運(yùn)行中地鐵列車的車內(nèi)外壓力變化特性研究

張寅河 杜俊濤 熊小慧

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,266111,青島;2.中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,410075,長沙//第一作者,工程師)

運(yùn)行中地鐵列車的車內(nèi)外壓力變化特性研究

張寅河1杜俊濤1熊小慧2

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,266111,青島;2.中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,410075,長沙//第一作者,工程師)

通過對我國某型地鐵列車進(jìn)行隧道空氣動力學(xué)實(shí)車線路試驗(yàn),得到地鐵列車實(shí)際運(yùn)行過程中車內(nèi)、外壓力變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明:該型地鐵列車車內(nèi)壓力變化滿足我國地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范舒適度評價標(biāo)準(zhǔn)及美國地鐵人體舒適度評價標(biāo)準(zhǔn)。地鐵列車運(yùn)行過程中,最長隧道區(qū)間的車內(nèi)、外壓力變化幅值明顯大于其它隧道;列車以不同速度和模式運(yùn)行中,車內(nèi)1.0 s、1.7 s、3.0 s時的壓力變化幅值和車外各測點(diǎn)壓力變化幅值均不相同,車體表面測點(diǎn)壓力變化由車頭至車尾方向呈逐漸減小的趨勢。

地鐵列車; 空氣動力學(xué); 車內(nèi)外壓力

First-author′s address CRRC Qingdao Sifang Co.,Ltd.,266111,Qingdao,China

城市軌道交通列車的最高速度一般不大于80 km/h。但隨著城市面積的不斷擴(kuò)大,部分城市對列車速度提出了更高的要求。由于城市軌道交通地下線路隧道的阻塞比較大,約在0.4～0.6 之間,明顯高于山區(qū)鐵路隧道的阻塞比,因此城市軌道交通的隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)問題開始凸現(xiàn)出來。

近年來,國內(nèi)外學(xué)者對城市軌道交通的隧道空氣動力學(xué)進(jìn)行了許多研究[1-7],但大部分集中在模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方面,關(guān)于實(shí)車試驗(yàn)非常少。我國面臨城市軌道交通和市域鐵路發(fā)展的新趨勢,仍有許多隧道空氣動力學(xué)問題亟待解決。

車輛內(nèi)壓力變化幅值越大,乘客舒適性將越差,達(dá)到一定的幅值會產(chǎn)生耳鳴等現(xiàn)象,所以國內(nèi)外都對車內(nèi)壓力變化幅值P給出參考值(參見表1所示)。

表1 國內(nèi)外車輛內(nèi)壓力變化參考值

本文通過實(shí)車試驗(yàn)的方式研究了國內(nèi)某地鐵列車在不同運(yùn)行模式、不同運(yùn)行速度下車內(nèi)外壓力的變化情況。這對于確保列車安全,以及旅客和乘務(wù)人員的健康、舒適,保護(hù)線路附近的環(huán)境等有著積極的意義。

1 試驗(yàn)概況

(1) 試驗(yàn)線路:試驗(yàn)線路示意圖如圖1所示。其中站點(diǎn)1和站點(diǎn)2之間的線路部分為地面線路,部分為隧道線路;站點(diǎn)2和站點(diǎn)3之間全部為隧道線路,長度約1.2 km;站點(diǎn)3和站點(diǎn)4之間全部為隧道線路,長度約2.0 km,中間有風(fēng)井一座;站點(diǎn)4和站點(diǎn)5之間全部為隧道線路,長度約1.6 km;站點(diǎn)5和站點(diǎn)6之間全部為隧道線路,長度約0.85 km。隧道凈空設(shè)計(jì)直徑為5.4 m。

圖1 試驗(yàn)線路示意圖

(2) 試驗(yàn)車輛:采用國內(nèi)A型地鐵車輛,列車編組6輛,總長139.98 m,車輛最寬處3 m,車體最高點(diǎn)距軌面3.8 m。

(3) 試驗(yàn)測點(diǎn)布置:分別布置在列車車廂內(nèi)部和車體表面。車廂內(nèi)部測點(diǎn)主要布置在駕駛室和車體中部位置,車體表面測點(diǎn)則布置在和車廂內(nèi)部測點(diǎn)相對應(yīng)的位置。

(4)測試設(shè)備:在本次試驗(yàn)中采用壓力傳感器直接測得車廂內(nèi)外的壓力。測試的不確定度來源包括列車速度誤差、測點(diǎn)布置的偏差、環(huán)境因素以及測試系統(tǒng)的誤差。測試系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 壓力測試系統(tǒng)示意圖

(5)試驗(yàn)方法:試驗(yàn)過程中具體研究了地鐵列車以不同運(yùn)行模式、不同運(yùn)行速度、在不同隧道區(qū)間運(yùn)行時,地鐵列車車內(nèi)、外壓力變化的情況。其中,列車的運(yùn)行模式主要是ATO (列車自動運(yùn)行)模式和ATP(列車自動保護(hù))模式兩種。ATP模式下運(yùn)行速度有60 km/h、65 km/h和70 km/h三種。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過實(shí)車試驗(yàn),得到了地鐵列車在不同隧道、不同速度和不同運(yùn)行模式下車內(nèi)、外壓力變化規(guī)律。

