高速列車交會壓力波特性分析

劉　璐，高品賢

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

高速列車交會壓力波特性分析

劉璐，高品賢

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

因動車組在高速交會時產(chǎn)生的瞬變交會壓力波對車體側(cè)壁變形、列車運(yùn)行噪聲及運(yùn)行安全性都有不可忽視的影響，該文利用高速列車的實際測試數(shù)據(jù)，從3方面對高速列車在明線交匯和隧道交匯情況下的壓力波進(jìn)行深入分析：交會壓力波的時-頻特性，主要參數(shù)值及其與車速的關(guān)系，交會壓力波對車體側(cè)壁振動的激勵作用。特別對壓力波所產(chǎn)生的沖擊響應(yīng)譜進(jìn)行深入分析，得到不同阻尼比下的頻率響應(yīng)。該文分析結(jié)果為進(jìn)一步研究瞬變交會壓力波對車體側(cè)壁變形的影響、對列車運(yùn)行噪聲的貢獻(xiàn)等提供新的參考依據(jù)。

高速列車；交會壓力波；瞬態(tài)激勵；振動模態(tài)

0　引　言

隨著列車的發(fā)展，高速列車在我國的運(yùn)營速度為300 km/h。列車空氣動力學(xué)性能的好壞，直接決定了列車的運(yùn)行安全性和舒適性。當(dāng)高速列車在交會時，將引起極度復(fù)雜的列車空氣動力學(xué)效應(yīng)，強(qiáng)大的列車風(fēng)擾動下，兩車車體側(cè)壁之間形成瞬間巨變的交會壓力波，從振動理論出發(fā)，對車體側(cè)壁是一種沖擊激勵，能引起車體側(cè)壁的瞬態(tài)振動，對車體結(jié)構(gòu)變形、列車運(yùn)行噪聲及運(yùn)行安全性都有較大影響，其激勵度和廣度需要深入分析研究。論文對高速列車交會壓力波的特性及其激勵作用進(jìn)行了詳細(xì)分析，交會壓力波為非對稱沖擊脈沖，沖擊波持續(xù)時間（脈沖寬）與車速成反比，沖擊幅度隨車速提高增大，沖擊波前沿上升速度隨車速提高而加快。為進(jìn)一步研究瞬變交會壓力波對車體側(cè)壁變形的影響，對列車運(yùn)行噪聲的貢獻(xiàn)等提供了新的參考依據(jù)。

1　高速列車交會壓力波

1.1交會壓力波的形成及危害性

高速運(yùn)行的上行車和下行車交會時，在會車面一側(cè)，由于兩車側(cè)壁間凈空截面面積突然變小，在強(qiáng)大列車風(fēng)的作用下，在交會起點形成脈沖壓力波稱為交會壓力波，在整個交會過程中該壓力波呈現(xiàn)波動性變化，當(dāng)交會結(jié)束的瞬間，兩車側(cè)壁之間凈空截面面積又突然變大，形成第2個脈沖波，兩側(cè)壁間的壓力波又恢復(fù)到交會前的原狀。明線交會和隧道交會壓力波形有一定區(qū)別，形成過程如圖1所示。

1.2明線交會壓力波

高速列車在明線交會時壓力波的典型曲線如圖2所示，從圖中可以看出兩車交會面一側(cè)車體側(cè)壁間的交會壓力波，在交會起點和交會結(jié)束點，均出現(xiàn)顯著的峰值，對車體側(cè)壁是一種沖擊激勵，交會過程（中間段）沒有明顯峰值，呈波動性變化。

圖3（a）是一實測曲線，交會壓力波出現(xiàn)在12～20s之間。圖3（b）為對應(yīng)4個小區(qū)段壓力波的散點圖。散點圖是時域分析的重要方法，可以十分清楚地反映數(shù)據(jù)的分散情況，滿足正態(tài)分布的隨機(jī)信號，其散點圖呈一條帶狀，基本上沒有異點；當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)不平穩(wěn)時，其散點圖變得分散。由圖可以看出，交會前后的散點圖呈明顯帶狀，運(yùn)行是平穩(wěn)的；在交會過程中則是分散的，表明此時的運(yùn)行狀態(tài)是不平穩(wěn)的。

