運行中地鐵列車的車內外壓力變化特性研究

張寅河 杜俊濤 熊小慧

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司,266111,青島;2.中南大學軌道交通安全教育部重點實驗室,410075,長沙//第一作者,工程師)

運行中地鐵列車的車內外壓力變化特性研究

張寅河1杜俊濤1熊小慧2

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司,266111,青島;2.中南大學軌道交通安全教育部重點實驗室,410075,長沙//第一作者,工程師)

通過對我國某型地鐵列車進行隧道空氣動力學實車線路試驗,得到地鐵列車實際運行過程中車內、外壓力變化規律。試驗結果表明:該型地鐵列車車內壓力變化滿足我國地鐵設計規范舒適度評價標準及美國地鐵人體舒適度評價標準。地鐵列車運行過程中,最長隧道區間的車內、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行中,車內1.0 s、1.7 s、3.0 s時的壓力變化幅值和車外各測點壓力變化幅值均不相同,車體表面測點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; 車內外壓力

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,明顯高于山區鐵路隧道的阻塞比,因此城市軌道交通的隧道空氣動力學效應問題開始凸現出來。

近年來,國內外學者對城市軌道交通的隧道空氣動力學進行了許多研究[1-7],但大部分集中在模型試驗和數值模擬方面,關于實車試驗非常少。我國面臨城市軌道交通和市域鐵路發展的新趨勢,仍有許多隧道空氣動力學問題亟待解決。

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

表1 國內外車輛內壓力變化參考值

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

1 試驗概況

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

圖1 試驗線路示意圖

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

(3) 試驗測點布置:分別布置在列車車廂內部和車體表面。車廂內部測點主要布置在駕駛室和車體中部位置,車體表面測點則布置在和車廂內部測點相對應的位置。

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

圖2 壓力測試系統示意圖

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

2 試驗結果及分析

通過實車試驗,得到了地鐵列車在不同隧道、不同速度和不同運行模式下車內、外壓力變化規律。

2.1 試驗重復性分析

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

圖3 車內典型壓力測點壓力波形圖

2.2 不同隧道對車內、外壓力變化的影響

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

2.3 列車運行速度及模式對車內、外壓力變化的影響

當列車以不同的運行模式和速度通過試驗線各隧道時,車內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3至站點4區間過程中,列車車內、外不同位置測點的壓力變化幅值ΔP。

表2 列車通過不同隧道區間時車內、外壓力變化情況 Pa

圖4 不同速度情況下車內不同位置測點的壓力變化幅值

圖5 不同速度情況下車外不同位置測點的壓力變化幅值

從圖4和圖5可以看出:車內1.0 s、1.7 s、3.0 s時的壓力變化幅值和車外各測點壓力變化幅值同列車運行速度和模式的關系為: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3至站點4區間時,車、內外壓力變化曲線。從圖6可以看出,列車以ATO模式通過站點3至站點4區間時,同一時刻車內、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、外壓力變化曲線

試驗結果表明:當列車以不同速度和模式在隧道內運行通過站點3至站點4區間時,車內、外壓差最大值與列車運行速度和模式的關系為: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 結論

(1) 當地鐵列車以ATO模式、70 km/h (ATP)、65 km/h (ATP)和60 km/h (ATP)通過試驗線路沿線各隧道時,車內3.0 s時的最大壓力變化幅值均遠小于我國高速列車舒適性評價標準(3.0 s時車內壓力變化幅值為800 Pa);車內1.7 s時的最大壓力變化幅值均小于我國地鐵設計規范舒適度評價標準及美國地鐵列車車內壓力變化標準(1.7 s時車內壓力變化幅值為700 Pa),滿足人體舒適性標準要求。

(2) 由車頭至車尾方向,列車車體表面測點壓力有逐漸減小的趨勢。

(3) 地鐵列車在區間運行過程中,同一時刻,車內、外壓力相差不大。

[1] MARTA L G,MONICA G V,JESUS M F,et al.Numerical modeling of the piston effect in longitudinal ventilation systems for subway tunnels[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2014,(40):22.

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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)