時速250 km動車組設(shè)備艙裙板氣動載荷線路測試分析

余以正，楊明智，孫健，蓋杰

(1.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 4100001; 2.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130000)

近年來，我國高鐵、動車發(fā)展迅速，但是我國疆域龐大，地形復(fù)雜，列車運(yùn)行工況異常復(fù)雜.隨著車速的提高，氣動載荷、振動載荷等不斷增加，車體、轉(zhuǎn)向架、部件經(jīng)受嚴(yán)峻考驗(yàn).尤其是隨著車速的提升，列車一些關(guān)鍵部件承受著交變的氣動載荷越來越大[1-2].研究表明，對于時速超過200 km的動車組，在一些隧道工況、交會工況較多的線路上，對于車體、裙板、底板等部件，氣動載荷是結(jié)構(gòu)承受的主要疲勞載荷，占總損傷比70%以上[3-4].目前，國內(nèi)運(yùn)行的動車組，出現(xiàn)過多起設(shè)備艙裙板開裂的現(xiàn)象，對列車的運(yùn)行安全造成了一定的隱患[5].而國內(nèi)對時速200 km以上動車組車體、部件氣動載荷譜的研究尚處于起步階段，國內(nèi)多數(shù)氣動載荷的研究，多集中在臺架試驗(yàn)及仿真分析方面[6-8].但是臺架試驗(yàn)與仿真分析對于設(shè)備艙裙板氣動載荷的獲取，有較大的缺陷，一方面，列車運(yùn)行的線路工況異常復(fù)雜，而仿真分析與臺架試驗(yàn)是在理想條件下開展，因此仿真分析與臺架試驗(yàn)不能完全模擬線路真實(shí)工況；此外實(shí)際情況下設(shè)備艙裙板結(jié)構(gòu)在列車運(yùn)行不同工況下，空氣動力載荷與車體表面載荷存在較大區(qū)別，如隧道交會、隧道通過、明線交會等工況下氣動載荷大小、作用方式均不相同[9-10].基于上述原因，導(dǎo)致我國主機(jī)廠家對設(shè)備艙裙板空氣動力學(xué)載荷作用方式、載荷譜選擇、載荷循環(huán)次數(shù)等考慮的不充分，因此在對設(shè)備艙裙板開展設(shè)計和分析時，對空氣動力載荷考慮的要么保守，要么不考慮，導(dǎo)致對設(shè)備艙結(jié)構(gòu)過設(shè)計.要么運(yùn)行一定時間后設(shè)備艙裙板出現(xiàn)裂紋失效現(xiàn)象.導(dǎo)致上述原因最主要的因素是，目前我國對列車實(shí)際線路設(shè)備艙裙板氣動載荷測試不足，數(shù)據(jù)缺乏，沒有積累足夠的數(shù)據(jù)量，導(dǎo)致設(shè)備艙裙板氣動載荷譜的制定存在巨大困難[11].本文的工作主要針對實(shí)際運(yùn)行中時速250 km等級動車組設(shè)備艙裙板開展氣動載荷測試，并對全線所有列車通過隧道、列車明線交會的工況情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出設(shè)備艙裙板各測點(diǎn)內(nèi)外壓差的最大值、最小值和峰峰值的統(tǒng)計分布規(guī)律.本文的研究結(jié)果對我國制定時速250 km速度等級設(shè)備艙氣動載荷譜及設(shè)備艙的設(shè)計有一定的指導(dǎo)以及參考意義.

1 設(shè)備艙裙板壓力載荷測試

1.1 測試線路

此次分析研究選擇的測試線路是列車實(shí)際運(yùn)行線路，該線路全程710 km，分布有62個隧道，線路包含了復(fù)線、單車隧道、雙線隧道.因此，列車全程運(yùn)行過程中，可以體現(xiàn)列車實(shí)際運(yùn)行中所有可能工況，包括列車單車通過隧道工況、列車隧道交會工況、列車明線交會工況等.

