高速列车交会压力波特性分析

刘　璐，高品贤

（西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031）

高速列车交会压力波特性分析

刘璐，高品贤

（西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031）

因动车组在高速交会时产生的瞬变交会压力波对车体侧壁变形、列车运行噪声及运行安全性都有不可忽视的影响，该文利用高速列车的实际测试数据，从3方面对高速列车在明线交汇和隧道交汇情况下的压力波进行深入分析：交会压力波的时-频特性，主要参数值及其与车速的关系，交会压力波对车体侧壁振动的激励作用。特别对压力波所产生的冲击响应谱进行深入分析，得到不同阻尼比下的频率响应。该文分析结果为进一步研究瞬变交会压力波对车体侧壁变形的影响、对列车运行噪声的贡献等提供新的参考依据。

高速列车；交会压力波；瞬态激励；振动模态

0　引　言

随着列车的发展，高速列车在我国的运营速度为300 km/h。列车空气动力学性能的好坏，直接决定了列车的运行安全性和舒适性。当高速列车在交会时，将引起极度复杂的列车空气动力学效应，强大的列车风扰动下，两车车体侧壁之间形成瞬间巨变的交会压力波，从振动理论出发，对车体侧壁是一种冲击激励，能引起车体侧壁的瞬态振动，对车体结构变形、列车运行噪声及运行安全性都有较大影响，其激励度和广度需要深入分析研究。论文对高速列车交会压力波的特性及其激励作用进行了详细分析，交会压力波为非对称冲击脉冲，冲击波持续时间（脉冲宽）与车速成反比，冲击幅度随车速提高增大，冲击波前沿上升速度随车速提高而加快。为进一步研究瞬变交会压力波对车体侧壁变形的影响，对列车运行噪声的贡献等提供了新的参考依据。

1　高速列车交会压力波

1.1交会压力波的形成及危害性

高速运行的上行车和下行车交会时，在会车面一侧，由于两车侧壁间净空截面面积突然变小，在强大列车风的作用下，在交会起点形成脉冲压力波称为交会压力波，在整个交会过程中该压力波呈现波动性变化，当交会结束的瞬间，两车侧壁之间净空截面面积又突然变大，形成第2个脉冲波，两侧壁间的压力波又恢复到交会前的原状。明线交会和隧道交会压力波形有一定区别，形成过程如图1所示。

1.2明线交会压力波

高速列车在明线交会时压力波的典型曲线如图2所示，从图中可以看出两车交会面一侧车体侧壁间的交会压力波，在交会起点和交会结束点，均出现显著的峰值，对车体侧壁是一种冲击激励，交会过程（中间段）没有明显峰值，呈波动性变化。

图3（a）是一实测曲线，交会压力波出现在12～20s之间。图3（b）为对应4个小区段压力波的散点图。散点图是时域分析的重要方法，可以十分清楚地反映数据的分散情况，满足正态分布的随机信号，其散点图呈一条带状，基本上没有异点；当运行状态不平稳时，其散点图变得分散。由图可以看出，交会前后的散点图呈明显带状，运行是平稳的；在交会过程中则是分散的，表明此时的运行状态是不平稳的。

1.3隧道交会压力波

两车在隧道高速交会时，交会压力波远比明线严峻，图4所示是350km/h和300km/h隧道交会压力波，与明线交会压力波不一样，由于两车侧壁间的真空度远高于明线，近似矩形负脉冲波，顶部波动，并倾斜，倾斜是由于传感器频响特性不够广阔产生的“负冲”［1-2］，另外隧道压力波也带来一定影响，倾斜不是交会引起的特性。这种持续时间短暂的矩形负脉冲波，对车体结构变形、运行噪声及安全性的影响远大于明线交会压力波。

图1　交会压力波形成

图2　明线交会时车体侧壁振动速度变化

图3　明线交会压力波散点分析

2　交会压力波特性分析

图4　　典型的隧道交会压力波

2.1明线交会压力波特性分析

由图3可知，明线交会压力波主要由两个冲击峰值组成，冲击波形状介于正弦半波和三角波之间，前沿上升速度主要取决于车速，其时域和频域特性较隧道交会压力波简单，资料［3-5］等均有详细介绍，对车体侧壁的影响，主要是使侧壁变形量增大，加速疲劳破坏，另外，当车速提高到某一速度级时，由于车体侧壁外凸，造成客室气压下降，出现负阻尼扰动，有可能诱发车顶产生自激振动。