2.1 試驗(yàn)重復(fù)性分析

為分析測試系統(tǒng)的可靠性,對同一速度檔次下同一測點(diǎn)的多次測試結(jié)果進(jìn)行重復(fù)性分析。圖3給出了3趟不同測試車內(nèi)典型測點(diǎn)的空氣壓力測試波形。由圖3可知:不同測試次數(shù)情況下所測得的車內(nèi)、外壓力波形基本重合,測試系統(tǒng)的重復(fù)性誤差在5%以內(nèi)。對其他測點(diǎn)測試結(jié)果進(jìn)行分析,重復(fù)性誤差也在5%以內(nèi)。由此可以認(rèn)為,本次試驗(yàn)車內(nèi)、外采用的測試系統(tǒng)具有較高的可靠性,測試結(jié)果重復(fù)性也較好。

圖3 車內(nèi)典型壓力測點(diǎn)壓力波形圖

2.2 不同隧道對車內(nèi)、外壓力變化的影響

研究了在同一速度、同一運(yùn)行模式下不同隧道長度對車內(nèi)、外壓力變化的影響。其中不同隧道的長度是以試驗(yàn)線路不同區(qū)段的隧道長度為研究目標(biāo)。從表2中可以看出,在同一速度和模式下,列車通過站點(diǎn)3至站點(diǎn)4隧道區(qū)間時,1.7 s、1.0 s和3.0 s時的車內(nèi)壓力變化幅值大于通過其他隧道區(qū)段。這是因?yàn)檎军c(diǎn)3至站點(diǎn)4區(qū)間隧道長度約2 km,在所有隧道中最長,且在隧道的中部有一風(fēng)井(該風(fēng)井相當(dāng)于一個隧道口)。這些因素導(dǎo)致列車通過該隧道時車內(nèi)、外壓力波動值最大。

2.3 列車運(yùn)行速度及模式對車內(nèi)、外壓力變化的影響

當(dāng)列車以不同的運(yùn)行模式和速度通過試驗(yàn)線各隧道時,車內(nèi)1.0 s、1.7 s、3.0 s時的壓力變化幅值和車外壓力變化幅值均發(fā)生了較大的變化。圖4和圖5分別給出了列車以不同模式及速度通過站點(diǎn)3至站點(diǎn)4區(qū)間過程中,列車車內(nèi)、外不同位置測點(diǎn)的壓力變化幅值ΔP。

表2 列車通過不同隧道區(qū)間時車內(nèi)、外壓力變化情況 Pa

圖4 不同速度情況下車內(nèi)不同位置測點(diǎn)的壓力變化幅值

圖5 不同速度情況下車外不同位置測點(diǎn)的壓力變化幅值

從圖4和圖5可以看出:車內(nèi)1.0 s、1.7 s、3.0 s時的壓力變化幅值和車外各測點(diǎn)壓力變化幅值同列車運(yùn)行速度和模式的關(guān)系為:60 km/h (ATP)時的ΔP<65 km/h (ATP)時的ΔP<70 km/h (ATP)時的ΔP

圖6為列車以ATO模式通過站點(diǎn)3至站點(diǎn)4區(qū)間時,車、內(nèi)外壓力變化曲線。從圖6可以看出,列車以ATO模式通過站點(diǎn)3至站點(diǎn)4區(qū)間時,同一時刻車內(nèi)、外壓力相差不大,基本維持在±150 Pa的范圍之間。

圖6 ATO模式下列車車內(nèi)、外壓力變化曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)列車以不同速度和模式在隧道內(nèi)運(yùn)行通過站點(diǎn)3至站點(diǎn)4區(qū)間時,車內(nèi)、外壓差最大值與列車運(yùn)行速度和模式的關(guān)系為:60 km/h (ATP)時的壓差<65 km/h (ATP)時的壓差<70 km/h (ATP)時的壓差

3 結(jié)論

(1) 當(dāng)?shù)罔F列車以ATO模式、70 km/h (ATP)、65 km/h (ATP)和60 km/h (ATP)通過試驗(yàn)線路沿線各隧道時,車內(nèi)3.0 s時的最大壓力變化幅值均遠(yuǎn)小于我國高速列車舒適性評價標(biāo)準(zhǔn)(3.0 s時車內(nèi)壓力變化幅值為800 Pa);車內(nèi)1.7 s時的最大壓力變化幅值均小于我國地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范舒適度評價標(biāo)準(zhǔn)及美國地鐵列車車內(nèi)壓力變化標(biāo)準(zhǔn)(1.7 s時車內(nèi)壓力變化幅值為700 Pa),滿足人體舒適性標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2) 由車頭至車尾方向,列車車體表面測點(diǎn)壓力有逐漸減小的趨勢。

(3) 地鐵列車在區(qū)間運(yùn)行過程中,同一時刻,車內(nèi)、外壓力相差不大。

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Variation Characteristics of Metro Vehicle Internal and External Pressures during Operation

ZHANG Yinhe, DU Juntao, XIONG Xiaohui

Through the aerodynamics test in tunnel on a China manufactured metro model,a series of data on metro vehicle internal and external pressures during actual operation process are obtained.The experiment results demonstrate that the internal pressure changes can meet the human body amenity standards both of Chinese metro vehicle design and American metro industry.In actual operation, the variation amplitude of internal and external pressures in the longest tunnel is distinctly greater than that in other tunnels.And what's more,the internal pressure amplitude and the amplitudes of each external measured point at 1.0 s,1.7 s and 3 s are all different and vary with different running velocities and operation modes.To be specific,the pressure amplitudes at the measured points of external surface gradually reduce from the head to the trail along the vehicle.

metro vehicle; aerodynamics; vehicle internal and external pressures

U270.1+1

10.16037/j.1007-869x.2017.04.020

2016-12-10)