CRH3A型城際動(dòng)車組動(dòng)模型試驗(yàn)研究

邢海英，李國(guó)良，劉青波，許鵬

(中國(guó)北車集團(tuán) 長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 技術(shù)中心，吉林 長(zhǎng)春 130062)*

0 引言

中國(guó)鐵路已經(jīng)進(jìn)入高鐵時(shí)代，在線運(yùn)營(yíng)的動(dòng)車組最高時(shí)速達(dá)350 km/h，隨著列車速度的不斷提高，列車運(yùn)行阻力急劇增加，能耗過(guò)大，同時(shí)由于我國(guó)既有干線存在著線間距小、車況差等與國(guó)外不同的情況，列車提速出現(xiàn)了因負(fù)壓過(guò)大將道渣吸起來(lái)砸壞列車設(shè)備，列車尾流影將周圍物體的卷起，將交會(huì)列車車窗吸出來(lái)，震碎車窗玻璃等危及行車安全事件;還出現(xiàn)空調(diào)無(wú)新風(fēng)進(jìn)入，粉塵及雜物吸入車內(nèi)的降低旅客舒適度，以及影響列車周圍環(huán)境等一系列列車空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，所以列車空氣動(dòng)力學(xué)性能的研究已成為列車提速的重中之重［1］;國(guó)內(nèi)外鐵路以改善列車空氣空力學(xué)性能為基點(diǎn)，用各種方法從各個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行研究，并將研究成果應(yīng)用在高速列車車頭的研制上［2］.

高速動(dòng)車組受空氣動(dòng)力學(xué)影響顯著，空氣動(dòng)力學(xué)除了空氣阻力、表面壓力等常規(guī)項(xiàng)點(diǎn)外，動(dòng)模型試驗(yàn)也是一項(xiàng)重要內(nèi)容，動(dòng)模型試驗(yàn)主要驗(yàn)證動(dòng)車組明線交會(huì)、隧道交會(huì)過(guò)程中，對(duì)兩列城際動(dòng)車組等速度和不等速度明線交會(huì)壓力波特性［3］，以及城際動(dòng)車組穿越隧道和隧道內(nèi)交會(huì)過(guò)程中的列車表面與隧道表面壓力波傳播規(guī)律、隧道洞口微氣壓波進(jìn)行測(cè)試分析，為城際動(dòng)車組的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)［4］.

1 試驗(yàn)裝置

中南大學(xué)是我國(guó)開(kāi)展動(dòng)車組動(dòng)模型試驗(yàn)較早的單位，中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研制了模型比例與速度處于國(guó)際領(lǐng)先水平的高速列車氣動(dòng)特性動(dòng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)，根據(jù)流動(dòng)相似原理，通過(guò)彈射方式使模型列車在模型線路上無(wú)動(dòng)力高速運(yùn)行(即動(dòng)模型)，真實(shí)再現(xiàn)高速列車交會(huì)與過(guò)隧道等空氣三維非定常非對(duì)稱流動(dòng)現(xiàn)象，能夠模擬兩交會(huì)列車之間和列車與周圍環(huán)境(地面、隧道、道旁建筑等)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，真實(shí)地反映地面效應(yīng).目前，世界上同類型的動(dòng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)還有另外一套建造于英國(guó)(動(dòng)模型試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)圖1)，兩者的主要區(qū)別為中南大學(xué)的動(dòng)模型試驗(yàn)線長(zhǎng)度為164 m，比英國(guó)的試驗(yàn)線長(zhǎng)32 m;最大模型比例為1∶16，而英國(guó)的最大模型比例為1∶25;中南大學(xué)的動(dòng)模型試驗(yàn)速度可達(dá)350 km/h，而英國(guó)的只有 200 km/h［5］.

動(dòng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)由試驗(yàn)臺(tái)、動(dòng)力系統(tǒng)、加速系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)成.

