市域列車車內(nèi)空氣壓力波動(dòng)控制技術(shù)

于曉良 王勝光

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，266111，青島∥第一作者，高級工程師)

隨著城市規(guī)模的不斷增大，伴隨區(qū)域城市群的出現(xiàn)，市域列車的運(yùn)行速度不斷提升，最高運(yùn)營速度可達(dá)120～200 km/h，運(yùn)營時(shí)間在1 h左右，運(yùn)營模式為公交化運(yùn)營模式。隨著市域列車運(yùn)行速度的提升，當(dāng)市域列車高速通過隧道或在隧道外線路交會(huì)時(shí)，車外急劇變化的壓力波動(dòng)會(huì)傳入車內(nèi)，造成乘客出現(xiàn)耳鳴等不適現(xiàn)象。

文獻(xiàn)[1]研究了時(shí)速為80 km的某A型地鐵列車通過隧道時(shí)的車內(nèi)外壓力波動(dòng)特性。文獻(xiàn)[2]研究了地鐵列車分別以時(shí)速為80 km和90 km通過隧道時(shí)的車內(nèi)外壓力波動(dòng)特性。文獻(xiàn)[3]通過仿真及深圳地鐵11號線實(shí)車測試，對車內(nèi)最大空氣壓力3 s內(nèi)變化不大于800 Pa進(jìn)行了適應(yīng)性驗(yàn)證。文獻(xiàn)[4-5]分別研究了高速動(dòng)車組主動(dòng)式及被動(dòng)式壓力保護(hù)控制技術(shù)。市域列車的運(yùn)行速度介于高速動(dòng)車組與地鐵列車之間，其隧道斷面等運(yùn)行條件更傾向于地鐵。

本文針對市域列車運(yùn)行速度較高且線路隧道阻塞比較大的特點(diǎn)，為防止列車高速通過隧道時(shí)車內(nèi)空氣壓力變化較大，對市域列車被動(dòng)式壓力保護(hù)控制技術(shù)進(jìn)行了研究，并通過實(shí)車線路測試驗(yàn)證了該技術(shù)的有效性。本研究可為市域列車車內(nèi)空氣壓力波動(dòng)保護(hù)提供工程經(jīng)驗(yàn)。

1 車內(nèi)壓力波動(dòng)控制指標(biāo)

國內(nèi)高速動(dòng)車組普遍采用的車內(nèi)空氣壓力波動(dòng)控制指標(biāo)，參照的是UIC 660—2002《保證高速列車技術(shù)兼容性的措施》和GB/T 33193.1—2016《鐵道車輛空調(diào) 第1部分：舒適度參數(shù)》的要求。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定車內(nèi)空氣壓力波動(dòng)需同時(shí)滿足以下條件：壓力變化ΔP/Δt≤500 Pa/s，3 s內(nèi)最大壓力變化≤800 Pa，10 s內(nèi)的最大壓力變化≤1000 Pa，超過60 s內(nèi)的最大壓力變化≤2 000 Pa。

市域列車車內(nèi)空氣壓力波動(dòng)控制指標(biāo)參照高速動(dòng)車組控制指標(biāo)執(zhí)行。目前已運(yùn)行的市域列車多參照3s內(nèi)的車內(nèi)最大空氣壓力變化值進(jìn)行控制，即車內(nèi)3 s內(nèi)最大空氣壓力變化不超過800 Pa。

2 車內(nèi)空氣壓力保護(hù)控制方式

軌道交通列車車內(nèi)空氣壓力波動(dòng)控制方式主要有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。主動(dòng)式壓力保護(hù)：在靜壓變化相同的情況下，利用高靜壓風(fēng)機(jī)比普通風(fēng)機(jī)風(fēng)量變化小的特點(diǎn)，在抑制車外急劇變化的壓力波動(dòng)傳入車內(nèi)的同時(shí)，控制風(fēng)量變化。被動(dòng)式壓力保護(hù)：利用控制器檢測車內(nèi)外空氣壓力波動(dòng)，當(dāng)波動(dòng)值大于設(shè)定限值時(shí)，控制壓力保護(hù)閥關(guān)閉與外界相通的新風(fēng)口和廢排風(fēng)口，隔斷車內(nèi)外空氣連通，控制車外壓力波動(dòng)傳入車內(nèi)。

