蘭新客運專線動車組設(shè)備艙差壓跟蹤試驗研究

于慶斌 張 蘭

(中車長春軌道客車股份有限公司車體研發(fā)部， 130062， 長春//第一作者， 教授級高級工程師)

隨著列車速度的提高，客室內(nèi)外壓力變化越來越受到重視。當列車在高寒強風(fēng)沙的惡劣環(huán)境下高速運行時，客室內(nèi)壓力變化幅度較大[1]。目前對影響客室內(nèi)壓力變化的因素研究集中于列車空氣阻力、會車時出現(xiàn)的壓力波以及列車經(jīng)過隧道時引起隧道內(nèi)的壓力波動和微氣壓波，這些統(tǒng)稱為列車氣動效應(yīng)。國內(nèi)學(xué)者對列車氣動效應(yīng)的研究已相對成熟[2-6]。當列車明線交會或者隧道內(nèi)交會時，相對封閉的設(shè)備艙內(nèi)與艙外會產(chǎn)生較大的壓力差，這將會對列車運行安全造成嚴重影響。蘭新客運專線運營環(huán)境較惡劣，為了保證列車在高寒強風(fēng)沙環(huán)境中安全運行，設(shè)計人員對強風(fēng)沙特殊運營環(huán)境中的動車組進行了充分調(diào)研，對設(shè)備艙裙板防風(fēng)沙結(jié)構(gòu)開展了跟蹤試驗研究。

目前，高速列車裙板兩側(cè)的大面積格柵用于設(shè)備艙通風(fēng)散熱，但裙板同時導(dǎo)致設(shè)備艙內(nèi)外有顯著差壓存在[7]。許良中等[8]通過實車試驗分析了不同工況下動車組客室內(nèi)氣壓變化率和室內(nèi)外差壓，并研究了車體動態(tài)氣密性指數(shù)隨時間變化關(guān)系。牛紀強等[9]采用動模型試驗方法對不同工況下單車設(shè)備艙內(nèi)外壓力及壓差進行了初步研究。

迄今為止，跟蹤研究不同工況下試驗測試設(shè)備艙差壓變化規(guī)律的較少。本文采用在高寒抗風(fēng)沙動車組艙內(nèi)外布置差壓傳感器的方法對不同車速和風(fēng)速條件下底板及裙板承受的差壓氣動載荷進行長期跟蹤測試，研究不同工況下的差壓變化。

1 試驗內(nèi)容

蘭新客運專線的某高寒抗風(fēng)沙動車組是針對高寒、高溫、高海拔、強風(fēng)沙和強紫外線等特殊運行環(huán)境條件，研發(fā)制造的時速250 km動車組。本文跟蹤測試對象主要是該動車組的1號頭車和3號中間車設(shè)備艙裙板及底板等結(jié)構(gòu)。試驗評定標準參照GB 5599—1985《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》、鐵運[2008]28號《高速動車組整車試驗規(guī)范》和鐵建設(shè)函[2005]140號《新建時速200～250公里客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》等確定。

2 試驗方法

2.1 測點布置及測試方法

根據(jù)前期設(shè)備艙地面效應(yīng)試驗情況，對1號車、3號車設(shè)備艙典型部位布置差壓測點，如圖1所示。

設(shè)備艙的差壓特性采用在設(shè)備艙內(nèi)外布置差壓傳感器的方法進行測試，試驗數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)方式進行采集。

a) 1號車

b) 3號車

2.2 試驗步驟和措施

跟蹤試驗的具體步驟如下：① 在設(shè)備艙裙板、底板內(nèi)外布置差壓測點；② 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)試和工作；③ 差壓氣動載荷與車速、風(fēng)速及線路情況的聯(lián)合分析。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由前端采集傳感器、以太網(wǎng)采集模塊、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備及終端計算機組成,采用以太網(wǎng)傳輸模式進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)具有高速、高抗擾度、高可靠性、傳輸距離長、無須編寫設(shè)備驅(qū)動程序等優(yōu)點,其原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3 測點布置和安裝位置

設(shè)備艙測點具體布置和安裝位置如表1、表2、圖3及圖4所示。圖中圓圈內(nèi)為1號車和3號車的4個試驗測點具體位置。

3 試驗結(jié)果及分析

跟蹤試驗里程約120萬km，本文選取其中具有代表性的2017年10月和2017年12月測試結(jié)果作為分析對象。10月10日和14日，1號車設(shè)備艙內(nèi)外(牽引電機與輔助變流器處)各時段測點壓力差對比如圖5所示，3號車設(shè)備艙內(nèi)外(空壓機與24 V供電處)各時段測點壓力差對比如圖6所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