(1)試驗(yàn)臺(tái) 試驗(yàn)臺(tái)分上下兩層，上層為動(dòng)模型動(dòng)車組運(yùn)行試驗(yàn)線，下層為動(dòng)力傳遞小車運(yùn)行軌道.試驗(yàn)線為復(fù)線，鋪設(shè)在軌道基礎(chǔ)中部.試驗(yàn)線全長(zhǎng)164 m，分為三段:發(fā)射段，試驗(yàn)段和減速段.在試驗(yàn)段上可安裝各類隧道模型，用于動(dòng)車組交會(huì)和動(dòng)車組過(guò)隧道試驗(yàn)，如圖2(a)所示;試驗(yàn)用模型動(dòng)車組由2～3節(jié)車組成，縮比為1∶16～1∶25.2，如圖2(b)所示，以適應(yīng)不同線間距試驗(yàn)的需要.

圖2 動(dòng)模型試驗(yàn)試驗(yàn)臺(tái)及模型車

(2)加速系統(tǒng) 為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)模型動(dòng)車組的高速度，自主研制了二級(jí)動(dòng)滑輪增速機(jī)構(gòu)的加速系統(tǒng)，能使模型動(dòng)車組從靜止加速到500 km/h.

(3)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)能可靠地控制動(dòng)模型試驗(yàn)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，即控制彈射力加載(通過(guò)對(duì)彈射力進(jìn)行檢測(cè)，返回信號(hào)到控制系統(tǒng))、安全預(yù)警、單端發(fā)射、單端車載系統(tǒng)與地面系統(tǒng)同步采樣、雙端同步發(fā)射、兩交會(huì)動(dòng)車組的車載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)同步采樣等，以確保在試驗(yàn)時(shí)獲得時(shí)間和空間上一致的試驗(yàn)數(shù)據(jù).可控彈射速度0～500 km/h.

(4)測(cè)試系統(tǒng) 由車載測(cè)試系統(tǒng)和地面測(cè)試系統(tǒng)兩大部分組成.兩個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)在控制系統(tǒng)的同步控制信號(hào)作用下協(xié)調(diào)工作，完成試驗(yàn)過(guò)程各參量的動(dòng)態(tài)測(cè)量、數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理.

車載測(cè)試系統(tǒng):用于實(shí)時(shí)測(cè)量、采集、存儲(chǔ)、傳輸動(dòng)車組交會(huì)空氣壓力波、動(dòng)車組表面壓力分布、模型動(dòng)車組運(yùn)行速度等有關(guān)信息.由固化在一起的軟件和硬件組成，軟件包括實(shí)時(shí)采集、預(yù)處理、聯(lián)機(jī)通訊與調(diào)試軟件，硬件包括數(shù)據(jù)采集主板、傳感器和適配器、串行通訊接口.

地面測(cè)試系統(tǒng):用于實(shí)時(shí)測(cè)量試驗(yàn)段出入口的模型動(dòng)車組運(yùn)行速度、動(dòng)車組過(guò)隧道時(shí)隧道內(nèi)的空氣壓力變化以及環(huán)境參數(shù)等.包括瞬態(tài)壓力傳感器、低通濾波放大器、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng).

(5)制動(dòng)系統(tǒng) 由于動(dòng)模型動(dòng)車組內(nèi)裝有車載測(cè)試系統(tǒng)，若用電磁制動(dòng)或渦流制動(dòng)，為防止制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)車載測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，需要采取有效的抗干擾措施，但這樣作將大大增加車載系統(tǒng)的質(zhì)量，并且使測(cè)控系統(tǒng)變得極為復(fù)雜，因此，動(dòng)模型試驗(yàn)裝置采用機(jī)械制動(dòng)方式.模型車在整個(gè)制動(dòng)段的平均沖擊力很大，如果制動(dòng)措施不當(dāng)，沖擊力將急劇增加，為避免制動(dòng)時(shí)動(dòng)模型動(dòng)車組沖擊力和減速度過(guò)大，損壞車載測(cè)試系統(tǒng)和動(dòng)模型動(dòng)車組，在試驗(yàn)線制動(dòng)段采用分級(jí)逐步減速停車，通過(guò)摩擦制動(dòng)、活塞制動(dòng)及其后的制動(dòng)盤(pán)制動(dòng)，使高速運(yùn)行的模型動(dòng)車組能在從500 km/h減速到最終停車.

2 動(dòng)模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

動(dòng)模型試驗(yàn)研究主要包括明線列車風(fēng)、明線交會(huì)、單車過(guò)隧道、隧道內(nèi)交會(huì)等工況的測(cè)試和分析.