考慮到主動(dòng)式壓力保護(hù)方式所用的高靜壓風(fēng)機(jī)的功耗、質(zhì)量、成本等均較大，以及相對于高速動(dòng)車組，市域列車運(yùn)行速度較低的運(yùn)營特點(diǎn)，市域列車的客室空調(diào)系統(tǒng)多采用被動(dòng)式壓力保護(hù)控制方式。

3 車內(nèi)空氣壓力保護(hù)控制技術(shù)

3.1 整車氣密性控制

隧道內(nèi)最大空氣壓力變化值與列車速度的平方成正比，與阻塞比的冪指數(shù)成正比?？紤]基建成本因素，市域列車阻塞比多數(shù)大于0.2。當(dāng)列車高速通過隧道時(shí)，在列車外部會(huì)產(chǎn)生急劇變化的壓力波動(dòng)，如列車密封性較差時(shí)，車外空氣壓力波動(dòng)會(huì)通過車內(nèi)外連通通道傳入車內(nèi)，易造成乘客產(chǎn)生耳鳴等不適癥狀。

基于此，為避免車內(nèi)出現(xiàn)急劇的空氣壓力波動(dòng)，首先需要控制整車的氣密性，防止車外壓力波動(dòng)從車輛縫隙傳入車內(nèi)。鑒于市域列車阻塞比較大的特點(diǎn)，建議市域列車的運(yùn)行速度在140 km/h及以上時(shí)考慮整車氣密性設(shè)計(jì)。隨著列車運(yùn)行速度的提升，整車氣密性的要求也隨之逐漸提高。一般市域列車的運(yùn)行速度不超過160 km/h時(shí)，建議整車空氣壓力從2 600 Pa降低至1 000 Pa的時(shí)間不小于12 s；當(dāng)市域列車的運(yùn)行速度超過160 km/h時(shí)，建議整車空氣壓力從4 000 Pa降低至1 000 Pa的時(shí)間不小于50 s，即同高速動(dòng)車組的要求一致。

3.2 車內(nèi)空氣壓力保護(hù)控制方式

針對市域列車運(yùn)行線路固定的特點(diǎn)，在市域列車被動(dòng)式壓力保護(hù)系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)形式上，可采用基于車內(nèi)外壓力波動(dòng)檢測的控制技術(shù)和基于路譜的車內(nèi)壓力保護(hù)控制技術(shù)。

3.2.1 基于車內(nèi)外壓力波動(dòng)檢測的控制技術(shù)

1) 系統(tǒng)組成及工作原理?；谲噧?nèi)外壓力波動(dòng)檢測控制技術(shù)的被動(dòng)式壓力保護(hù)系統(tǒng)主要由壓力保護(hù)控制裝置和壓力保護(hù)閥組成。壓力保護(hù)控制裝置設(shè)置在頭尾車司機(jī)室或靠近司機(jī)室位置，在列車頭尾車兩側(cè)設(shè)置檢測車外壓力波動(dòng)的檢測口，通過氣管與壓力保護(hù)控制裝置連通，用于檢測車外壓力波動(dòng)。壓力保護(hù)閥采用氣動(dòng)結(jié)構(gòu)，可快速關(guān)閉，分別設(shè)置在客室空調(diào)新風(fēng)口和廢排裝置的廢排風(fēng)口處。

當(dāng)市域列車高速通過隧道或在隧道外線路交會(huì)時(shí)，利用壓力保護(hù)控制裝置檢測車內(nèi)外空氣壓力波動(dòng)。當(dāng)壓力波動(dòng)達(dá)到關(guān)閥條件時(shí)，控制壓力保護(hù)閥快速關(guān)閉與外界相通的新風(fēng)口和廢排風(fēng)口，有效抑制車外急劇變化的壓力波動(dòng)傳入車內(nèi)，提高列車運(yùn)行過程中乘客的乘坐舒適性。被動(dòng)式壓力保護(hù)系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 被動(dòng)式壓力保護(hù)系統(tǒng)工作原理Fig.1 Working principle of passive pressure protection system

2) 控制方案。壓力保護(hù)控制裝置對檢測的車內(nèi)外壓力值按車內(nèi)外壓差絕對值和壓差變化趨勢分別進(jìn)行邏輯運(yùn)算，控制壓力保護(hù)閥動(dòng)作。某一市域列車車內(nèi)壓力保護(hù)控制方案如下：