2.2隧道交会压力波特性分析

2.2.1时域特性

高速列车隧道交会压力波［6-8］是一种复杂的脉冲激励，按照冲击脉冲理论，求得图4所示隧道交会压力波，参数如表1所示。实测脉冲波形比较复杂，含有噪声干扰，应用中常取50%处的参数值为依据。隧道交会压力波的影响因素［9］较多，脉冲参数差别较大，其中50%幅度处脉宽和50%幅度上升时间比较稳定，具有一定规律性和代表性。

表1　隧道交会压力波参数（非净增值）

从表1中参数和图4可知，隧道交会［10］压力波有如下特点：

1）冲击波持续时间（脉冲宽）与车速成反比，随着车速的提高，瞬态性加剧。

2）冲击幅度随车速提高增大。

3）冲击波前沿上升速度随车速提高而加快，激励频带将变宽。

4）隧道交会压力波为不对称脉冲（见图4）。

2.2.2频域特性

隧道交会压力波的主体近似矩形脉冲，由傅里叶变换理论知，矩形脉冲信号表达式为

式中T为脉冲持续时间（脉冲宽），它的傅里叶变换为

对于实测数字信号，可通过离散傅里叶变换（DFT）求得其数字谱，DFT的一般形式为

式中：G（k）——DFT谱；

x（n）——测量所得的冲击时间序列；

N——数据长度。

由于单次冲击过程为非周期过程，其傅里叶谱为连续谱，不能直接采用建立在周期性基础上的DFT进行计算，论文采用重复脉冲法［6］，得到周期性冲击波的频谱如图5所示，图中斜线为标准矩形脉冲的衰减特性，频谱有如下特点：

1）隧道交会压力波的傅里叶谱具有矩形脉冲频谱特性，衰减特性接近20dB/倍频程。

2）隧道交会压力波中含有高频激励成份，顶部波动大，频谱衰减速度较典型矩形脉冲慢。

3）若以-40 dB为基准，频谱主要能量分布在20 Hz带内。

图5　隧道交会压力波傅里叶谱

3　交会压力波对车体侧壁的激励作用

3.1冲击响应谱

单自由度系统在冲击作用下的响应最大值与系统固有频率的关系，称为冲击谱或冲击响应谱［4］。

若给定一阶跃冲击，其响应为

式中：k——振动系统刚度；

ζ——阻尼比；

ωn——固有角频率；

ψ——相位。

对上式微分，可导出x的最大值（位移冲击谱）：

对于线性时不变系统，对一般冲击激励f（t）的响应，可视为不同时刻的单位响应函数h（t）的叠加，采用卷积求得［4，7］：

目前高速列车车体振动一般测量其加速度信号，为便于对比分析，论文采用加速度响应谱进行分析，计算公式［8］如下：

3.2明线交会响应谱分析

选定一组阻尼比ζ：0.05，0.010，0.020，0.030，0.040，0.050，0.060，0.070。求得图2所示明线交会压力波的响应谱如图6所示，响应谱特点：