序號測點編號位置名稱對應(yīng)圖片1差壓測點01011位側(cè)1位端第3塊裙板圖3 a)2差壓測點01021位側(cè)1位端第5塊裙板圖3 b)3差壓測點01031位側(cè)1位端第8塊裙板圖3 c)4差壓測點01042位側(cè)1位端第2塊裙板圖3 d)5差壓測點01052位側(cè)1位端第5塊裙板圖3 e)6差壓測點01062位側(cè)1位端第8塊裙板圖3 f)7差壓測點01071位端第3塊底板,靠近1位側(cè)圖3 g)

a) 測點0101b) 測點0102

c) 測點0103d) 測點0104

e) 測點0105f) 測點0106

g) 測點0107

序號測點編號位置名稱對應(yīng)圖片1差壓測點03011位側(cè)1位端第2塊裙板圖4 a)2差壓測點03021位側(cè)1位端第5塊裙板圖4 b)3差壓測點03032位側(cè)1位端第3塊裙板圖4 c)4差壓測點03042位側(cè)1位端第5塊裙板圖4 d)5差壓測點03051位端第3塊底板,靠近1位側(cè)圖4 e)

a) 測點0301b) 測點0302

c) 測點0303d) 測點0304

e) 測點0305

10月份1號車(選取1位側(cè)1位端第3塊裙板0101測點),3號車(2位側(cè)1位端第3塊裙板0303測點)內(nèi)外各時段測點壓力差變化如圖7所示。圖中設(shè)備艙內(nèi)氣動差壓大部分維持在微正壓狀態(tài)，只有在車輛交匯和過隧道的工況下氣動差壓呈現(xiàn)趨零方向的變化，其氣動載荷均值減小，載荷幅值加大。

12月10日和14日，1號車設(shè)備艙內(nèi)外(牽引電機與輔助變流器處)各時段測點壓力差對比如圖8所示，3號車設(shè)備艙內(nèi)外(空壓機與24 V供電處)各時段測點壓力差對比如圖9所示。

a) 10月10日

b) 10月14日

a) 10月10日

b) 10月14日

a) 測點0101

b) 測點0303

a) 12月10日

b) 12月14日

a) 12月10日

b) 12月14日

12月份1號車(1位側(cè)1位端第3塊裙板0101測點),3號車(2位側(cè)1位端第3塊裙板0303測點)內(nèi)外各時段測點壓力差變化如圖10所示。圖中設(shè)備艙內(nèi)氣動差壓大部分維持在微正壓狀態(tài)，只有在車輛交匯和過隧道的工況下氣動差壓呈現(xiàn)趨零方向的變化，其氣動載荷均值減小，載荷幅值加大。

a) 測點0101

b) 測點0303

4 結(jié)論

(1) 設(shè)備艙內(nèi)不同位置處的壓差分布存在顯著差異，但是基本處于外界壓力大于設(shè)備艙內(nèi)部壓力的狀態(tài)；列車兩側(cè)設(shè)備艙內(nèi)外壓差不對稱分布可能是由于外界環(huán)境風(fēng)造成的，也不排除是設(shè)備艙內(nèi)風(fēng)機引起設(shè)備艙內(nèi)壓力分布不均勻。

(2) 不同日期各測點在同一時刻差壓值的縱向?qū)Ρ冉Y(jié)果表明，各測點差壓值的最大值一般不超過600 Pa，各測點差壓值平均值一般不超過200 Pa。從不同日期相同時刻1號車和3號車各測點差壓變化趨勢分析可知，1號車和3號車各測點在不同日期同一時刻設(shè)備艙差壓變化趨勢相似。

(3) 從列車不同執(zhí)行任務(wù)獲得的測試結(jié)果對比可知，列車設(shè)備艙內(nèi)外壓差差異顯著，設(shè)備艙內(nèi)外壓差受環(huán)境風(fēng)影響顯著；從列車執(zhí)行一次任務(wù)的不同時間段內(nèi)的設(shè)備艙內(nèi)外壓差結(jié)果差異較大可知，引起這種現(xiàn)象的原因除了不同線路處的環(huán)境風(fēng)的差異，還有可能是列車通過隧道造成的。

(4) 從壓差最大基本不超過600 Pa的測試結(jié)果可知，由于該車設(shè)備艙不用考慮氣密性，所以外界環(huán)境的變化對設(shè)備艙內(nèi)外壓差的影響很??；如果采用具有一定氣密性的設(shè)備艙后，造成設(shè)備艙內(nèi)壓力變化受外界環(huán)境影響的靈敏度降低，從而引起設(shè)備艙內(nèi)外壓差增大，對設(shè)備艙的設(shè)計強度會造成一定考驗。