高速动车组隧道运行车体和设备舱压力研究

杜秋男

摘要：高速动车组进入隧道运行，动车组前方会形成压缩波和膨胀波，导致动车组的车体和车下设备舱受到比明线运行更大更复杂的压力负载，影响高速动车组运行的安全性和稳定性。高速动车组的车体和车下设备舱结构设计，需要预知高速动车组进入隧道运行工况下车体和设备舱的最大压力负载。本文基于350km/h高速动车组3辆编组简化三维计算模型，仿真计算350km/h高速动车组进入隧道运行工况，高速动车组车体和车下设备舱外表面的压力分布。研究350km/h高速动车组进入隧道运行工况，高速动车组车体和车下设备舱外表面的压力变化和最大压力负载。研究结论为：350km/h高速动车组进入隧道运行，车头前端外表面最大压力为7567Pa，设备舱前端板外表面最大压力为-5569.4Pa，设备舱裙板外表面最大压力为-5690.1Pa，设备舱底板外表面最大压力为-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.

關键词：动车组;隧道;设备舱;压力

Key words： EMU;tunnel;equipment compartment;pressure

0  引言

我国是多山国家，修建高铁大多数线路需要修建隧道。高速动车组进入隧道运行，动车组前方会形成压缩波和膨胀波，导致动车组的车体和车下设备舱受到比明线运行更大更复杂的压力负载，影响高速动车组运行的安全性和稳定性[1]。高速动车组的车体和车下设备舱结构设计和相关计算分析需要预知高速动车组隧道运行工况车体和设备舱的最大压力负载。

本文基于350km/h高速动车组3辆编组简化三维计算模型，仿真计算350km/h高速动车组进入隧道运行工况，高速动车组车体和车下设备舱外表面的压力分布[2-4]。研究高速动车组车体和车下设备舱的外表面压力变化和最大压力负载，为350km/h高速动车组的相关设计和计算分析提供参考。

1  高速动车组计算模型和简化描述

高速动车组车辆模型采用350km/h高寒高速动车组三维模型，为减少计算工作量，本文计算将原型车8辆编组简化为头车、中间车和尾车3辆编组。

①高速动车组计算模型如图1所示。

②350km/h高速动车组车下设备舱罩板结构如图2所示。车下设备舱的罩板按照安装位置分为前端板、裙板、底板和后端板。裙板上设格栅。

2  仿真计算总体方案和主要工况参数

高速动车组隧道运行仿真计算总体布置方案如图3所示。

主要参数：①隧道前区域长为150m，宽为116m，高为110m。②隧道形式为单洞双线。③隧道断面面积100m2，线间距5m，长度300m。④高速动车组车头距离隧道37m。⑤高速动车组运行速度为350km/h。⑥高速动车组运行线路为直线。

3  计算软件和网格划分

计算软件采用大型热流计算软件SC/Tetra。

网格划分方案如图4和图5所示。

4  仿真计算结果分析

4.1 高速动车组隧道运行车体表面压力计算分析

动车组进入隧道运行头车车体压力分布如图6-图9所示。

车头前端外表面压力见表1。

高速动车组进入隧道，头车车头前端外表面逐渐升高，运行1.15s时，压力达到最大值7567Pa，之后车头压力逐渐下降，运行2.2s时车头前端压力下降为隧道运行压力最小值3238.7Pa。

4.2 车下设备舱前端板压力计算分析

动车组进入隧道运行各车设备舱前端板外表面压力见表2。

高速动车组进入隧道运行，各车设备舱前端板外表面压力不断变化不断增大，运行2.2s时动车组各车设备舱前端板外表面压力均出现最大峰值。头车设备舱前端板外表面压力最大，压力峰值为-5569.4Pa，压力分布如图10所示。

4.3 车下设备舱裙板压力计算分析

动车组进入隧道运行各车设备舱裙板外表面压力见表3。

高速动车组进入隧道运行，各车设备舱裙板外表面压力不断变化不断增大，2.2s时动车组各车设备舱裙板外表面压力均出现最大峰值。头车设备舱裙板外表面压力最大，压力峰值为-5690.1Pa，压力分布如图11所示。

4.4 头车设备舱裙板格栅压力计算分析

动车组进入隧道运行，各车均选取设备舱裙板前部2个格栅作计算分析。各车设备舱裙板格栅1外表面压力见表4。各车设备舱裙板格栅2外表面压力见表5。

高速动车组进入隧道运行，各车设备舱裙板前部2个裙板格栅外表面压力不断变化，2.2s时动车组各车设备舱前部2个裙板格栅外表面压力均出现最大负压峰值。

4.5 車下设备舱底板压力计算分析

动车组进入隧道运行各车设备舱底板外表面压力见表6。

高速动车组进入隧道，车下设备舱底板压力逐渐增大，运行2.2s时，动车组各车设备舱底板外表面压力均出现最大峰值。头车设备舱底板外表面压力最大，峰值为-6590.7Pa。压力分布如图12所示。

5  结论

基于350km/h高速动车组3辆编组简化模型，模拟高速动车组进入隧道运行工况，对动车组的表面压力进行仿真计算分析，主要有如下结论：

①高速动车组进入隧道，头车车头前端外表面逐渐升高，运行1.15s时，压力达到最大值7567Pa，之后车头压力逐渐下降，运行2.2s时车头前端压力下降为隧道运行压力最小值3238.7Pa。②高速动车组进入隧道，车下设备舱前端板压力逐渐增大，运行2.2s时，动车组各车设备舱前端板外表面压力均出现最大峰值。头车设备舱前端板外表面压力最大，压力峰值为-5569.4Pa。③高速动车组进入隧道，车下设备舱裙板压力逐渐增大，运行2.2s时，动车组各车设备舱裙板外表面压力均出现最大峰值。头车设备舱裙板外表面压力最大，压力峰值为-5690.1Pa。④高速动车组进入隧道，车下设备舱底板压力逐渐增大，运行2.2s时，动车组各车设备舱底板外表面压力均出现最大峰值。头车设备舱底板外表面压力最大，压力峰值为-6590.7Pa。

参考文献：

[1]田红旗.列车空气动力学[M].北京：中国铁道出版社，2007.

[2]武青海.列车空气动力学数值仿真研究[M].中国铁道科学，2002，23（4）：132-138.

[3]赵文成，高波，骆建军.高速列车通过隧道的三维数值模拟[D].西南交通大学，1001-4632（2003）05-0096-05.

[4]琚娟，高波，赵文成.高速列车通过隧道时隧道内压力变化的试验研究[D].西南交通大学，2003.