CRH3A型城際動車組動模型試驗研究

邢海英，李國良，劉青波，許鵬

(中國北車集團 長春軌道客車股份有限公司 技術中心，吉林 長春 130062)*

0 引言

中國鐵路已經進入高鐵時代，在線運營的動車組最高時速達350 km/h，隨著列車速度的不斷提高，列車運行阻力急劇增加，能耗過大，同時由于我國既有干線存在著線間距小、車況差等與國外不同的情況，列車提速出現了因負壓過大將道渣吸起來砸壞列車設備，列車尾流影將周圍物體的卷起，將交會列車車窗吸出來，震碎車窗玻璃等危及行車安全事件;還出現空調無新風進入，粉塵及雜物吸入車內的降低旅客舒適度，以及影響列車周圍環境等一系列列車空氣動力學問題，所以列車空氣動力學性能的研究已成為列車提速的重中之重［1］;國內外鐵路以改善列車空氣空力學性能為基點，用各種方法從各個方面對其進行研究，并將研究成果應用在高速列車車頭的研制上［2］.

高速動車組受空氣動力學影響顯著，空氣動力學除了空氣阻力、表面壓力等常規項點外，動模型試驗也是一項重要內容，動模型試驗主要驗證動車組明線交會、隧道交會過程中，對兩列城際動車組等速度和不等速度明線交會壓力波特性［3］，以及城際動車組穿越隧道和隧道內交會過程中的列車表面與隧道表面壓力波傳播規律、隧道洞口微氣壓波進行測試分析，為城際動車組的設計和運營提供科學依據［4］.

1 試驗裝置

中南大學是我國開展動車組動模型試驗較早的單位，中南大學軌道交通安全教育部重點實驗室自主研制了模型比例與速度處于國際領先水平的高速列車氣動特性動模型試驗系統，根據流動相似原理，通過彈射方式使模型列車在模型線路上無動力高速運行(即動模型)，真實再現高速列車交會與過隧道等空氣三維非定常非對稱流動現象，能夠模擬兩交會列車之間和列車與周圍環境(地面、隧道、道旁建筑等)之間的相對運動，真實地反映地面效應.目前，世界上同類型的動模型試驗系統還有另外一套建造于英國(動模型試驗設備見圖1)，兩者的主要區別為中南大學的動模型試驗線長度為164 m，比英國的試驗線長32 m;最大模型比例為1∶16，而英國的最大模型比例為1∶25;中南大學的動模型試驗速度可達350 km/h，而英國的只有 200 km/h［5］.

動模型試驗系統由試驗臺、動力系統、加速系統、控制系統、測試系統、制動系統、數據處理系統和試驗模型構成.

(1)試驗臺 試驗臺分上下兩層，上層為動模型動車組運行試驗線，下層為動力傳遞小車運行軌道.試驗線為復線，鋪設在軌道基礎中部.試驗線全長164 m，分為三段:發射段，試驗段和減速段.在試驗段上可安裝各類隧道模型，用于動車組交會和動車組過隧道試驗，如圖2(a)所示;試驗用模型動車組由2～3節車組成，縮比為1∶16～1∶25.2，如圖2(b)所示，以適應不同線間距試驗的需要.

圖2 動模型試驗試驗臺及模型車

(2)加速系統 為了實現動模型動車組的高速度，自主研制了二級動滑輪增速機構的加速系統，能使模型動車組從靜止加速到500 km/h.

(3)控制系統 控制系統能可靠地控制動模型試驗的整個運動過程，即控制彈射力加載(通過對彈射力進行檢測，返回信號到控制系統)、安全預警、單端發射、單端車載系統與地面系統同步采樣、雙端同步發射、兩交會動車組的車載系統和地面系統同步采樣等，以確保在試驗時獲得時間和空間上一致的試驗數據.可控彈射速度0～500 km/h.