(1) 壓力保護(hù)閥關(guān)閥條件。

條件1：列車內(nèi)部和外部氣壓壓差絕對值>600 Pa，且持續(xù)50 ms。

條件2：任一50 ms內(nèi)，列車內(nèi)部和外部氣壓壓差絕對值的波動(dòng)幅值>200 Pa。

條件3：任一200 ms內(nèi)，列車內(nèi)部和外部氣壓壓差波動(dòng)幅值的絕對值>230 Pa。

(2) 壓力保護(hù)閥開閥條件。持續(xù)1 000 ms內(nèi)，列車內(nèi)部和外部氣壓壓差絕對值<350 Pa。

為避免壓力保護(hù)閥開閥時(shí)車內(nèi)壓力瞬時(shí)波動(dòng)太大，采用順序開閥邏輯，即各車壓力保護(hù)閥按照一定的時(shí)間間隔順序打開。壓力保護(hù)閥關(guān)閉后，列車客室內(nèi)無法獲得新鮮空氣，故在壓力保護(hù)閥持續(xù)關(guān)閉5 min后，強(qiáng)制打開30 s。為防止列車進(jìn)站后，壓力保護(hù)閥關(guān)閉對開門的影響，當(dāng)列車速度小于50 km/h時(shí)，強(qiáng)制打開壓力保護(hù)閥。當(dāng)列車通過密集隧道群時(shí)，可將壓力保護(hù)閥的最小打開維持時(shí)間縮短至1 s，以防止出現(xiàn)處于強(qiáng)制開閥期間的列車駛出隧道后再次高速通過隧道的情況。若此時(shí)壓力保護(hù)閥處于打開狀態(tài)，將會(huì)導(dǎo)致車內(nèi)壓力波動(dòng)過大。針對列車通過長大坡道、隧道群等工況，因海拔高度差等原因?qū)е萝噧?nèi)外壓差較大時(shí)，可增加泄壓控制模式[6]，通過較長的時(shí)間、較小的內(nèi)外氣壓壓差流通來平衡車內(nèi)外壓差。

3.2.2 基于路譜的車內(nèi)壓力保護(hù)控制技術(shù)

市域列車運(yùn)行的線路、站點(diǎn)、隧道和通風(fēng)井等建筑設(shè)施相對固定，具有相對固定的列車、線路、列車運(yùn)行特性等特點(diǎn)，因此市域列車具有其特有的、相對固定的運(yùn)行路譜?；诖颂岢隽嘶诼纷V的車內(nèi)壓力保護(hù)控制技術(shù)。

1) 系統(tǒng)組成及工作原理。基于路譜的車內(nèi)壓力保護(hù)控制技術(shù)的被動(dòng)式壓力保護(hù)系統(tǒng)主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電動(dòng)壓力保護(hù)閥，分別設(shè)置在客室空調(diào)和廢排裝置內(nèi)，由空調(diào)控制裝置控制。市域列車的運(yùn)行線路相對固定，可通過地面信號系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取列車位置或通過PIS(乘客信息系統(tǒng))獲取站點(diǎn)信息，通過對比列車當(dāng)下位置與隧道等出現(xiàn)壓力波動(dòng)較大的位置，控制壓力保護(hù)閥動(dòng)作。基于路譜的車內(nèi)壓力保護(hù)控制技術(shù)工作原理如圖2所示。

圖2 基于路譜的車內(nèi)壓力保護(hù)控制技術(shù)工作原理

2) 控制方案?？刂品桨赴▋刹糠郑孩兕A(yù)進(jìn)入壓力波動(dòng)控制區(qū)間的壓力保護(hù)閥關(guān)閉觸發(fā)邏輯；②駛離壓力波動(dòng)控制區(qū)間的壓力保護(hù)閥開啟觸發(fā)邏輯。兩者的控制邏輯均是基于列車的實(shí)際運(yùn)行位置與預(yù)存的壓力波動(dòng)區(qū)間位置進(jìn)行距離比較，進(jìn)而觸發(fā)壓力保護(hù)閥的開啟和關(guān)閉。

控制區(qū)間可根據(jù)線路條件設(shè)計(jì)事先確定，后續(xù)通過試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正。某一市域列車通過隧道時(shí)，根據(jù)車站位置信息的壓力保護(hù)閥開關(guān)位置示例如圖3所示。壓力保護(hù)控制邏輯流程圖如圖4所示。

