高速動車組隧道運行車體和設備艙壓力研究

杜秋男

摘要：高速動車組進入隧道運行，動車組前方會形成壓縮波和膨脹波，導致動車組的車體和車下設備艙受到比明線運行更大更復雜的壓力負載，影響高速動車組運行的安全性和穩定性。高速動車組的車體和車下設備艙結構設計，需要預知高速動車組進入隧道運行工況下車體和設備艙的最大壓力負載。本文基于350km/h高速動車組3輛編組簡化三維計算模型，仿真計算350km/h高速動車組進入隧道運行工況，高速動車組車體和車下設備艙外表面的壓力分布。研究350km/h高速動車組進入隧道運行工況，高速動車組車體和車下設備艙外表面的壓力變化和最大壓力負載。研究結論為：350km/h高速動車組進入隧道運行，車頭前端外表面最大壓力為7567Pa，設備艙前端板外表面最大壓力為-5569.4Pa，設備艙裙板外表面最大壓力為-5690.1Pa，設備艙底板外表面最大壓力為-6590.7Pa。

Abstract： When high-speed EMU runs into tunnels， the front of the EMU will have pressure wave and expansion wave， which make the carbody and the underframe equipment compartment facing bigger and more complex pressure load than open line， and this will have impact on the safety and stability of the running of high-speed EMU. The structural design of the carbody and underframe equipment compartment should consider the max pressure load generated by the EMU running in tunnel. This paper is based on the simplified 3D calculation model of the 3-car high-speed EMU of 350km/h， to do the simulating calculation of the pressure distribution on the surface of the carbody and underframe equipment compartment of the 350km/h high-speed EMU running in tunnel. This paper researches the changes of the pressure and the max pressure load on the carbody and underframe equipment compartment of 350km/h high-speed EMU running in tunnel.The conclusion of the research is： When the 350km/h high-speed EMU is running in tunnel， the max pressure on the head of the 3-car calculation model is 7567Pa， and the max pressure on the outer surface of the front cover the underframe equipment compartment is -5569.4Pa， and the max pressure on the outer surface of the side cover of the underframe equipment compartment is -5690.1Pa， and the max pressure on the outer surface of the under cover of the underframe equipment compartment is -6590.7Pa.

關鍵詞：動車組;隧道;設備艙;壓力

Key words： EMU;tunnel;equipment compartment;pressure

0 ?引言

我國是多山國家，修建高鐵大多數線路需要修建隧道。高速動車組進入隧道運行，動車組前方會形成壓縮波和膨脹波，導致動車組的車體和車下設備艙受到比明線運行更大更復雜的壓力負載，影響高速動車組運行的安全性和穩定性[1]。高速動車組的車體和車下設備艙結構設計和相關計算分析需要預知高速動車組隧道運行工況車體和設備艙的最大壓力負載。

本文基于350km/h高速動車組3輛編組簡化三維計算模型，仿真計算350km/h高速動車組進入隧道運行工況，高速動車組車體和車下設備艙外表面的壓力分布[2-4]。研究高速動車組車體和車下設備艙的外表面壓力變化和最大壓力負載，為350km/h高速動車組的相關設計和計算分析提供參考。

1 ?高速動車組計算模型和簡化描述

高速動車組車輛模型采用350km/h高寒高速動車組三維模型，為減少計算工作量，本文計算將原型車8輛編組簡化為頭車、中間車和尾車3輛編組。

①高速動車組計算模型如圖1所示。

②350km/h高速動車組車下設備艙罩板結構如圖2所示。車下設備艙的罩板按照安裝位置分為前端板、裙板、底板和后端板。裙板上設格柵。

2 ?仿真計算總體方案和主要工況參數

高速動車組隧道運行仿真計算總體布置方案如圖3所示。

主要參數：①隧道前區域長為150m，寬為116m，高為110m。②隧道形式為單洞雙線。③隧道斷面面積100m2，線間距5m，長度300m。④高速動車組車頭距離隧道37m。⑤高速動車組運行速度為350km/h。⑥高速動車組運行線路為直線。

3 ?計算軟件和網格劃分

計算軟件采用大型熱流計算軟件SC/Tetra。

網格劃分方案如圖4和圖5所示。

4 ?仿真計算結果分析

4.1 高速動車組隧道運行車體表面壓力計算分析

動車組進入隧道運行頭車車體壓力分布如圖6-圖9所示。

車頭前端外表面壓力見表1。

高速動車組進入隧道，頭車車頭前端外表面逐漸升高，運行1.15s時，壓力達到最大值7567Pa，之后車頭壓力逐漸下降，運行2.2s時車頭前端壓力下降為隧道運行壓力最小值3238.7Pa。

4.2 車下設備艙前端板壓力計算分析

動車組進入隧道運行各車設備艙前端板外表面壓力見表2。

高速動車組進入隧道運行，各車設備艙前端板外表面壓力不斷變化不斷增大，運行2.2s時動車組各車設備艙前端板外表面壓力均出現最大峰值。頭車設備艙前端板外表面壓力最大，壓力峰值為-5569.4Pa，壓力分布如圖10所示。

4.3 車下設備艙裙板壓力計算分析

動車組進入隧道運行各車設備艙裙板外表面壓力見表3。

高速動車組進入隧道運行，各車設備艙裙板外表面壓力不斷變化不斷增大，2.2s時動車組各車設備艙裙板外表面壓力均出現最大峰值。頭車設備艙裙板外表面壓力最大，壓力峰值為-5690.1Pa，壓力分布如圖11所示。

4.4 頭車設備艙裙板格柵壓力計算分析

動車組進入隧道運行，各車均選取設備艙裙板前部2個格柵作計算分析。各車設備艙裙板格柵1外表面壓力見表4。各車設備艙裙板格柵2外表面壓力見表5。

高速動車組進入隧道運行，各車設備艙裙板前部2個裙板格柵外表面壓力不斷變化，2.2s時動車組各車設備艙前部2個裙板格柵外表面壓力均出現最大負壓峰值。

4.5 車下設備艙底板壓力計算分析

動車組進入隧道運行各車設備艙底板外表面壓力見表6。

高速動車組進入隧道，車下設備艙底板壓力逐漸增大，運行2.2s時，動車組各車設備艙底板外表面壓力均出現最大峰值。頭車設備艙底板外表面壓力最大，峰值為-6590.7Pa。壓力分布如圖12所示。

5 ?結論

基于350km/h高速動車組3輛編組簡化模型，模擬高速動車組進入隧道運行工況，對動車組的表面壓力進行仿真計算分析，主要有如下結論：

①高速動車組進入隧道，頭車車頭前端外表面逐漸升高，運行1.15s時，壓力達到最大值7567Pa，之后車頭壓力逐漸下降，運行2.2s時車頭前端壓力下降為隧道運行壓力最小值3238.7Pa。②高速動車組進入隧道，車下設備艙前端板壓力逐漸增大，運行2.2s時，動車組各車設備艙前端板外表面壓力均出現最大峰值。頭車設備艙前端板外表面壓力最大，壓力峰值為-5569.4Pa。③高速動車組進入隧道，車下設備艙裙板壓力逐漸增大，運行2.2s時，動車組各車設備艙裙板外表面壓力均出現最大峰值。頭車設備艙裙板外表面壓力最大，壓力峰值為-5690.1Pa。④高速動車組進入隧道，車下設備艙底板壓力逐漸增大，運行2.2s時，動車組各車設備艙底板外表面壓力均出現最大峰值。頭車設備艙底板外表面壓力最大，壓力峰值為-6590.7Pa。

參考文獻：

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