一種測試移動(dòng)列車?橋梁系統(tǒng)氣動(dòng)特性的U形滑道和方法

鄒云峰 ，何旭輝 ，鄒思敏 ，黃永明 ，左太輝

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2. 高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410075)

目前，我國高速列車運(yùn)行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)今世界高速列車240 km/h的平均運(yùn)營速度和320 km/h的最高運(yùn)營速度[1]。為適應(yīng)列車高運(yùn)行速度，動(dòng)車組采用大型中空鋁合金型材料或不銹鋼薄筒型輕量化結(jié)構(gòu)，使得動(dòng)車組車體重量較傳統(tǒng)機(jī)車車輛減輕了50%。列車行駛高速化和車體輕量化勢必使得列車對(duì)風(fēng)荷載的作用更為敏感，高速列車在強(qiáng)風(fēng)下的安全運(yùn)行問題愈加突出。為了更好控制線路線形、保護(hù)耕地、滿足經(jīng)濟(jì)以及快速施工等要求，我國高速鐵路多采用“以橋代路”方式，導(dǎo)致已建和在建高速鐵路橋梁占線路里程比例非常高，平均50%以上，最高達(dá)94.2%(廣珠城際鐵路)。列車與橋梁之間不僅存在顯著的動(dòng)力相互作用，橋梁氣動(dòng)特性隨列車的到達(dá)和離去而改變，橋上車輛則處于橋梁斷面的繞流之中，二者之間的相互氣動(dòng)干擾也非常復(fù)雜，使得車-橋系統(tǒng)氣動(dòng)特性較單車和單橋時(shí)明顯不同，且往往對(duì)列車安全運(yùn)行不利[2?4]。事實(shí)上，日本早在 1986年調(diào)查山陰線餘部橋上的翻車墜橋事故發(fā)生原因時(shí)便指出必須將列車和橋梁作為整體系統(tǒng)進(jìn)行氣動(dòng)特性綜合分析[5]。風(fēng)洞試驗(yàn)是研究空氣動(dòng)力學(xué)問題的有效方法之一，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已建立了較為完善的相似理論和測試方法。對(duì)于只有列車存在的情況，可按照運(yùn)動(dòng)相對(duì)性原理，認(rèn)為列車靜止不動(dòng)，與列車速度大小相同、方向相反的空氣流過列車(風(fēng)速與列車運(yùn)行速度之間的關(guān)系如圖1所示，圖中，V為車輛運(yùn)行速度，W為自然風(fēng)速，U為相對(duì)車輛風(fēng)速，α為自然風(fēng)與車輛的夾角，β為相對(duì)風(fēng)速U與車輛的夾角)，列車承受的氣動(dòng)力與列車運(yùn)動(dòng)在靜止的空氣中承受的氣動(dòng)力完全相同[6]，其氣動(dòng)力測試方法可直接參考現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗(yàn)測試技術(shù)。然而，對(duì)于車?橋系統(tǒng)，由于只有列車沿順橋向運(yùn)動(dòng)，通過設(shè)置模型風(fēng)向角來考慮車輛運(yùn)動(dòng)對(duì)車?橋系統(tǒng)氣動(dòng)特性的影響不能反映實(shí)際情況。但是，移動(dòng)模型列車?橋梁系統(tǒng)氣動(dòng)特性測試的風(fēng)洞試驗(yàn)非常困難，主要有以下2個(gè)方面的問題：1) 在風(fēng)洞中實(shí)現(xiàn)模型列車的移動(dòng)；2) 移動(dòng)模型列車氣動(dòng)力的測試方法(已有適用于模型靜止時(shí)的有線氣動(dòng)力測試方法不適用于模型移動(dòng)情況)。本文介紹利用中南大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)室在這方面研究取得的進(jìn)展，以供同行開展類似研究參考。

圖1　風(fēng)速與列車運(yùn)行速度關(guān)系Fig.1　Relation between wind speed and train running speed