(1)明線運(yùn)行 明線運(yùn)行各速度下，距軌道中心3.0 m，軌面上方0.2、1.44 m 處列車風(fēng)風(fēng)速;

(2)明線交會(huì) 動(dòng)車組交會(huì)壓力波特性測(cè)試分析;

(3)單車過(guò)單線隧道 動(dòng)車組表面壓力波傳播規(guī)律測(cè)試;動(dòng)車組表面壓力變化分析;隧道表面壓力壓力變化分析;隧道洞口微氣壓波測(cè)試分析;

(4)單車過(guò)雙線隧道 動(dòng)車組表面壓力變化分析;隧道表面壓力壓力變化分析;隧道洞口微氣壓波測(cè)試分析;

(5)隧道內(nèi)交會(huì) 動(dòng)車組表面壓力波傳播規(guī)律測(cè)試;動(dòng)車組表面壓力變化分析;隧道表面壓力壓力變化分析;

2.2 試驗(yàn)工況

根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容與要求，動(dòng)模型試驗(yàn)工況如表1、表2所示，其中明線運(yùn)行列車風(fēng)工況(模型比例為1∶16.8)及單車過(guò)隧道工況(隧道斷面為59 m2和線間距為42 m、隧道斷面為80m2)均適用于表1;明線交會(huì)工況(線間距為4.2 m，模型比例為1∶16.8)及隧道交會(huì)工況(線間距4.2 m，隧道斷面為80 m2)適用于表2.

表1 城際動(dòng)車組明線運(yùn)行、單車過(guò)隧道工況

表2 城際動(dòng)車組明線、隧道交會(huì)工況

2.3 模型實(shí)際布置情況

動(dòng)模型試驗(yàn)中，隧道模型與動(dòng)車組模型的實(shí)際布置情況以及各種結(jié)構(gòu)的模型見(jiàn)圖3所示，在軌道和隧道模型設(shè)計(jì)時(shí)，嚴(yán)格控制模型阻塞比(動(dòng)車組橫截面和隧道凈空面積比)和實(shí)際動(dòng)車組過(guò)隧道的阻塞比相等.

圖3 隧道斷面尺寸分布圖

2.4 模型測(cè)壓點(diǎn)布置

圖4為隧道壁面上的測(cè)壓點(diǎn)布置示意圖，試驗(yàn)中在隧道壁面上共布置有23個(gè)測(cè)點(diǎn)，圖中可見(jiàn)的(即距隧道右端口進(jìn)入的單動(dòng)車組壁面較近的)隧道壁面測(cè)點(diǎn)數(shù)為15個(gè)，另一側(cè)壁面的測(cè)點(diǎn)數(shù)為2個(gè);另外，在出隧道口對(duì)應(yīng)沒(méi)縮比前10、20和30 m的位置分別布置了3個(gè)測(cè)點(diǎn)，用于檢測(cè)隧道出口處的微氣壓波.

圖4 隧道模型測(cè)壓點(diǎn)布置示意圖

動(dòng)車組模型測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示:

T1～T16為動(dòng)車組頭車測(cè)點(diǎn)，其中:T1為頭車鼻尖測(cè)點(diǎn);T3為頭車曲線部分頂部測(cè)點(diǎn)，T11為頭車直線段頂部測(cè)點(diǎn);交會(huì)側(cè)測(cè)點(diǎn):T2、T4、T7、T12、T14、T15、T16;靠近隧道壁測(cè)點(diǎn):T5、T6、T8、T9、T10、T13.

Z1～Z13為動(dòng)車組中間車測(cè)點(diǎn)，其中Z6為頂部測(cè)點(diǎn);交會(huì)側(cè)測(cè)點(diǎn):Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z7、Z8 靠近隧道壁測(cè)點(diǎn):Z9、Z10、Z11、Z12、Z13.

W1～W16為動(dòng)車組尾車測(cè)點(diǎn)，其中:W3為頭車曲線部分頂部測(cè)點(diǎn)，W11為頭車直線段頂部測(cè)點(diǎn)，交會(huì)側(cè)測(cè)點(diǎn):W2、W4、W7、W12、W14、W15、W16，靠近隧道壁測(cè)點(diǎn):W5、W6、W8、W9、W10、W13.