1）该响应谱类似正弦半波冲击响应谱，反映明线交会压力波的主体为正弦半波（前沿和尾部两个脉冲）。

2）ζ＞0.030时，响应谱的频率结构趋于稳定，中高频成分基本消除。

3）ζ＞0.030时，响应谱能量集中在35 Hz以下，有3个主要峰值频率：4，12，25Hz。

图6　明线交会压力波响应谱

3.3隧道交会响应谱分析

采用与明线相同的阻尼比，求得图4（a）所示的隧道交会压力波响应谱如图7所示，响应谱特点：

1）隧道压力波的响应谱比明线复杂，总趋势与阶跃冲击谱有一定相似之处，低频部分与矩形冲击谱相似。

2）ζ＞0.030时，响应谱频率结构趋于稳定，中高频成分基本消除。

3）ζ＞0.030时，响应谱能量集中在35Hz以下。4）15 Hz以下频带，响应谱波动较大，有多个峰值。

5）虽然明线交会和隧道交会响应谱幅度不能进行定量比较，但前者的基础值为0.2，后者为0.6，间接说明隧道交会压力波的响应谱幅度较明线大。

3.4车体侧壁的瞬态响应

上面讨论的为线性单自由度的瞬态响应，对于复杂的车体结构，可视为小阻尼线性多自由度系统或分布系统，然后利用正则坐标和正则模态，将车体结构表示为多个单自由度系统的基本振动的叠加，从而获得整个车体侧壁的瞬态响应。

图7　隧道交会压力波响应谱

4　结束语

随着高速列车运行速度的提高，交会压力波对车体侧壁的激励作用不可忽视，论文通过对压力波实测数据的详细分析，初步结论如下：

1）交会压力波为非对称冲击脉冲，前沿上升速度快、幅度大，中部波动，尾部下降速度及幅度均低于前沿部分。

2）冲击波持续时间（脉冲宽）与车速成反比，冲击幅度随车速提高增大，冲击波前沿上升速度随车速提高而加快。

3）车体侧壁对明线和隧道交会压力波的响应谱的总趋势有相似之处，影响较大的频段均在35Hz以下，其中15Hz以下是在结构设计中需要重点考虑的频段。

4）论文认为车体侧壁阻尼比ζ＞0.03时，才能有效提高侧壁抗交会压力波的冲击能力，特别是抗中高频部分的激励。

5）隧道交会压力波为不对称脉冲，冲击强度高于明线交会，特别是15Hz以下，响应谱结构变得十分复杂。

［1］董永贵.传感技术与系统［M］.北京：清华大学出版社，2006：13-21.

［2］吴三灵.实用振动试验技术［M］.北京：兵器工业出版社，1993：45-53.

［3］丁文镜.自激振动：理论、范例及研究方法［M］.北京：清华大学出版社，2011：23-29.

［4］谷口修.振动工程大全：上册［M］.北京：机械工业出版社，1983：422-449.

［5］梁习锋，田红旗.200 km/h动车组交会空气压力波试验［J］.中南工业大学学报，2002，33（6）：621-624.

［6］熊小慧，梁习锋.CRH2型动车组列车交会空气压力波试验分析［J］.铁道学报，2009，31（6）：15-20.

［7］OPPENHEIM A V，WILLSKY A S，NAWAB S H.Hamid Nawab［M］.刘树棠，译.2版.北京：电子工业出版社，2006：90-97.

［8］刘小燕，陈春俊，王亚南.高速列车单车通过隧道压力波的研究［J］.机械设计与研究，2014，41（12）：1-4.

［9］骆建军，王梦恕，高波，等.高速列车进入带缓冲结构隧道的压力变化研究［J］.空气动力学学报，2007，25（4）：488-493.

［10］赵晶.高速列车进入隧道的气动作用数值模拟［J］.西南交通大学学报，2009，44（1）：96-99.

（编辑：刘杨）

Characteristic analysis of air pressure wave generated by high-speed trains passing each other

LIU Lu，GAO Pinxian
（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

The air pressure wave is a transient excitation to car body side，which can stimulate almost all vibration modes of car body and correlated assemblies and cause serious aerodynamic noise，posing threats to operation safety.Based on field-measured air pressure waves，this article mainly analyzes the time-frequency characteristics of air pressure wave，the relationship between its main parameters and train velocity，and the vibration of car body caused by it.In particular，the response spectrum of the pressure wave is analyzed，and the frequency response of the different damping ratio is obtained.The conclusion has been derived.It provides new evidences for train noise and car body distortion.

high-speed train；air pressure wave；transient excitation；modes of vibration

A

1674-5124（2016）07-0093-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.07.019

2015-10-03；

2015-12-06

国家自然科学基金项目（61134002）国家重点实验室开放课题（PIL1303）

刘璐（1981-），女，四川泸州市人，博士，专业方向为高速列车的安全性测试研究、信号分析与处理、可靠性研究。