1.2 測試設(shè)備

測試設(shè)備見表1.由于設(shè)備艙裙板要具備對外換熱功能，因此密封性較差，而此次測試主要針對設(shè)備艙裙板內(nèi)外壓差開展測試，因此需要選擇量程相對小、精度相對高的傳感器.

表1 測試設(shè)備

傳感器均采用3M膠帶和AB膠固定在設(shè)備艙裙板各位置，信號線纜均沿就近一位側(cè)或二位側(cè)走線至采集箱位置，走線方式采用每隔300 mm尼龍扎帶捆扎方式固定.測試設(shè)備通過專用的吊掛裝置固定在設(shè)備艙內(nèi)，不會影響列車運(yùn)行安全.每塊裙板的三個測點(diǎn)均保持對稱分布，絕壓測點(diǎn)布置在中間測點(diǎn)位置(見圖1).對于差壓測點(diǎn)，左右側(cè)分別有六個測點(diǎn)，按照從1車到8車的方向，將左側(cè)差壓測點(diǎn)命名為L1、L2、L3、L4、L5、L6，將右側(cè)測點(diǎn)命名為R1、R2、R3、R4、R5、R6.為便于比較分析，按區(qū)域?qū)⑷拱宸殖扇危渲蠷1、R2為裙板1段、R3、R4為裙板2段、R5、R6為裙板3段，對于左側(cè)裙板亦是如此區(qū)分.對于絕壓測點(diǎn)，左右側(cè)分別有2個測點(diǎn)，按照從1車到8車的方向，將左側(cè)絕壓測點(diǎn)命名LA1、LA2，將右側(cè)絕壓測點(diǎn)命名為RA1、RA2.底板內(nèi)側(cè)位置布置兩個絕壓測點(diǎn)，左側(cè)為B1，右側(cè)為B2.

圖1 測點(diǎn)布置裙板位置

1.3 測試工況

本次測試捕捉到了包括列車單車通過隧道工況、列車隧道交會工況、列車明線交會工況等，車速最大為250 km/h.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由于本次測試研究，需對列車進(jìn)行長期跟蹤測試，因此，采集的數(shù)據(jù)量非常龐大，數(shù)據(jù)采集時間長達(dá)近百小時.按照上文論述，實(shí)際情況下設(shè)備艙裙板結(jié)構(gòu)在隧道工況與明線交會工況時，氣動載荷大小、作用方式均不相同，因此需要明確加以區(qū)分，而壓差數(shù)據(jù)往往沒有明顯的變化規(guī)律，因此靠壓差數(shù)據(jù)判斷列車所處工況有一定的難度.但列車隧道通過、隧道交會、明線交會時，列車各點(diǎn)絕對壓力的特征有明顯的不同特征，因此，通過對裙板測點(diǎn)絕對壓力的測試，可以迅速判斷列車所處工況，從而判斷出列車所處工況，圖2是本次測試時RA1測點(diǎn)的絕壓數(shù)據(jù)，從絕壓數(shù)據(jù)判斷，此時為列車隧道單車通過工況，把具有此特征絕壓數(shù)據(jù)時間段的壓差數(shù)據(jù)截取出來， 就 可 以 獲 得沿線所有隧道工況的設(shè)備艙裙板壓差數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行統(tǒng)計分析.

圖2 設(shè)備艙裙板絕壓數(shù)據(jù)變化

圖3是本次測試時，列車通過某個隧道設(shè)備艙裙板右側(cè)測點(diǎn)R1、R2、R3、R4、R5、R6壓差數(shù)據(jù)，從圖可見，設(shè)備艙裙板壓差數(shù)據(jù)沒有明顯變化規(guī)律，這就是必須布置絕壓測點(diǎn)判斷列車運(yùn)行工況的原因.對于左側(cè)L1、L2、L3、L4、L5、L6測點(diǎn)，根據(jù)分析，其變化規(guī)律及大小與右側(cè)測點(diǎn)基本一致，因此主要用作比較參考，或者壞點(diǎn)數(shù)據(jù)備份.