1　已有列車動(dòng)模型空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)裝置

列車運(yùn)行會(huì)引發(fā)其與空氣間的相互作用，進(jìn)而產(chǎn)生影響行車能耗及舒適性甚至安全性等一系列空氣動(dòng)力學(xué)問題。由于這些問題與列車速度呈幾何級(jí)關(guān)系，因而會(huì)隨列車速度的增加急劇凸顯。為研究列車速度不斷提高而帶來的的交會(huì)、穿越隧道等列車空氣動(dòng)力學(xué)問題，人們從20世紀(jì)90年代便開始研發(fā)列車動(dòng)模型試驗(yàn)裝置。然而，只有少數(shù)學(xué)者成功研制列車動(dòng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)，例如，英國鐵路Derb研究中心利用長132 m的軌道模型，研制了世界上第一套軌道導(dǎo)軌的列車動(dòng)模型試驗(yàn)裝置[7]；隨后，Doi等[8]利用壓縮空氣獲得動(dòng)力，可將1/30縮尺比模型列車加速到500 km/h；為研究列車在隧道中運(yùn)行時(shí)的壓力波，Pope[9]采用橡皮筋發(fā)射器作為動(dòng)力裝置實(shí)現(xiàn)列車模型的加速；Bain等[10]則采用空氣炮驅(qū)動(dòng)車輛模型；毛軍等[11]則采用復(fù)雜的轉(zhuǎn)速系統(tǒng)帶動(dòng)列車模型；田紅旗[6]采用橡皮筋彈射加速方法，利用長162 m的試驗(yàn)線，可實(shí)現(xiàn)模型列車最高速度達(dá)350 km/h，該系統(tǒng)是目前世界上規(guī)模最大的列車動(dòng)模型試驗(yàn)裝置。YANG等[12]通過壓縮空氣獲得動(dòng)力給1/8幾何縮尺比的列車模型加速，即使重達(dá)265 kg的列車模型，速度也可達(dá)401 km/h，但需要近70 m長的剎車距離。雖然上述動(dòng)模型裝置不是針對(duì)車?橋系統(tǒng)氣動(dòng)特性的風(fēng)洞試驗(yàn)測試，但其列車模型的移動(dòng)方法值得借鑒?？煽闯?，這些裝置均是通過外部動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)模型列車的移動(dòng)，盡管不同裝置的動(dòng)力源略有差異，但其原理相似，列車模型的運(yùn)動(dòng)過程可分為加速段、無動(dòng)力慣性運(yùn)動(dòng)段(試驗(yàn)區(qū))和制動(dòng)減速段，因而試驗(yàn)段往往長達(dá)上百米。由于風(fēng)洞寬度通常較小(10 m級(jí))，這些模型列車驅(qū)動(dòng)方法并不適用于風(fēng)洞試驗(yàn)。

為在風(fēng)洞中測試移動(dòng)車輛?橋梁系統(tǒng)氣動(dòng)特性，李永樂等[13?14]在國內(nèi)率先研發(fā)了一套移動(dòng)車輛?橋梁模型風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)，該裝置示意圖如圖 2所示。由圖2可看出，車輛模型通過支架與天平固定于滑塊上，再由復(fù)雜的牽引系統(tǒng)牽引滑塊沿著風(fēng)洞頂板的導(dǎo)軌移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)車輛模型的移動(dòng)，車輛模型的滑動(dòng)包括加速、勻速和降速3個(gè)階段。即使西南交通大學(xué)XNJD-3風(fēng)洞寬達(dá)22.5 m(世界目前最大邊界層風(fēng)洞)，但由于該裝置加速段和減速度長度各需4.5 m，有效試驗(yàn)段長度僅為9.0 m[14]，利用率僅為50%。從圖2(b)可進(jìn)一步觀察到，天平測得的氣動(dòng)力包含了支架部分、車輛模型的慣性力及滑塊與導(dǎo)軌的摩擦力等，測試結(jié)果精度還可進(jìn)一步提高，且車輪與軌道并未接觸，而保持一定的間隙，并不能真實(shí)模擬車底氣流繞流情況。

圖2　李永樂研發(fā)的移動(dòng)車輛?橋梁系統(tǒng)氣動(dòng)特性測試裝置Fig.2　Aerodynamic characteristic test device of moving train model-bridge system in papers by Li

2　中南大學(xué)移動(dòng)列車模型?橋梁系統(tǒng)氣動(dòng)特性測試方法

2.1　模型列車移動(dòng)系統(tǒng)

中南大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室(圖3)是“高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室”的重要組成部分，于2012年6月完成性能測試及流場校測，迄今為止總投資超過2 000萬元。該風(fēng)洞為回流式并列雙試驗(yàn)段的大型低速邊界層風(fēng)洞，風(fēng)洞系統(tǒng)動(dòng)力部分由6臺(tái)額定功率為335 kW的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的軸流風(fēng)機(jī)構(gòu)成，風(fēng)機(jī)采用3×2布置。第1試驗(yàn)段(高速試驗(yàn)段)寬3.0 m，高3.0 m和長15.0 m，試驗(yàn)風(fēng)速在0～94 m/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)(最高風(fēng)速的民用風(fēng)洞)；第 2試驗(yàn)段(低速試驗(yàn)段)寬12.0 m，高3.5 m和長18.0 m，試驗(yàn)風(fēng)速在0～20 m/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。試驗(yàn)系統(tǒng)擁有全套的測試設(shè)備，如美國JR3高精度六分量測力天平、日本進(jìn)口的基恩士激光位移計(jì)、Scanivalve公司的 DSM3400電子式壓力掃描閥系統(tǒng)、美國 TSI公司熱線風(fēng)速儀、澳大利亞TSI公司眼鏡蛇探針和DH5923N動(dòng)態(tài)信號(hào)測試分析系統(tǒng)等，可基本滿足各類風(fēng)洞試驗(yàn)的測試需求。