1.3隧道交會壓力波

兩車在隧道高速交會時，交會壓力波遠(yuǎn)比明線嚴(yán)峻，圖4所示是350km/h和300km/h隧道交會壓力波，與明線交會壓力波不一樣，由于兩車側(cè)壁間的真空度遠(yuǎn)高于明線，近似矩形負(fù)脈沖波，頂部波動，并傾斜，傾斜是由于傳感器頻響特性不夠廣闊產(chǎn)生的“負(fù)沖”［1-2］，另外隧道壓力波也帶來一定影響，傾斜不是交會引起的特性。這種持續(xù)時間短暫的矩形負(fù)脈沖波，對車體結(jié)構(gòu)變形、運(yùn)行噪聲及安全性的影響遠(yuǎn)大于明線交會壓力波。

圖1　交會壓力波形成

圖2　明線交會時車體側(cè)壁振動速度變化

圖3　明線交會壓力波散點分析

2　交會壓力波特性分析

圖4　　典型的隧道交會壓力波

2.1明線交會壓力波特性分析

由圖3可知，明線交會壓力波主要由兩個沖擊峰值組成，沖擊波形狀介于正弦半波和三角波之間，前沿上升速度主要取決于車速，其時域和頻域特性較隧道交會壓力波簡單，資料［3-5］等均有詳細(xì)介紹，對車體側(cè)壁的影響，主要是使側(cè)壁變形量增大，加速疲勞破壞，另外，當(dāng)車速提高到某一速度級時，由于車體側(cè)壁外凸，造成客室氣壓下降，出現(xiàn)負(fù)阻尼擾動，有可能誘發(fā)車頂產(chǎn)生自激振動。

2.2隧道交會壓力波特性分析

2.2.1時域特性

高速列車隧道交會壓力波［6-8］是一種復(fù)雜的脈沖激勵，按照沖擊脈沖理論，求得圖4所示隧道交會壓力波，參數(shù)如表1所示。實測脈沖波形比較復(fù)雜，含有噪聲干擾，應(yīng)用中常取50%處的參數(shù)值為依據(jù)。隧道交會壓力波的影響因素［9］較多，脈沖參數(shù)差別較大，其中50%幅度處脈寬和50%幅度上升時間比較穩(wěn)定，具有一定規(guī)律性和代表性。

表1　隧道交會壓力波參數(shù)（非凈增值）

從表1中參數(shù)和圖4可知，隧道交會［10］壓力波有如下特點：

1）沖擊波持續(xù)時間（脈沖寬）與車速成反比，隨著車速的提高，瞬態(tài)性加劇。

2）沖擊幅度隨車速提高增大。

3）沖擊波前沿上升速度隨車速提高而加快，激勵頻帶將變寬。

4）隧道交會壓力波為不對稱脈沖（見圖4）。

2.2.2頻域特性

隧道交會壓力波的主體近似矩形脈沖，由傅里葉變換理論知，矩形脈沖信號表達(dá)式為

式中T為脈沖持續(xù)時間（脈沖寬），它的傅里葉變換為

對于實測數(shù)字信號，可通過離散傅里葉變換（DFT）求得其數(shù)字譜，DFT的一般形式為

式中：G（k）——DFT譜；

x（n）——測量所得的沖擊時間序列；

N——數(shù)據(jù)長度。

由于單次沖擊過程為非周期過程，其傅里葉譜為連續(xù)譜，不能直接采用建立在周期性基礎(chǔ)上的DFT進(jìn)行計算，論文采用重復(fù)脈沖法［6］，得到周期性沖擊波的頻譜如圖5所示，圖中斜線為標(biāo)準(zhǔn)矩形脈沖的衰減特性，頻譜有如下特點：

1）隧道交會壓力波的傅里葉譜具有矩形脈沖頻譜特性，衰減特性接近20dB/倍頻程。

2）隧道交會壓力波中含有高頻激勵成份，頂部波動大，頻譜衰減速度較典型矩形脈沖慢。

3）若以-40 dB為基準(zhǔn)，頻譜主要能量分布在20 Hz帶內(nèi)。

圖5　隧道交會壓力波傅里葉譜

3　交會壓力波對車體側(cè)壁的激勵作用

3.1沖擊響應(yīng)譜

單自由度系統(tǒng)在沖擊作用下的響應(yīng)最大值與系統(tǒng)固有頻率的關(guān)系，稱為沖擊譜或沖擊響應(yīng)譜［4］。

若給定一階躍沖擊，其響應(yīng)為

式中：k——振動系統(tǒng)剛度；

ζ——阻尼比；

ωn——固有角頻率；

ψ——相位。

對上式微分，可導(dǎo)出x的最大值（位移沖擊譜）：

對于線性時不變系統(tǒng)，對一般沖擊激勵f（t）的響應(yīng)，可視為不同時刻的單位響應(yīng)函數(shù)h（t）的疊加，采用卷積求得［4，7］：

