力降低，随着风速的增大，列车空气阻力将骤降。当环境风风速大于列车速度时，将产生负的空气阻力，相当于大风对列车产生非常大的助推力，由环境风推动列车运动；逆风使列车空气阻力增加，相当于大风对列车产生附加空气阻力，随着风速的增大，列车空气阻力迅速增加。
(3) 列车空气阻力随小角度风向角的增加而迅速增大。当风向角达到一定值时，列车运行速度、风速、风向耦合使列车空气阻力达到最大值，此后，列车空气阻力不仅不再随风向角的增加而增大，还有可能随其增加而降低。
(4) 当风向角在较大角度变化时，列车头车空气阻力与风向角呈正弦曲线关系；当风向角为小角度时，中间车、尾车的空气阻力与风向角或风车速比均呈3次方关系增加。
(5) 大风环境下列车最大空气阻力可能为无风时的2倍以上。
2.2 车辆空气升力特性规律
通过研究，得到了风速、风向、风压力、列车运行速度与车辆空气升力之间的如下规律[1]：
(1) 在大风作用下，列车的头车、中间车和尾车的空气升力均迅速增大。车辆空气升力与合成速度相关。
(2) 列车的头车、中间车和尾车的空气升力系数随小角度风向角的增加而呈2次方关系迅速增大。
(3) 当风向角达到一定值时，头车空气升力首先达到最大值；当风向角继续增大时，尾车、中间车的空气升力分别相继达到最大值，在头车、中间车和尾车各自达到最大值后，空气升力不仅不再随侧偏角的增加而增大，而且有可能随其增加而有所下降，但仍比无风时大得多。
2.3 车辆空气横向力特性规律
通过研究，得到了风速、风向、风压力、列车运行速度与车辆空气横向力之间的如下规律[1]：
(1) 在大风作用下，列车的头车、中间车和尾车的空气横向力均迅速增大。车辆空气横向力与合成速度相关。
(2) 列车的头车、中间车和尾车的空气横向力系数随小角度风向角的增加而呈2次方关系增大。
(3) 当侧偏角β＜60°时，头车、中间车和尾车的空气横向力均随风向角的增加而迅速增大；当侧偏角β在70°左右时，头车空气横向力首先达到最大值；β接近90°时，中间车和尾车的空气横向力达到最大值。
(4) 在大风作用下，由于车辆侧部迎风面的正压力与背风面的负压力叠加，使车辆空气横向力为风压力的2~3倍。
2.4 列车交会空气压力波特性规律
对于列车交会，由于两交会列车运行速度不尽相同，并且两交会列车相向运动，产生的列车风与环境风的耦合将形成复杂的流场。
通过研究，得到大风环境下列车交会空气压力波幅值随风向角或风速的变化规律[1]如下：
(1) 大风环境下列车交会空气压力波幅值随风向角
(0° ≤≤360°)增加呈抛物线形式改变。
(2) 当风向角=0°或=360°时，风向与列车2运行方向相反。由于风向与列车1运行方向相同，导致列车1与环境风的相对速度减小，使得列车2上的压力波幅值减小，其压力波幅值减小40%左右，约为无环境风时压力波幅值的0.6倍。
(3) 当风向角=90°时，横风从列车2一侧横向吹过两交会列车，列车1处于列车2的背风面。由于列车2的交会侧处于背风面，使得交会波的负波幅值加大，导致列车2上的交会压力波幅值增大。其交会压力波幅值增大20%左右，约为无环境风时压力波幅值的1.2倍。
(4) 当风向角=180°时，风向与列车2运行方向相同，使得列车1速度与环境风速度的相对速度增加，造成列车2上的交会压力波幅值增大40%左右，约为无环境风时的1.4倍。
(5) 当风向角=270°时，横风从列车1一侧横向吹过两交会列车。由于列车2的交会侧处于迎风面，使得交会压力波的正波幅值加大，导致列车2上的交会压力波幅值增大。其交会压力波幅值增大30％左右，约为无环境风时的1.3倍。
(6) 当风向角为90°~180°或180°~270°时，交会压力波幅值最大，其最大值可能达到无环境风的1.6倍左右。
(7) 列车交会空气压力波幅值随风速增加而迅速改变，其变化规律因风向角的不同而剧增或骤减。
2.5 风—车—路—局域地貌环境耦合空气动力特性影响规律
通过研究，得到路堤高度、桥梁高度、路堑深度、海拔高度、局域地貌对车辆空气动力特性影响规律如下：
