地鐵列車內空氣循環狀態對客室壓力及開關門過程影響的試驗研究

王岳宸,夏春晶,蓋 杰,孫 健,余以正

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心,吉林 長春 130062)

近年來,隨著地鐵線路的建設與發展,城市軌道交通已成為滿足城市居民市內出行需求的核心支柱之一,在實現了簡便、快捷、大載客量等基本目標后,當下對城市軌道交通的安全性與乘客舒適性提出了更高的要求。地鐵列車車門能否正常開閉是影響列車安全性的重要因素之一,而在隧道壓力波、隧道活塞風、車輛氣密性和客室內空氣循環狀態等多重因素綜合影響下,車內壓力會產生波動性變化,在車門處產生壓差妨礙車門開閉,存在安全隱患[1],在乘客耳中產生耳壓造成強烈不適感[2]。張春忠等[3]研究了基于氣動阻力導致的關門阻力過大問題,關門時的氣阻效應會導致車內壓力瞬間增大,影響乘客舒適性。LIU T 等[4]通過開展車內外壓力測試研究了車內壓力波動對乘客舒適性的影響,分析了隧道長度、車型和車速對車內壓力變化的影響規律,指出較大壓力波動值是評價耳感不適的一個主要參數。梅元貴[5]等和樸榮煥[6]基于一維無粘等熵理論構建了隧道內壓力變化一維模型,與試驗測試結果吻合良好,并研究了降低列車壓力波和隧道阻力的優化方法。曹艷華等[7]闡述了列車空調系統壓力保護裝置抑制車內壓力波動的原理,強調了客室內空氣循環狀態對車內壓力變化率影響的重要性。

盡管目前許多學者就隧道結構、阻塞比、列車頭型、車速等因素對客室內壓力波動開展了詳細的研究,但關于列車內空氣循環狀態這一重要因素對客室內壓力波動和車門開閉安全性影響的研究尚少。因此,本文通過地鐵隧道線路測試試驗的方法,開展了列車內空氣循環狀態對客室壓力及開關門過程影響的研究。

1 線路實測試驗

本文在某市地鐵全線路及庫內分別進行了動態和靜態試驗。該車輛為8輛編組,最大運行速度為120 km/h,每節車廂搭載1臺變頻空調機組和一套新風系統。每臺空調機組包含4臺壓縮機,當客室溫度高于設定溫度時,4臺壓縮機會全部啟動,快速調節溫度。新風系統主要包含新風和廢排兩個氣路,分別負責引導室外空氣進入車內和向室外排出車內空氣,新風閥門和廢排閥門開度可以調節。新風系統開啟時客室空氣為外循環,新風系統關閉后客室內空氣為內循環。試驗開始前列車處于整備狀態,所有涉及客室內空氣循環的進排氣設備均處于正常工作狀態,車窗保持關閉。

采用Kulite絕壓傳感器和配套IMC 數采模塊測量列車內外壓力,采樣頻率為200 Hz。本次試驗共布置了6個測點,4個測點布置在8車,2個測點布置在7車,a1、a2、a5測點布置于車內,距客室地面1.1 m,a3、a4、a6測點布置在與之對應的車外側墻上,具體測點位置及安裝方式如圖1所示。

圖1 壓力測點布置圖

具體測試工況如下:

(1) 庫內靜態試驗。分別對客室空氣降溫內循環、降溫外循環、降溫內循環急開門和關門等過程進行車內壓力測試,降溫范圍為23℃降至19℃,排除隧道內干擾因素,試驗研究各空氣循環過程對客室內壓力變化影響。

(2) 線路動態試驗。分別對客室空氣降溫內循環、降溫外循環、恒溫內循環、恒溫外循環和開關門等過程進行車內外壓力測試,降溫范圍為23℃降至19℃,綜合考慮隧道運行特點,試驗研究各空氣循環過程對客室內外壓差變化的影響。