(4)測試系統 由車載測試系統和地面測試系統兩大部分組成.兩個獨立的子系統在控制系統的同步控制信號作用下協調工作，完成試驗過程各參量的動態測量、數據采集及預處理.

車載測試系統:用于實時測量、采集、存儲、傳輸動車組交會空氣壓力波、動車組表面壓力分布、模型動車組運行速度等有關信息.由固化在一起的軟件和硬件組成，軟件包括實時采集、預處理、聯機通訊與調試軟件，硬件包括數據采集主板、傳感器和適配器、串行通訊接口.

地面測試系統:用于實時測量試驗段出入口的模型動車組運行速度、動車組過隧道時隧道內的空氣壓力變化以及環境參數等.包括瞬態壓力傳感器、低通濾波放大器、數據采集與分析系統.

(5)制動系統 由于動模型動車組內裝有車載測試系統，若用電磁制動或渦流制動，為防止制動系統對車載測試系統產生電磁干擾，需要采取有效的抗干擾措施，但這樣作將大大增加車載系統的質量，并且使測控系統變得極為復雜，因此，動模型試驗裝置采用機械制動方式.模型車在整個制動段的平均沖擊力很大，如果制動措施不當，沖擊力將急劇增加，為避免制動時動模型動車組沖擊力和減速度過大，損壞車載測試系統和動模型動車組，在試驗線制動段采用分級逐步減速停車，通過摩擦制動、活塞制動及其后的制動盤制動，使高速運行的模型動車組能在從500 km/h減速到最終停車.

2 動模型試驗

2.1 試驗內容

動模型試驗研究主要包括明線列車風、明線交會、單車過隧道、隧道內交會等工況的測試和分析.

(1)明線運行 明線運行各速度下，距軌道中心3.0 m，軌面上方0.2、1.44 m 處列車風風速;

(2)明線交會 動車組交會壓力波特性測試分析;

(3)單車過單線隧道 動車組表面壓力波傳播規律測試;動車組表面壓力變化分析;隧道表面壓力壓力變化分析;隧道洞口微氣壓波測試分析;

(4)單車過雙線隧道 動車組表面壓力變化分析;隧道表面壓力壓力變化分析;隧道洞口微氣壓波測試分析;

(5)隧道內交會 動車組表面壓力波傳播規律測試;動車組表面壓力變化分析;隧道表面壓力壓力變化分析;

2.2 試驗工況

根據試驗內容與要求，動模型試驗工況如表1、表2所示，其中明線運行列車風工況(模型比例為1∶16.8)及單車過隧道工況(隧道斷面為59 m2和線間距為42 m、隧道斷面為80m2)均適用于表1;明線交會工況(線間距為4.2 m，模型比例為1∶16.8)及隧道交會工況(線間距4.2 m，隧道斷面為80 m2)適用于表2.

表1 城際動車組明線運行、單車過隧道工況

表2 城際動車組明線、隧道交會工況

2.3 模型實際布置情況

動模型試驗中，隧道模型與動車組模型的實際布置情況以及各種結構的模型見圖3所示，在軌道和隧道模型設計時，嚴格控制模型阻塞比(動車組橫截面和隧道凈空面積比)和實際動車組過隧道的阻塞比相等.

圖3 隧道斷面尺寸分布圖

2.4 模型測壓點布置

圖4為隧道壁面上的測壓點布置示意圖，試驗中在隧道壁面上共布置有23個測點，圖中可見的(即距隧道右端口進入的單動車組壁面較近的)隧道壁面測點數為15個，另一側壁面的測點數為2個;另外，在出隧道口對應沒縮比前10、20和30 m的位置分別布置了3個測點，用于檢測隧道出口處的微氣壓波.

圖4 隧道模型測壓點布置示意圖

動車組模型測點布置如圖5所示:

T1～T16為動車組頭車測點，其中:T1為頭車鼻尖測點;T3為頭車曲線部分頂部測點，T11為頭車直線段頂部測點;交會側測點:T2、T4、T7、T12、T14、T15、T16;靠近隧道壁測點:T5、T6、T8、T9、T10、T13.