目前高速列車車體振動一般測量其加速度信號，為便于對比分析，論文采用加速度響應(yīng)譜進(jìn)行分析，計算公式［8］如下：

3.2明線交會響應(yīng)譜分析

選定一組阻尼比ζ：0.05，0.010，0.020，0.030，0.040，0.050，0.060，0.070。求得圖2所示明線交會壓力波的響應(yīng)譜如圖6所示，響應(yīng)譜特點：

1）該響應(yīng)譜類似正弦半波沖擊響應(yīng)譜，反映明線交會壓力波的主體為正弦半波（前沿和尾部兩個脈沖）。

2）ζ＞0.030時，響應(yīng)譜的頻率結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，中高頻成分基本消除。

3）ζ＞0.030時，響應(yīng)譜能量集中在35 Hz以下，有3個主要峰值頻率：4，12，25Hz。

圖6　明線交會壓力波響應(yīng)譜

3.3隧道交會響應(yīng)譜分析

采用與明線相同的阻尼比，求得圖4（a）所示的隧道交會壓力波響應(yīng)譜如圖7所示，響應(yīng)譜特點：

1）隧道壓力波的響應(yīng)譜比明線復(fù)雜，總趨勢與階躍沖擊譜有一定相似之處，低頻部分與矩形沖擊譜相似。

2）ζ＞0.030時，響應(yīng)譜頻率結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，中高頻成分基本消除。

3）ζ＞0.030時，響應(yīng)譜能量集中在35Hz以下。4）15 Hz以下頻帶，響應(yīng)譜波動較大，有多個峰值。

5）雖然明線交會和隧道交會響應(yīng)譜幅度不能進(jìn)行定量比較，但前者的基礎(chǔ)值為0.2，后者為0.6，間接說明隧道交會壓力波的響應(yīng)譜幅度較明線大。

3.4車體側(cè)壁的瞬態(tài)響應(yīng)

上面討論的為線性單自由度的瞬態(tài)響應(yīng)，對于復(fù)雜的車體結(jié)構(gòu)，可視為小阻尼線性多自由度系統(tǒng)或分布系統(tǒng)，然后利用正則坐標(biāo)和正則模態(tài)，將車體結(jié)構(gòu)表示為多個單自由度系統(tǒng)的基本振動的疊加，從而獲得整個車體側(cè)壁的瞬態(tài)響應(yīng)。

圖7　隧道交會壓力波響應(yīng)譜

4　結(jié)束語

隨著高速列車運(yùn)行速度的提高，交會壓力波對車體側(cè)壁的激勵作用不可忽視，論文通過對壓力波實測數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，初步結(jié)論如下：

1）交會壓力波為非對稱沖擊脈沖，前沿上升速度快、幅度大，中部波動，尾部下降速度及幅度均低于前沿部分。

2）沖擊波持續(xù)時間（脈沖寬）與車速成反比，沖擊幅度隨車速提高增大，沖擊波前沿上升速度隨車速提高而加快。

3）車體側(cè)壁對明線和隧道交會壓力波的響應(yīng)譜的總趨勢有相似之處，影響較大的頻段均在35Hz以下，其中15Hz以下是在結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要重點考慮的頻段。

4）論文認(rèn)為車體側(cè)壁阻尼比ζ＞0.03時，才能有效提高側(cè)壁抗交會壓力波的沖擊能力，特別是抗中高頻部分的激勵。

5）隧道交會壓力波為不對稱脈沖，沖擊強(qiáng)度高于明線交會，特別是15Hz以下，響應(yīng)譜結(jié)構(gòu)變得十分復(fù)雜。

［1］董永貴.傳感技術(shù)與系統(tǒng)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006：13-21.

［2］吳三靈.實用振動試驗技術(shù)［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，1993：45-53.

［3］丁文鏡.自激振動：理論、范例及研究方法［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011：23-29.

［4］谷口修.振動工程大全：上冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983：422-449.

［5］梁習(xí)鋒，田紅旗.200 km/h動車組交會空氣壓力波試驗［J］.中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002，33（6）：621-624.

［6］熊小慧，梁習(xí)鋒.CRH2型動車組列車交會空氣壓力波試驗分析［J］.鐵道學(xué)報，2009，31（6）：15-20.

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（編輯：劉楊）

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

國家自然科學(xué)基金項目（61134002）國家重點實驗室開放課題（PIL1303）

劉璐（1981-），女，四川瀘州市人，博士，專業(yè)方向為高速列車的安全性測試研究、信號分析與處理、可靠性研究。