市域列車車內空氣壓力波動控制技術

于曉良 王勝光

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

隨著城市規模的不斷增大，伴隨區域城市群的出現，市域列車的運行速度不斷提升，最高運營速度可達120～200 km/h，運營時間在1 h左右，運營模式為公交化運營模式。隨著市域列車運行速度的提升，當市域列車高速通過隧道或在隧道外線路交會時，車外急劇變化的壓力波動會傳入車內，造成乘客出現耳鳴等不適現象。

文獻[1]研究了時速為80 km的某A型地鐵列車通過隧道時的車內外壓力波動特性。文獻[2]研究了地鐵列車分別以時速為80 km和90 km通過隧道時的車內外壓力波動特性。文獻[3]通過仿真及深圳地鐵11號線實車測試，對車內最大空氣壓力3 s內變化不大于800 Pa進行了適應性驗證。文獻[4-5]分別研究了高速動車組主動式及被動式壓力保護控制技術。市域列車的運行速度介于高速動車組與地鐵列車之間，其隧道斷面等運行條件更傾向于地鐵。

本文針對市域列車運行速度較高且線路隧道阻塞比較大的特點，為防止列車高速通過隧道時車內空氣壓力變化較大，對市域列車被動式壓力保護控制技術進行了研究，并通過實車線路測試驗證了該技術的有效性。本研究可為市域列車車內空氣壓力波動保護提供工程經驗。

1 車內壓力波動控制指標

國內高速動車組普遍采用的車內空氣壓力波動控制指標，參照的是UIC 660—2002《保證高速列車技術兼容性的措施》和GB/T 33193.1—2016《鐵道車輛空調 第1部分：舒適度參數》的要求。標準中規定車內空氣壓力波動需同時滿足以下條件：壓力變化ΔP/Δt≤500 Pa/s，3 s內最大壓力變化≤800 Pa，10 s內的最大壓力變化≤1000 Pa，超過60 s內的最大壓力變化≤2 000 Pa。

市域列車車內空氣壓力波動控制指標參照高速動車組控制指標執行。目前已運行的市域列車多參照3s內的車內最大空氣壓力變化值進行控制，即車內3 s內最大空氣壓力變化不超過800 Pa。

2 車內空氣壓力保護控制方式

軌道交通列車車內空氣壓力波動控制方式主要有主動式和被動式兩種。主動式壓力保護：在靜壓變化相同的情況下，利用高靜壓風機比普通風機風量變化小的特點，在抑制車外急劇變化的壓力波動傳入車內的同時，控制風量變化。被動式壓力保護：利用控制器檢測車內外空氣壓力波動，當波動值大于設定限值時，控制壓力保護閥關閉與外界相通的新風口和廢排風口，隔斷車內外空氣連通，控制車外壓力波動傳入車內。

考慮到主動式壓力保護方式所用的高靜壓風機的功耗、質量、成本等均較大，以及相對于高速動車組，市域列車運行速度較低的運營特點，市域列車的客室空調系統多采用被動式壓力保護控制方式。

3 車內空氣壓力保護控制技術

3.1 整車氣密性控制

隧道內最大空氣壓力變化值與列車速度的平方成正比，與阻塞比的冪指數成正比。考慮基建成本因素，市域列車阻塞比多數大于0.2。當列車高速通過隧道時，在列車外部會產生急劇變化的壓力波動，如列車密封性較差時，車外空氣壓力波動會通過車內外連通通道傳入車內，易造成乘客產生耳鳴等不適癥狀。

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

3.2 車內空氣壓力保護控制方式

針對市域列車運行線路固定的特點，在市域列車被動式壓力保護系統具體實現形式上，可采用基于車內外壓力波動檢測的控制技術和基于路譜的車內壓力保護控制技術。

3.2.1 基于車內外壓力波動檢測的控制技術

1) 系統組成及工作原理。基于車內外壓力波動檢測控制技術的被動式壓力保護系統主要由壓力保護控制裝置和壓力保護閥組成。壓力保護控制裝置設置在頭尾車司機室或靠近司機室位置，在列車頭尾車兩側設置檢測車外壓力波動的檢測口，通過氣管與壓力保護控制裝置連通，用于檢測車外壓力波動。壓力保護閥采用氣動結構，可快速關閉，分別設置在客室空調新風口和廢排裝置的廢排風口處。

當市域列車高速通過隧道或在隧道外線路交會時，利用壓力保護控制裝置檢測車內外空氣壓力波動。當壓力波動達到關閥條件時，控制壓力保護閥快速關閉與外界相通的新風口和廢排風口，有效抑制車外急劇變化的壓力波動傳入車內，提高列車運行過程中乘客的乘坐舒適性。被動式壓力保護系統工作原理如圖1所示。