Z1～Z13為動車組中間車測點，其中Z6為頂部測點;交會側測點:Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z7、Z8 靠近隧道壁測點:Z9、Z10、Z11、Z12、Z13.

W1～W16為動車組尾車測點，其中:W3為頭車曲線部分頂部測點，W11為頭車直線段頂部測點，交會側測點:W2、W4、W7、W12、W14、W15、W16，靠近隧道壁測點:W5、W6、W8、W9、W10、W13.

圖5 動模型試驗布點圖

3 結果與分析

3.1 明線交會結果分析

(1)動車組交會壓力波頭波先出現正波，然后迅速變成負波，頭波的正、負峰值在另一交會動車組頭部鼻尖到達時產生;尾波則先負波后正波，尾波的負、正峰值在另一交會動車組尾車鼻尖點到達時產生;

(2)動車組最大交會壓力波幅值如表3所示;

(3)動車組明線交會時，交會側測點交會壓力波幅值遠大于非交會側測點，且非交會側受另一交會動車組影響小，交會壓力波波形沒有交會側測點明顯;

表3 最大交會壓力波幅值

(4)比較不同交會速度下，相同測點的壓力波幅值，可以發現速度對交會壓力波的幅值影響非常大，交會速度越大，測點交會壓力波的幅值越大.對于不等速交會，交會車的速度對測點交會壓力波幅值影響比較大，但是，測試車本身的速度變化對測點交會壓力波幅值影響比較小.

3.2 單車過59 m2單線隧道結果分析

(1)動車組表面鼻尖點位置處測點1壓力正壓峰值最大，幅值亦最大;其它測點幅值相對要小一些;

(2)由于單線隧道軌道位于隧道中心，流場具有較好的對稱性，動車組表面兩側對稱測點壓力變化相差比較小;

(3)隨著動車組運行速度的提高，動車組表面測點、隧道表面壓力變化峰值增大，各速度下，最大壓力變化幅值如表4所示.

表4 最大壓力變化幅值(59 m2)

(4)微氣壓波幅值基本和距隧道出口距離成反比，200 km/h通過隧道時，離隧道出口10 m和20 m處的微氣壓波幅值為24.2 Pa和10.4 Pa.

3.3 單車過80 m2雙線隧道結果分析

(1)動車組表面鼻尖點位置處測點壓力變化幅值亦最大;其它測點幅值相對要小一些;

表5 最大壓力變化幅值(80 m2)

(2)隨著動車組運行速度的提高，動車組表面測點、隧道表面壓力變化峰值增大，各速度下，最大壓力變化幅值如表5所示;

(3)微氣壓波幅值基本和距隧道出口距離成反比，200 km/h通過隧道時，離隧道出口10 m和20 m處的微氣壓波幅值為18.8 Pa和8.8 Pa.

3.4 動車組80 m2隧道內交會結果分析

(1)動車組表面鼻尖點位置處測點壓力變化幅值亦最大;其它測點幅值相對要小一些;

(2)各速度下，動車組表面測點、隧道表面最大壓力變化幅值如表6所示.

表6 最大壓力變化幅值

［1］Sockes H.The aerodynamics of trains［M］.New York:［s.n.］:2005.

［2］張經強，梁習鋒.高速列車外形的氣動性能數值計算和頭部外形的改進［J］.計算力學學報，2003，20(5):631-635.

［3］田紅旗，粱習鋒，許平.列車空氣動力性能研究及外形、結構設計方法［M］.北京:中國鐵道科學，2002.

［4］余南陽，梅元貴.高速鐵路隧道壓力波動主要影響參數研究［M］.北京:中國鐵道科學，2003.

［5］董錫明.現代高速列車技術［M］.北京:中國鐵道出版社，2006.