圖5 動(dòng)模型試驗(yàn)布點(diǎn)圖

3 結(jié)果與分析

3.1 明線交會(huì)結(jié)果分析

(1)動(dòng)車組交會(huì)壓力波頭波先出現(xiàn)正波，然后迅速變成負(fù)波，頭波的正、負(fù)峰值在另一交會(huì)動(dòng)車組頭部鼻尖到達(dá)時(shí)產(chǎn)生;尾波則先負(fù)波后正波，尾波的負(fù)、正峰值在另一交會(huì)動(dòng)車組尾車鼻尖點(diǎn)到達(dá)時(shí)產(chǎn)生;

(2)動(dòng)車組最大交會(huì)壓力波幅值如表3所示;

(3)動(dòng)車組明線交會(huì)時(shí)，交會(huì)側(cè)測(cè)點(diǎn)交會(huì)壓力波幅值遠(yuǎn)大于非交會(huì)側(cè)測(cè)點(diǎn)，且非交會(huì)側(cè)受另一交會(huì)動(dòng)車組影響小，交會(huì)壓力波波形沒(méi)有交會(huì)側(cè)測(cè)點(diǎn)明顯;

表3 最大交會(huì)壓力波幅值

(4)比較不同交會(huì)速度下，相同測(cè)點(diǎn)的壓力波幅值，可以發(fā)現(xiàn)速度對(duì)交會(huì)壓力波的幅值影響非常大，交會(huì)速度越大，測(cè)點(diǎn)交會(huì)壓力波的幅值越大.對(duì)于不等速交會(huì)，交會(huì)車的速度對(duì)測(cè)點(diǎn)交會(huì)壓力波幅值影響比較大，但是，測(cè)試車本身的速度變化對(duì)測(cè)點(diǎn)交會(huì)壓力波幅值影響比較小.

3.2 單車過(guò)59 m2單線隧道結(jié)果分析

(1)動(dòng)車組表面鼻尖點(diǎn)位置處測(cè)點(diǎn)1壓力正壓峰值最大，幅值亦最大;其它測(cè)點(diǎn)幅值相對(duì)要小一些;

(2)由于單線隧道軌道位于隧道中心，流場(chǎng)具有較好的對(duì)稱性，動(dòng)車組表面兩側(cè)對(duì)稱測(cè)點(diǎn)壓力變化相差比較小;

(3)隨著動(dòng)車組運(yùn)行速度的提高，動(dòng)車組表面測(cè)點(diǎn)、隧道表面壓力變化峰值增大，各速度下，最大壓力變化幅值如表4所示.

表4 最大壓力變化幅值(59 m2)

(4)微氣壓波幅值基本和距隧道出口距離成反比，200 km/h通過(guò)隧道時(shí)，離隧道出口10 m和20 m處的微氣壓波幅值為24.2 Pa和10.4 Pa.

3.3 單車過(guò)80 m2雙線隧道結(jié)果分析

(1)動(dòng)車組表面鼻尖點(diǎn)位置處測(cè)點(diǎn)壓力變化幅值亦最大;其它測(cè)點(diǎn)幅值相對(duì)要小一些;

表5 最大壓力變化幅值(80 m2)

(2)隨著動(dòng)車組運(yùn)行速度的提高，動(dòng)車組表面測(cè)點(diǎn)、隧道表面壓力變化峰值增大，各速度下，最大壓力變化幅值如表5所示;

(3)微氣壓波幅值基本和距隧道出口距離成反比，200 km/h通過(guò)隧道時(shí)，離隧道出口10 m和20 m處的微氣壓波幅值為18.8 Pa和8.8 Pa.

3.4 動(dòng)車組80 m2隧道內(nèi)交會(huì)結(jié)果分析

(1)動(dòng)車組表面鼻尖點(diǎn)位置處測(cè)點(diǎn)壓力變化幅值亦最大;其它測(cè)點(diǎn)幅值相對(duì)要小一些;

(2)各速度下，動(dòng)車組表面測(cè)點(diǎn)、隧道表面最大壓力變化幅值如表6所示.

表6 最大壓力變化幅值

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