(1) 车辆空气升力、空气横向力以及由这2个力产生的倾覆力矩均随路堤高度、桥梁高度的增加而迅速增大；随路堑深度、海拔高度的增加而减小。
(2) 列车周围的局域地貌会改变大风的流速及流向，产生实时的风力风向突变现象。迎风坡产生加速流，背风坡产生涡流，峡谷区域产生节流。
3 风环境下列车临界运行速度
影响风环境下列车临界运行速度的主要因素有：风力、风向产生的空气动力作用下的车辆倾覆稳定性，客车、机车车窗玻璃承受瞬时风产生的气动压力的能力，货物列车装载加固(如篷布、固结绳、集装箱联结等)承受风产生的附加力的能力，以及风沙流对客车和机车车窗玻璃、列车运行稳定性等的影响。
对于风环境下车辆倾覆稳定性问题，根据建立的风特性与路况耦合的空气动力、机械动力作用下车辆倾覆稳定计算模型，经进一步计算与分析，得到风速与列车运行速度关系示意图见图1。图1描述了列车在直线上运行、列车在曲线上运行且风从曲线外侧吹向内侧、列车在曲线上运行且风从曲线内侧吹向外侧3种情况，每种情况均对应1种列车安全运行区域，3种情况的公共部分(图1中的阴影部分)即为列车安全运行区域，其外边界(除两坐标轴外的另一边界)为列车临界运行速度。对各种工况进行分析得到如下大风环境下列车临界运行速度规律：
(1) 列车临界运行速度与车辆外形、车辆质量与载重、车辆动力参数、车辆运行的路况(平道曲线、平道直线、直线或曲线路堤、路堑、直线或曲线桥梁、峡谷桥等)、环境风速及风向、局域环境地貌等的组合相关。
(2) 大风导致的车辆倾覆事故在平道、直线、曲线、路堤、桥梁上均有可能发生，车辆倾覆是各种最不利因素的组合所致。
(3) 从列车外形来说，列车外形(尤其是侧壁外形)的流线化程度越好、迎风面积越小，列车临界运行速度越高。对比各种外形的货运列车，双层集装箱列车的临界运行速度最低，其次是棚车；罐车的临界运行速度最高。对于客运列车，各种流线型动车组的临界运行速度较高。
(4) 车辆质量与载重越大，重心越低，列车临界运行速度越高。空双层集装箱列车、空棚车的临界运行速度较低。
(5) 从路况来说。列车临界运行速度随桥梁、路堤高度的增加而降低，一定的路堑高度可以有效地提高列车临界运行速度。
对于大风作用下列车车窗玻璃承受气动压力的能力、风沙流对列车车窗玻璃和列车运行稳定性影响问题，目前正在研究中。
图1 风速与列车安全速度关系示意图
Fig.1 Relationship between wind velocity and train’s safety velocity
4 恶劣风环境下铁路安全行车措施
恶劣风环境下铁路安全行车措施有：实施限速或停轮、设计合理的列车外形、设置挡风墙，建立大风监测预警系统等。
4.1 实施列车安全运行速度限值
大风环境下列车安全运行速度限值[21-25]是保证列车安全通过风区的重要限制性指标，而上述研究风环境下列车临界运行速度的目的就是为了提出列车安全运行速度限值。
列车安全运行速度限值的确定需要考虑各种因素的影响，如风环境(风力、风向、列车周围地貌环境)下的空气动力性能，路况(桥梁、路堤、路堑、直线、曲线、挡风墙等)，列车外型、车辆载重，车辆动力性能，车窗承受气动压力能力，风沙流对列车车窗玻璃和列车运行稳定性的影响等。
大风环境下列车安全运行规范是针对线路区域或列车速度等级制定的，因此，各铁路线的速度限值标准不同。对各种车辆可以提出通用安全运行速度限值，对某一个高路堤、高桥梁也可制定相应的列车安全运行速度限值。
目前我国的兰新铁路、青藏铁路、客运专线和既有铁路均已实施了大风环境下的列车安全运行限速。
4.2 设计合理的列车外形
合理的列车外形[26-27]可以降低风环境下的空气升力、空气横向力以及由这2个力产生的倾覆力矩，提高车辆倾覆稳定性。
(1) 对于客运列车，采用流线型列车(流线型头形、流线型车身、连接部位外风挡、车体底部除转向架外全部包起等)能够有效地改善大风环境下列车空气动力性能，包括减小列车空气阻力、控制车辆空气动力升力、降低列车交会压力波幅值。
