运行中地铁列车的车内外压力变化特性研究

张寅河 杜俊涛 熊小慧

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司,266111,青岛;2.中南大学轨道交通安全教育部重点实验室,410075,长沙//第一作者,工程师)

运行中地铁列车的车内外压力变化特性研究

张寅河1杜俊涛1熊小慧2

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司,266111,青岛;2.中南大学轨道交通安全教育部重点实验室,410075,长沙//第一作者,工程师)

通过对我国某型地铁列车进行隧道空气动力学实车线路试验,得到地铁列车实际运行过程中车内、外压力变化规律。试验结果表明:该型地铁列车车内压力变化满足我国地铁设计规范舒适度评价标准及美国地铁人体舒适度评价标准。地铁列车运行过程中,最长隧道区间的车内、外压力变化幅值明显大于其它隧道;列车以不同速度和模式运行中,车内1.0 s、1.7 s、3.0 s时的压力变化幅值和车外各测点压力变化幅值均不相同,车体表面测点压力变化由车头至车尾方向呈逐渐减小的趋势。

地铁列车; 空气动力学; 车内外压力

First-author′s address CRRC Qingdao Sifang Co.,Ltd.,266111,Qingdao,China

城市轨道交通列车的最高速度一般不大于80 km/h。但随着城市面积的不断扩大,部分城市对列车速度提出了更高的要求。由于城市轨道交通地下线路隧道的阻塞比较大,约在0.4～0.6 之间,明显高于山区铁路隧道的阻塞比,因此城市轨道交通的隧道空气动力学效应问题开始凸现出来。

近年来,国内外学者对城市轨道交通的隧道空气动力学进行了许多研究[1-7],但大部分集中在模型试验和数值模拟方面,关于实车试验非常少。我国面临城市轨道交通和市域铁路发展的新趋势,仍有许多隧道空气动力学问题亟待解决。

车辆内压力变化幅值越大,乘客舒适性将越差,达到一定的幅值会产生耳鸣等现象,所以国内外都对车内压力变化幅值P给出参考值(参见表1所示)。

表1 国内外车辆内压力变化参考值

本文通过实车试验的方式研究了国内某地铁列车在不同运行模式、不同运行速度下车内外压力的变化情况。这对于确保列车安全,以及旅客和乘务人员的健康、舒适,保护线路附近的环境等有着积极的意义。

1 试验概况

(1) 试验线路:试验线路示意图如图1所示。其中站点1和站点2之间的线路部分为地面线路,部分为隧道线路;站点2和站点3之间全部为隧道线路,长度约1.2 km;站点3和站点4之间全部为隧道线路,长度约2.0 km,中间有风井一座;站点4和站点5之间全部为隧道线路,长度约1.6 km;站点5和站点6之间全部为隧道线路,长度约0.85 km。隧道净空设计直径为5.4 m。

图1 试验线路示意图

(2) 试验车辆:采用国内A型地铁车辆,列车编组6辆,总长139.98 m,车辆最宽处3 m,车体最高点距轨面3.8 m。

(3) 试验测点布置:分别布置在列车车厢内部和车体表面。车厢内部测点主要布置在驾驶室和车体中部位置,车体表面测点则布置在和车厢内部测点相对应的位置。

(4)测试设备:在本次试验中采用压力传感器直接测得车厢内外的压力。测试的不确定度来源包括列车速度误差、测点布置的偏差、环境因素以及测试系统的误差。测试系统示意图如图2所示。

图2 压力测试系统示意图

(5)试验方法:试验过程中具体研究了地铁列车以不同运行模式、不同运行速度、在不同隧道区间运行时,地铁列车车内、外压力变化的情况。其中,列车的运行模式主要是ATO (列车自动运行)模式和ATP(列车自动保护)模式两种。ATP模式下运行速度有60 km/h、65 km/h和70 km/h三种。

2 试验结果及分析

通过实车试验,得到了地铁列车在不同隧道、不同速度和不同运行模式下车内、外压力变化规律。

2.1 试验重复性分析

为分析测试系统的可靠性,对同一速度档次下同一测点的多次测试结果进行重复性分析。图3给出了3趟不同测试车内典型测点的空气压力测试波形。由图3可知:不同测试次数情况下所测得的车内、外压力波形基本重合,测试系统的重复性误差在5%以内。对其他测点测试结果进行分析,重复性误差也在5%以内。由此可以认为,本次试验车内、外采用的测试系统具有较高的可靠性,测试结果重复性也较好。

图3 车内典型压力测点压力波形图

2.2 不同隧道对车内、外压力变化的影响

研究了在同一速度、同一运行模式下不同隧道长度对车内、外压力变化的影响。其中不同隧道的长度是以试验线路不同区段的隧道长度为研究目标。从表2中可以看出,在同一速度和模式下,列车通过站点3至站点4隧道区间时,1.7 s、1.0 s和3.0 s时的车内压力变化幅值大于通过其他隧道区段。这是因为站点3至站点4区间隧道长度约2 km,在所有隧道中最长,且在隧道的中部有一风井(该风井相当于一个隧道口)。这些因素导致列车通过该隧道时车内、外压力波动值最大。

2.3 列车运行速度及模式对车内、外压力变化的影响

当列车以不同的运行模式和速度通过试验线各隧道时,车内1.0 s、1.7 s、3.0 s时的压力变化幅值和车外压力变化幅值均发生了较大的变化。图4和图5分别给出了列车以不同模式及速度通过站点3至站点4区间过程中,列车车内、外不同位置测点的压力变化幅值ΔP。

表2 列车通过不同隧道区间时车内、外压力变化情况 Pa

图4 不同速度情况下车内不同位置测点的压力变化幅值

图5 不同速度情况下车外不同位置测点的压力变化幅值

从图4和图5可以看出:车内1.0 s、1.7 s、3.0 s时的压力变化幅值和车外各测点压力变化幅值同列车运行速度和模式的关系为:60 km/h (ATP)时的ΔP<65 km/h (ATP)时的ΔP<70 km/h (ATP)时的ΔP

图6为列车以ATO模式通过站点3至站点4区间时,车、内外压力变化曲线。从图6可以看出,列车以ATO模式通过站点3至站点4区间时,同一时刻车内、外压力相差不大,基本维持在±150 Pa的范围之间。

图6 ATO模式下列车车内、外压力变化曲线

试验结果表明:当列车以不同速度和模式在隧道内运行通过站点3至站点4区间时,车内、外压差最大值与列车运行速度和模式的关系为:60 km/h (ATP)时的压差<65 km/h (ATP)时的压差<70 km/h (ATP)时的压差

3 结论

(1) 当地铁列车以ATO模式、70 km/h (ATP)、65 km/h (ATP)和60 km/h (ATP)通过试验线路沿线各隧道时,车内3.0 s时的最大压力变化幅值均远小于我国高速列车舒适性评价标准(3.0 s时车内压力变化幅值为800 Pa);车内1.7 s时的最大压力变化幅值均小于我国地铁设计规范舒适度评价标准及美国地铁列车车内压力变化标准(1.7 s时车内压力变化幅值为700 Pa),满足人体舒适性标准要求。

(2) 由车头至车尾方向,列车车体表面测点压力有逐渐减小的趋势。

(3) 地铁列车在区间运行过程中,同一时刻,车内、外压力相差不大。

[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)