圖3 列車過隧道設(shè)備艙裙板差壓測量數(shù)據(jù)變化

由于單一的過隧道工況不足以反映隧道引起氣壓變化的規(guī)律，現(xiàn)將全線所有列車通過隧道的工況集中起來統(tǒng)計分布，圖4、5是第一段裙板上兩個測點(diǎn)上內(nèi)外壓差的最大值、最小值的統(tǒng)計分布.

圖4 R1測點(diǎn)內(nèi)外壓差統(tǒng)計分布

圖5 R2測點(diǎn)內(nèi)外壓差統(tǒng)計分布

對于第一段設(shè)備艙裙板上的測點(diǎn)，即R1-R2，可以發(fā)現(xiàn)R1單側(cè)壓差主要分布為800 Pa左右，最大值可以到1 100 Pa左右，其壓差峰峰值主要集中在900 Pa左右；R2單側(cè)壓差主要分布在700 Pa左右，最大值為820 Pa左右，其壓差峰峰值主要集中在660 Pa左右.

圖6、7是第二段裙板上兩個測點(diǎn)上內(nèi)外壓差的最大值、最小值和峰峰值的統(tǒng)計分布.對于第二段裙板上的測點(diǎn)，即R3～R4，可以發(fā)現(xiàn)R5單側(cè)壓差主要分布在500 Pa左右，最大值為650 Pa，其壓差峰峰值主要集中在400～600 Pa左右；R6單側(cè)壓差主要分布在750 Pa左右，最大值為950 Pa左右，其壓差峰峰值主要集中在800～1 000 Pa.

圖6 R3測點(diǎn)內(nèi)外壓差統(tǒng)計分布

圖7 R4測點(diǎn)內(nèi)外壓差統(tǒng)計分布

圖8、9是第三段裙板上兩個測點(diǎn)上內(nèi)外壓差的最大值、最小值和峰峰值的統(tǒng)計分布.對于第三塊裙板上的測點(diǎn)，即R5-R6，可以發(fā)現(xiàn)R5單側(cè)壓差主要集中在900 Pa，最大值為1 150 Pa，其壓差峰峰值主要集中在1 450 Pa以下；R6單側(cè)壓差主要分布在1 100 Pa以下，最大值為1 200 Pa，其壓差峰峰值主要集中在1 100 Pa左右.

圖8 R5測點(diǎn)內(nèi)外壓差統(tǒng)計分布

圖9 R6測點(diǎn)內(nèi)外壓差統(tǒng)計分布

圖10是本次測試時RA1測點(diǎn)的絕壓數(shù)據(jù)，從絕壓數(shù)據(jù)判斷，此時為列車明線交會工況，把具有此特征絕壓數(shù)據(jù)時間段的壓差數(shù)據(jù)截取出來，就可以獲得沿線所有明線交會的設(shè)備艙裙板壓差數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行統(tǒng)計分析.

圖11是本次測試時，列車明線交會時設(shè)備艙裙板右側(cè)測點(diǎn)R1、R2、R3、R4、R5、R6壓差數(shù)據(jù)，對于左側(cè)L1、L2、L3、L4、L5、L6測點(diǎn)，由于不是交會側(cè)，左側(cè)的數(shù)據(jù)對于明線交會時分析沒有用處.

