摘要
在北方高寒地区，动车组在冬季会经历低温雨雪等天气，严重时会遇到冰冻等极端的自然条件，这些都会对我国高寒动车组的运营带来一系列特殊的问题。其中，最为严重的是当转向架悬挂元件存在积雪结冰时，将改变原有悬挂元件的动态性能，使得高寒动车组运行时面临严重的动力学问题，危及列车运行安全性。因此，本文分别建立了冰雪环境下转向架区域积雪和结冰时的列车动力学模型，研究了列车在考虑冰雪质量随机分布、不同冰冻状态以及冰冻程度时的动力学性能，最后研究了横风环境下高速列车在积雪结冰时的运行安全性，并为高寒动车组的安全运营提供参考建议。 首先，建立了考虑冰雪质量、重心位置以及转动惯量的转向架冰雪质量随机分布的列车动力学模型，研究了在高寒环境下列车运行速度、轨面摩擦系数以及轮轨匹配关系对列车动力学性能的影响规律，并探究了冰雪质量随机分布参数对动力学性能的影响程度。研究结果表明：在400km/h的车速内，冰雪质量的随机分布均没有使各项动力学性能指标超出限值；随着摩擦系数的增大，动力学性能指标逐渐减小，增大轨面摩擦系数可以改善列车动力学性能。经分析，附着在构架上的冰雪质量直接影响着脱轨系数和轮轴横向力；轴箱上冰雪质量对轮重减载率有着最大的相关性；而附着在电机上的冰雪质量分布参数是影响列车运行平稳性的主要因素。 其次，基于冰块与悬挂元件之间的非线性粘滑特性，建立了冰雪环境下的列车动力学模型。通过仿真计算，研究了四种不同冰冻状态对列车动力学性能的影响，并探究了悬挂元件结冰刚度对列车动力学性能的影响规律。研究结果表明：当一系悬挂或电机板簧冰冻时，在400km/h的车速内列车的动力学性能指标均能达到合格；而当二系悬挂或全部悬挂冰冻时，列车动力学性能明显发生恶化，尤其是蛇行运动稳定性以及运行平稳性，当速度大于150km/h时列车有发生蛇行失稳的可能，因此需要降速至150km/h才能安全行驶；经分析，二系悬挂元件冰冻是影响列车动力学性能的主要因素，特别是抗蛇行减振器和二系空气弹簧被冰冻时，需要及时清理二系悬挂元件上的结冰，同时要配合以降速行驶。 然后，研究了不同冰冻程度对列车动力学性能的影响规律，并探究了抗蛇行减振器和二系空气弹簧的冰冻刚度对列车动力学性能的影响规律。仿真结果表明：当速度大于等于300km/h时，无论悬挂元件上结冰多少，都不能满足冰雪环境下的安全运行要求，必须要对悬挂元件进行除冰处理；而当速度小于等于150km/h时，列车可以在冰雪环境下安全运行。车速在150~300km/h之间时，当冰冻程度超过60%时就需要对列车转向架区域的悬挂元件进行相应的除冰处理。其中，一系钢簧、一系垂向减振器、二系空气弹簧、二系垂向减振器、抗蛇行减振器以及电机板簧在冰冻60%时的结冰厚度最大分别可以取为19mm、16mm、21mm、16mm、17mm以及15mm。而二系悬挂去冰后的列车安全运行速度可以达到350km/h，要优于去冰前150km/h的速度限值。 最后，通过空气动力学仿真计算得到不同横风速度和车速下的高速动车组的气动力和力矩，并将头车气动力和力矩加载到列车动力学模型中，研究了横风环境下转向架区域积雪结冰时的列车运行安全性。研究结果表明：当风速小于20m/s时，列车可以以250km/h以上的速度在冰雪环境下安全运行；当风速大于20m/s时，冰雪环境下的列车运行安全速度小于等于100km/h，因此在大风环境下，悬挂元件结冰非常不利于高寒动车组的安全运行。
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