圖1 被動式壓力保護系統工作原理Fig.1 Working principle of passive pressure protection system

2) 控制方案。壓力保護控制裝置對檢測的車內外壓力值按車內外壓差絕對值和壓差變化趨勢分別進行邏輯運算，控制壓力保護閥動作。某一市域列車車內壓力保護控制方案如下：

(1) 壓力保護閥關閥條件。

條件1：列車內部和外部氣壓壓差絕對值>600 Pa，且持續50 ms。

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

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

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

為避免壓力保護閥開閥時車內壓力瞬時波動太大，采用順序開閥邏輯，即各車壓力保護閥按照一定的時間間隔順序打開。壓力保護閥關閉后，列車客室內無法獲得新鮮空氣，故在壓力保護閥持續關閉5 min后，強制打開30 s。為防止列車進站后，壓力保護閥關閉對開門的影響，當列車速度小于50 km/h時，強制打開壓力保護閥。當列車通過密集隧道群時，可將壓力保護閥的最小打開維持時間縮短至1 s，以防止出現處于強制開閥期間的列車駛出隧道后再次高速通過隧道的情況。若此時壓力保護閥處于打開狀態，將會導致車內壓力波動過大。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導致車內外壓差較大時，可增加泄壓控制模式[6]，通過較長的時間、較小的內外氣壓壓差流通來平衡車內外壓差。

3.2.2 基于路譜的車內壓力保護控制技術

市域列車運行的線路、站點、隧道和通風井等建筑設施相對固定，具有相對固定的列車、線路、列車運行特性等特點，因此市域列車具有其特有的、相對固定的運行路譜。基于此提出了基于路譜的車內壓力保護控制技術。

1) 系統組成及工作原理。基于路譜的車內壓力保護控制技術的被動式壓力保護系統主要執行機構為電動壓力保護閥，分別設置在客室空調和廢排裝置內，由空調控制裝置控制。市域列車的運行線路相對固定，可通過地面信號系統實時獲取列車位置或通過PIS(乘客信息系統)獲取站點信息，通過對比列車當下位置與隧道等出現壓力波動較大的位置，控制壓力保護閥動作。基于路譜的車內壓力保護控制技術工作原理如圖2所示。

圖2 基于路譜的車內壓力保護控制技術工作原理

2) 控制方案。控制方案包括兩部分：①預進入壓力波動控制區間的壓力保護閥關閉觸發邏輯；②駛離壓力波動控制區間的壓力保護閥開啟觸發邏輯。兩者的控制邏輯均是基于列車的實際運行位置與預存的壓力波動區間位置進行距離比較，進而觸發壓力保護閥的開啟和關閉。

控制區間可根據線路條件設計事先確定，后續通過試驗結果進行修正。某一市域列車通過隧道時，根據車站位置信息的壓力保護閥開關位置示例如圖3所示。壓力保護控制邏輯流程圖如圖4所示。

圖3 某市域列車通過隧道時的壓力保護閥開關位置示例

圖4 某市域列車通過隧道時車內壓力保護控制邏輯流程圖

4 現車測試

兩種被動式壓力保護系統均已在市域列車裝車應用。現車測試時：在車內設置空氣壓力傳感器，測試市域列車通過隧道時，車內的壓力變化是否滿足3 s內最大空氣壓力變化不大于800 Pa；在客室區域側墻粘貼壓力傳感器或采用手持式壓力傳感器測試車內空氣壓力，便攜式計算機通過數據采集器采集壓力傳感器檢測數值，計算獲得車內壓力變化率。

市域列車通過隧道時，基于車內外壓力波動檢測控制技術和基于路譜車內壓力保護控制技術的車內3 s內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典型的車內外空氣壓力變化如圖6所示。

圖5 某市域列車通過隧道時車內3 s內最大空氣壓力變化測試曲線

圖6 某市域列車通過隧道時的車內外空氣壓力變化

根據現車測試結果：采用基于車內外壓力波動檢測控制技術的被動式壓力保護系統，當市域列車以約160 km/h速度通過隧道時，車內3 s內的最大空氣壓力約為400 Pa；采用基于路譜車內壓力保護控制技術的被動式壓力保護系統，當市域列車以約140 km/h速度通過隧道時，車內3 s內最大空氣壓力變化約為475 Pa。兩種壓力保護系統均可滿足車內3 s內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，在車內設置空氣壓力傳感器，利用計算機采集處理檢測數據，對僅設置新風電動調節風閥(以下簡稱“新風閥”)的列車進行測試。當列車以約120 km/h速度通過隧道時，新風閥全開和全關工況下的空氣壓力變化測試結果如圖7所示。由圖7可知，當市域列車以約120 km/h速度通過隧道時，空調新風閥全關比全開時的車內3 s內最大空氣壓力變化降低約10%。

圖7 新風閥全開和全關工況下車內3 s內的最大空氣壓力變化

5 結語

本文對市域列車被動式壓力保護系統的控制方式、工作原理及現車測試等方面進行了研究，主要獲得以下結論：

1) 采用基于車內外壓力波動檢測控制和基于路譜車內壓力保護控制技術的被動式壓力保護系統，均可滿足市域列車車內3 s內最大空氣壓力變化不大于800 Pa的要求。

2) 當列車需具備通用性以滿足不同線路運行條件時，易采用基于車內外壓力波動檢測控制技術的被動式壓力保護系統；當列車運行線路固定、不存在會車等不確定位置的工況時，可采用基于路譜車內壓力保護控制技術的被動式壓力保護系統。

3) 關閉列車空調新風閥可適當降低列車高速通過隧道時的車內壓力波動，對運行線路固定的列車有一定的參考意義。后續可增加測試樣本，進一步研究不同速度及不同隧道斷面下的車內壓力變化。