圖10 設(shè)備艙裙板絕壓數(shù)據(jù)變化

圖11 列車明線交會設(shè)備艙裙板差壓測量數(shù)據(jù)變化

由于單一的過明線交會工況不足以反映列車明線運(yùn)行時引起氣壓變化的規(guī)律，現(xiàn)將全線所有列車通過明線交會的工況集中起來統(tǒng)計分布，圖12、13是第一段裙板上兩個測點(diǎn)上內(nèi)外壓差的最大值、最小值統(tǒng)計分布.對于第一段裙板上的測點(diǎn)，即R1～R2，可以發(fā)現(xiàn)R1單側(cè)壓差最大值為375 Pa左右，其峰峰值最大值為675 Pa左右；R2單側(cè)壓差最大值為475 Pa左右，其壓差峰峰值最大值為650 Pa左右.

圖12 R1測點(diǎn)內(nèi)外壓差統(tǒng)計分布

圖13 R2測點(diǎn)內(nèi)外壓差統(tǒng)計分布

圖14、15是第二段裙板上兩個測點(diǎn)上內(nèi)外壓差的最大值、最小值和峰峰值的統(tǒng)計分布.對于第二段裙板上的測點(diǎn)，即R3-R4，可以發(fā)現(xiàn)R3單側(cè)壓差最大值為500 Pa左右，其壓差峰峰值最大值為625 Pa左右；R4單側(cè)壓差最大值為600 Pa，其壓差峰峰值最大值為900 Pa.

圖14 R3測點(diǎn)內(nèi)外壓差統(tǒng)計分布

圖15 R4測點(diǎn)內(nèi)外壓差統(tǒng)計分布

圖16、17是第三段裙板上兩個測點(diǎn)上內(nèi)外壓差的最大值、最小值和峰峰值的統(tǒng)計分布.對于第三段裙板上的測點(diǎn)，即R5-R6，可以發(fā)現(xiàn)R5單側(cè)壓差最大值為700 Pa左右，其峰峰值最大值為950 Pa左右；R6單側(cè)壓差最大值為1 050左右，其壓差峰峰值最大值為1 150 Pa左右.

圖16 R5測點(diǎn)內(nèi)外壓差統(tǒng)計分布

圖17 R6測點(diǎn)內(nèi)外壓差統(tǒng)計分布

3 結(jié)論

本文針對實(shí)際運(yùn)行中的時速250 km等級動車組設(shè)備艙裙板氣動載荷開展線路測試研究，并將全線所有列車通過隧道、列車明線交會工況集中起來統(tǒng)計分析，得出各測點(diǎn)內(nèi)外壓差的最大值、最小值和峰峰值的統(tǒng)計分布，得到以下結(jié)論：

(1)列車隧道通過、隧道交會、明線交會時，列車各點(diǎn)絕對壓力的特征有明顯的不同特征，因此，通過對裙板測點(diǎn)絕對壓力的測試分析，可以迅速判斷列車實(shí)際運(yùn)行中所處工況，從而區(qū)分不同氣動載荷；

(2)以設(shè)備艙裙板為測試研究對象，列車隧道工況時，第一段設(shè)備艙裙板單側(cè)壓差主要分布為800 Pa左右，最大值可以到1 100 Pa左右，其壓差峰峰值主要集中在900 Pa左右；第二段設(shè)備艙裙板單側(cè)壓差主要分布在750 Pa左右，最大值為950 Pa左右，其壓差峰峰值主要集中在800～1 000 Pa；第三段設(shè)備艙裙板裙板上單側(cè)壓差主要集中900 Pa，最大值為1 200 Pa左右，其壓差峰峰值主要集中在1 150 Pa左右；

(3)以設(shè)備艙裙板為測試研究對象，列車明線交會工況時，第一段設(shè)備艙裙板單側(cè)壓差最大值為475 Pa左右，其峰峰值最大值為675 Pa左右；第二段設(shè)備艙裙板單側(cè)壓差最大值為500 Pa左右，其壓差峰峰值最大值為625 Pa左右；第三段設(shè)備艙裙板單側(cè)壓差最大值為600 Pa左右，其峰峰值最大值為900 Pa左右；第二塊裙板上單側(cè)壓差最大值為1 050左右，其峰峰值最大值為1 150 Pa左右.