(2) 合理设计侧壁形状，可以改善车辆横向气动性能。对于直壁侧墙，在横风与列车风耦合作用下，车辆侧壁的迎风面近乎于自由滞止流，使壁面的流速下降而压力升高，而背风面的一系列涡流分离产生强大的负压，合成强大的压差横向力，使车辆空气横向力迅速增大。对于鼓壁侧墙，即侧面为无穷宽的流线型，这样，在横风环境下，可以减轻迎风面的气流滞止影响，改变背风面分离涡流的流场结构，降低车辆空气横向力；同时，鼓壁侧墙折角高度下移，可以减小倾覆力矩，提高列车横向运行稳定性。
目前，我国在设计客、货运列车外形时，均考虑了改善风环境下的车辆空气动力性能。
4.3 设置挡风墙
挡风墙设置[28-31]通常考虑如下因素：
(1) 挡风墙形状，挡风墙形状有土堤式、加筋对拉直壁式、钢筋L型、泄压孔式、超薄型挡风墙等。挡风墙形状的确定首先应考虑所设置的地段，如大桥上通常设置超薄型、泄压孔式挡风墙，宽阔地带一般设置造价较低的土堤式挡风墙等；挡风墙形状的确定还需要考虑对列车横向气动性能的影响，如：直壁型挡风墙效果较好，L型挡风墙受力较好等。
(2) 挡风墙高度。若挡风墙高度过低，则强侧风将直接吹向列车；若挡风墙高度过高，则将在列车和挡风墙之间形成强大的涡流，使车辆受到的空气横向力、升力及倾覆力矩剧增。因此，挡风墙过高或过低均会对列车产生较大的空气横向力、升力及倾覆力矩。
(3) 挡风墙与轨道间的距离。
(4) 挡风墙对电气化铁路的影响。若挡风墙高度设置不合理，当强侧风吹过时，将在受电弓与网接触处产生较大的涡流，使弓网受到影响。
(5) 挡风墙对铁路复线的1线和2线上的列车气动性能的影响。
(6) 挡风墙对不同车型(包括客车、各种货车)气动性能的影响。
(7) 地形地貌、线路状况的影响。
我国在新疆地区铁路沿线设置了各种形式挡风墙，图2所示为新疆地区铁路的几种挡风墙形式。
4.4 建立铁路大风监测预警与行车指挥系统
铁路大风监测预警与行车指挥系统[32-41]需要满足：从实时大风监测预警，到形成列车运行速度限制指令，并能实现及时与通过风区的列车进行信息交换，为列车安全通过风区以及大风环境下行车指挥调度提供有效决策。
我国目前已构建铁路大风监测预警与行车指挥系统，包括：
(1) 建立铁路沿线测风站辖域风信号空间序列预测模型；
(2) 建立铁路沿线风信号短时超前预测模型(时间序列预测模型、小波-滚动时序大步长预测模型、小波-遗传神经网络小步长预测算法模型、小波-卡尔曼单步超高精度预测算法模型)；
(3) 开发长距离实时风速采集、传输、存储技术；
(4) 开发列车(车型、编组、运行状态)—大风(风力风向、测风站位置)—路况—地貌环境等多源信息融合与集成处理技术；
(5) 提出风区列车运行实时预警与指挥决策模型；
(6) 研发铁路大风监测预警与行车指挥系统成套应用软件；
(7) 构建铁路大风监测预警与行车指挥系统诊断维护与可靠性运行保障体系。
图2 新疆地区铁路的几种挡风墙形式
Fig.2 Several kinds of break walls of railway in Xingjiang
5 结语
(1) 经过我国几代科技人员数十年的不懈努力，建立了从数值模拟计算、风洞试验、在线实车试验到理论分析的风环境下铁路行车的综合研究方法，形成了理论—技术—工程—应用集成体系，取得了一系列研究成果，实现了我国铁路运输应对恶劣风灾害能力的重大技术突破。
(2) 目前深入开展以下研究：铁路沿线风沙流规律(包括风沙流分布特征、局部地形地貌效应)，风沙环境、风雪环境、风雨环境对行车安全的影响，机车客车玻璃破损防护技术(包括自身强化和线路防护措施)，风沙环境对电气化铁路行车安全的影响及强风地区电气化铁路风沙防护相关技术，防风沙明洞等。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2010-07-10；修回日期：2010-08-09
基金项目：铁道部科技开发计划项目(2009G027)
通信作者：田红旗(1959-)，女，河南鲁山人，教授，博士生导师，从事列车空气动力学研究；电话：0731-82655390；E-mail: thq@mail.csu.edu.cn