圖3 某市域列車通過隧道時(shí)的壓力保護(hù)閥開關(guān)位置示例

圖4 某市域列車通過隧道時(shí)車內(nèi)壓力保護(hù)控制邏輯流程圖

4 現(xiàn)車測試

兩種被動(dòng)式壓力保護(hù)系統(tǒng)均已在市域列車裝車應(yīng)用?，F(xiàn)車測試時(shí)：在車內(nèi)設(shè)置空氣壓力傳感器，測試市域列車通過隧道時(shí)，車內(nèi)的壓力變化是否滿足3 s內(nèi)最大空氣壓力變化不大于800 Pa；在客室區(qū)域側(cè)墻粘貼壓力傳感器或采用手持式壓力傳感器測試車內(nèi)空氣壓力，便攜式計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集器采集壓力傳感器檢測數(shù)值，計(jì)算獲得車內(nèi)壓力變化率。

市域列車通過隧道時(shí)，基于車內(nèi)外壓力波動(dòng)檢測控制技術(shù)和基于路譜車內(nèi)壓力保護(hù)控制技術(shù)的車內(nèi)3 s內(nèi)最大空氣壓力變化測試曲線如圖5所示。市域列車通過隧道時(shí)典型的車內(nèi)外空氣壓力變化如圖6所示。

圖5 某市域列車通過隧道時(shí)車內(nèi)3 s內(nèi)最大空氣壓力變化測試曲線

圖6 某市域列車通過隧道時(shí)的車內(nèi)外空氣壓力變化

根據(jù)現(xiàn)車測試結(jié)果：采用基于車內(nèi)外壓力波動(dòng)檢測控制技術(shù)的被動(dòng)式壓力保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)市域列車以約160 km/h速度通過隧道時(shí)，車內(nèi)3 s內(nèi)的最大空氣壓力約為400 Pa；采用基于路譜車內(nèi)壓力保護(hù)控制技術(shù)的被動(dòng)式壓力保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)市域列車以約140 km/h速度通過隧道時(shí)，車內(nèi)3 s內(nèi)最大空氣壓力變化約為475 Pa。兩種壓力保護(hù)系統(tǒng)均可滿足車內(nèi)3 s內(nèi)最大空氣壓力變化不大于800 Pa的要求。

采用同樣的測試方法，在車內(nèi)設(shè)置空氣壓力傳感器，利用計(jì)算機(jī)采集處理檢測數(shù)據(jù)，對僅設(shè)置新風(fēng)電動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)閥(以下簡稱“新風(fēng)閥”)的列車進(jìn)行測試。當(dāng)列車以約120 km/h速度通過隧道時(shí)，新風(fēng)閥全開和全關(guān)工況下的空氣壓力變化測試結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)市域列車以約120 km/h速度通過隧道時(shí)，空調(diào)新風(fēng)閥全關(guān)比全開時(shí)的車內(nèi)3 s內(nèi)最大空氣壓力變化降低約10%。

圖7 新風(fēng)閥全開和全關(guān)工況下車內(nèi)3 s內(nèi)的最大空氣壓力變化

5 結(jié)語

本文對市域列車被動(dòng)式壓力保護(hù)系統(tǒng)的控制方式、工作原理及現(xiàn)車測試等方面進(jìn)行了研究，主要獲得以下結(jié)論：

1) 采用基于車內(nèi)外壓力波動(dòng)檢測控制和基于路譜車內(nèi)壓力保護(hù)控制技術(shù)的被動(dòng)式壓力保護(hù)系統(tǒng)，均可滿足市域列車車內(nèi)3 s內(nèi)最大空氣壓力變化不大于800 Pa的要求。

2) 當(dāng)列車需具備通用性以滿足不同線路運(yùn)行條件時(shí)，易采用基于車內(nèi)外壓力波動(dòng)檢測控制技術(shù)的被動(dòng)式壓力保護(hù)系統(tǒng)；當(dāng)列車運(yùn)行線路固定、不存在會(huì)車等不確定位置的工況時(shí)，可采用基于路譜車內(nèi)壓力保護(hù)控制技術(shù)的被動(dòng)式壓力保護(hù)系統(tǒng)。

3) 關(guān)閉列車空調(diào)新風(fēng)閥可適當(dāng)降低列車高速通過隧道時(shí)的車內(nèi)壓力波動(dòng)，對運(yùn)行線路固定的列車有一定的參考意義。后續(xù)可增加測試樣本，進(jìn)一步研究不同速度及不同隧道斷面下的車內(nèi)壓力變化。