2 試驗結果

2.1 靜態試驗

在庫內車輛靜止狀態下,研究了新風系統不同狀態下降溫循環對客室內壓力變化的影響,以及開關門過程客室內壓力變化。在新風系統正常運行狀態下進行空氣降溫循環,空調機組的4臺壓縮機滿功率運行,試驗結果如圖2所示,降溫過程持續約5 min,客室內壓力緩慢降低約25 Pa。在客室內溫度穩定后,關閉新風系統,新風閥門和廢排閥門關閉,客室內空氣循環由外循環變成內循環,循環狀態的改變會對客室內壓力產生擾動,如圖3所示,在經過約半分鐘后,客室內壓力達到新的平衡,壓力提高約63 Pa,新風系統狀態單獨改變對客室內壓力影響較小。在新風系統關閉狀態下進行空氣降溫循環,客室內壓力變化如圖4所示,壓力快速下降,在約45 s的時間里下降了約877 Pa,隨后執行了一次開門動作,在車內外壓差阻力作用下車門開啟較為遲緩,客室內壓力驟然上升至與車外環境壓力一致,客室內人員耳壓驟增,引起強烈的耳部不適感。車門關閉過程客室內壓力變化如圖5所示,車門克服氣阻效應所消耗的關門能量通常占整個關門能量的30%～50%[3],車門關閉夾緊鎖閉過程將外界空氣帶入車內,進入車內的氣流難以在短時間內排出車外,導致關門瞬間車內壓力增大約70 Pa。

圖2 新風系統正常狀態降溫循環客室壓力變化

圖3 新風系統關閉后客室壓力變化

圖4 新風系統關閉狀態降溫循環客室壓力變化

圖5 車門關閉過程客室壓力變化

通過靜態試驗可以看出,當新風系統關閉時,列車內形成較為密閉的空間,此時溫度的快速改變將引起客室內壓力的較大變化,形成很大的開門阻力甚至導致車門無法打開。研究表明當壓力值超過400～670 Pa時,鼓膜產生脹感[8],目前我國用于判定車內司乘人員舒適性的主要標準值為500 Pa/s、800 Pa/3 s。試驗結果表明,地鐵列車在經歷了空氣降溫內循環銜接緊急開門過程中,客室內壓力快速下降877 Pa,隨后驟升與外界環境壓力平衡,客室內壓力變化率達877 Pa/s,遠大于舒適性指標,不僅嚴重影響乘客的乘車舒適感,還可能對人耳產生損傷。

2.2 動態試驗

定義車內壓力小于車外時的車內外壓差為正值,由于線路完全對稱,上行時8車為頭車代表頭車試驗結果,下行時8車代表尾車試驗結果,線路動態試驗結果如表1、表2所示。圖6為下行一站地新風開恒溫循環車內外壓力變化。結合圖6能夠看出,在新風系統開啟的狀態下,車門關閉過程中由于氣阻作用和新風系統作用,客室內壓力階躍式升高80～144 Pa(不同車站的結果),形成了關門阻力;車門開啟時由于連通效應車內外壓差階躍式歸零,此過程中無論在頭車還是尾車車內外壓差都是微負壓,不會形成開門阻力。列車在駛出站臺和駛入站臺的加減速過程中車內壓力變化受慣性作用主導,其余時間由于列車不是完全密閉的原因,車內壓力變化受車外壓力變化主導。

表1 8車測點開門時刻車內外壓差 Pa

表2 7車測點開門時刻車內外壓差 Pa

圖6 下行一站地新風開恒溫循環車內外壓力變化

在新風系統關閉后,列車氣密性得到提升,在慣性作用主導的加減速場景下,車內的壓力脈動無法快速傳遞到車外,在車內形成了壓力震蕩,如圖7所示。在恒溫循環工況下,這會導致開門時刻前車內外壓差在一個范圍內波動,在尾車能維持為正值,在頭車取決于開門時機,可能是正值也可能是負值。但此時的壓差值較小,即使為正值也不會妨礙車門正常打開。

圖7 下行一站地新風關恒溫循環車內外壓力變化

在新風系統關閉、車內執行降溫循環的工況下,受快速降溫影響客室內壓力持續下降,甚至出現與車外壓力變化趨勢相反的情況,如圖8所示。這表明溫度變化對客室內壓力的影響強于車外壓力變化,在這一過程中快速的降溫循環對客室內壓力變化起主導作用。由于列車的氣密性變好,需要較長時間車內壓力才能達到與車外壓力平衡的狀態,因此進站后仍能維持相當大的車內外壓差,不僅造成了相當大的開門阻力,在開門瞬間還產生了令乘客嚴重不適的耳壓。列車進站后車廂與外界環境連通,在外循環對流作用下車內溫度快速升高,更大溫差的空氣降溫循環將導致車內外壓差超過車門開門設計最大抵抗壓力(900 Pa),使得車門無法打開,造成安全隱患。

圖8 下行一站地新風關降溫循環車內外壓力變化

2.3 空氣循環優化試驗

關閉新風系統新風閥門和廢排閥門會使列車氣密性顯著提升,由于列車采用了隔熱材料,列車氣密性越高客室內溫度變化過程越接近絕熱過程,由此導致的客室內壓力變化就越顯著。為抑制客室內壓力的大幅變化及其帶來的危害,需要延長客室內空氣降溫循環換熱過程,一方面通過控制溫度變化率降低壓力變化率,另一方面使整個客室系統有時間利用自身非密封的特點平衡車內外壓力。本文提出了一種客室內空氣循環優化控制方案:(1)當客室溫度高于設定溫度時,2臺空壓機逐步啟動投入工作,運行一段時間后若溫度仍未降至設定值,則另外2臺壓縮機也投入工作;(2)列車發出開門指令后,新風系統的新風閥門關閉,廢排閥門將開度調至最大,在接收到關門指令后新風系統恢復到初始狀態。

檢驗空氣循環優化效果的線路試驗結果如圖9、圖10所示。結合圖9可以看出,在空氣降溫循環過程中客室內壓力不再持續降低至谷底,而是分段下降,期間能受到車外壓力變化的影響將客室內壓力提高。開門時刻車內外壓差顯著降低,約為527 Pa,不影響車門的正常開啟。

圖9 優化循環控制后下行一站地新風關降溫循環車內外壓力變化

圖10 優化循環控制后關門過程車內壓力變化

從圖10中可以看出,優化后車門關閉過程中客室內壓升顯著降低,統計各站關門過程壓力上升幅度約5～90 Pa,這是由于新風系統的廢排氣路持續向車外抽氣,主動控制降低車內壓力,有效降低了關門氣阻。

3 結論

本文通過開展線路動態試驗和靜態試驗研究了列車內空氣循環狀態對客室內壓力及開關門過程的影響,得出以下結論:

(1) 空氣降溫內循環過程對地鐵車輛車內壓力變化影響顯著,快速降溫過程將導致在進站開門時刻形成724～770 Pa開門阻力;

(2) 線路上車門關閉過程中,由于氣阻效應和新風系統的作用,車內壓力升高約80～144 Pa,形成了關門阻力;

(3) 列車氣密性和隔熱性能越好,客室內溫度變化過程越接近絕熱過程,溫度變化導致的壓力變化就越顯著;

(4) 調控空氣降溫內循環的強度能夠有效抑制由此引起的車內壓力變化,優化方案可有效降低開門阻力約200 Pa。同時,優化地鐵列車進站后新風系統工作狀態能夠大幅度降低關門氣阻;

(5) 建議在常規工況下限制空氣升/降溫循環過程溫度變化速率,通過調整空調系統控制邏輯使制冷、制熱設備梯次分時啟動,而非滿負荷同步啟動,并保持車內外空氣交換循環,促進車內外壓力平衡,削弱空氣溫控循環引起的壓力變化。