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的建立初衷則是研究高速列車、橋梁等空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)與防災(zāi)減災(zāi)，在設(shè)計(jì)時(shí)便已考慮為發(fā)展移動(dòng)模型列車裝置創(chuàng)造可行條件，將高、低試驗(yàn)段錯(cuò)層布置，兩試驗(yàn)段中心線標(biāo)高相差1.75 m(圖3)，并在低速試驗(yàn)段下壁預(yù)留軌道安裝接口，可添加橫向模型列車運(yùn)動(dòng)軌道及發(fā)射、接收裝置。根據(jù)中南大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)的上述特點(diǎn)，開發(fā)的動(dòng)模型裝置——U形滑道如圖4所示[15]。該裝置主要包括以下3部分。

圖3　中南大學(xué)風(fēng)洞效果圖Fig.3　Schematic diagram of the wind tunnel

圖4　U形滑道Fig.4　U-shape launching ramp

1) 車橋模型

本文以京滬高速鐵路 32 m 簡支梁(雙線)、CRH2列車為列說明研發(fā)的U形滑道系統(tǒng)，其他車?橋系統(tǒng)的風(fēng)洞試驗(yàn)原理基本與之一致。風(fēng)洞試驗(yàn)通常需要采用縮尺模型，綜合考慮阻塞率(模型順風(fēng)向投影最大面積與風(fēng)洞截面面積的之比)及模型細(xì)部結(jié)構(gòu)模擬等，選取幾何縮尺比為1:25。列車、橋梁模型均嚴(yán)格滿足幾何相似，外形與實(shí)物保持一致，并保證模型具有一定的剛度和強(qiáng)度，保證模型在試驗(yàn)風(fēng)速下不發(fā)生變形和振動(dòng)。另外，列車的車輪和橋上的軌道也按幾何縮尺比進(jìn)行縮尺模擬(圖5)，并保證車輛模型能在軌道上沿順橋向自由滑動(dòng)，一定程度上再現(xiàn)車輪在軌道上行走，也能較為真實(shí)的模擬車底氣流繞流情況。需要指出的是，為減小模型列車與軌道之間的摩擦力，應(yīng)盡可能的保證模型軌道的平順性。

2) 滑動(dòng)裝置

由現(xiàn)有動(dòng)模型裝置回顧可知，列車模型的滑動(dòng)通常由復(fù)雜的動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)。對(duì)此，基于制作的列車模型能在模型軌道上自由滑動(dòng)，通過將重力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能來實(shí)現(xiàn)模型列車的滑動(dòng)，避免了復(fù)雜動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置的開發(fā)。具體實(shí)現(xiàn)過程為：2個(gè)半U(xiǎn)形滑道分別對(duì)接在橋梁模型兩端組成一個(gè)大 U形滑道(圖4(b))，試驗(yàn)時(shí)將列車置于U形滑道一側(cè)的一定高度下滑(不同高度對(duì)應(yīng)于車輛不同的滑動(dòng)速度)，通過重力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能實(shí)現(xiàn)列車的滑動(dòng)，列車滑動(dòng)到另一端一定高度時(shí)，動(dòng)能又轉(zhuǎn)換為勢能，列車會(huì)自然停止，即U形滑道的另一端具備緩沖作用，而不用設(shè)置專門的緩沖裝置。為盡可能延長試驗(yàn)段長度(試驗(yàn)段長度與風(fēng)洞試驗(yàn)段寬度盡可能接近)及提高列車滑動(dòng)速度(提升U形滑道高度)，結(jié)合中南大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室在低速試驗(yàn)段兩側(cè)預(yù)留的軌道安裝接口，可將U形滑道弧線部分移至風(fēng)洞外，如圖6所示。以中南大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)室為例，低速試驗(yàn)段寬12 m，有效試驗(yàn)段可長達(dá)10 m(利用率80%以上)，車輛滑動(dòng)速度大于10 m/s。需要指出的是，本文采用的軌道導(dǎo)軌(模型軌道)一側(cè)為一整條，即相當(dāng)于實(shí)際的無縫軌道，以減小車輛與軌道間的摩擦力，提高滑動(dòng)速度。

圖5　車橋模型Fig.5　Models of vehicle and bridge

3) 半自動(dòng)化爬升裝置

列車從滑道頂端下滑的動(dòng)力來源于重力勢能，完成一次試驗(yàn)后，列車下滑到橋面。為保證測試結(jié)果精度，通常需要進(jìn)行多次測試，即位于橋面的模型列車需要回到滑道頂端，但這一過程不便在試驗(yàn)過程中通過人力實(shí)現(xiàn)(風(fēng)洞正在吹風(fēng))。為此研制一套半自動(dòng)化爬升裝置，該裝置主要包含類似卷揚(yáng)機(jī)機(jī)構(gòu)和可遙控控制的電機(jī)，采用半自動(dòng)化方式控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型列車，為模型列車回到滑道頂端提供向上的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，而無需人工介入。具體實(shí)現(xiàn)過程為(圖6)，在U形滑道頂端設(shè)有一類似卷揚(yáng)機(jī)的機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)上的鋼絲繩通過掛鉤系在列車模型尾部，并通過半自動(dòng)化控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)(電機(jī)可由遙控器進(jìn)行控制)，列車模型可在鋼絲繩的牽引下沿滑道往上行走到指定位置，之后關(guān)閉電機(jī)，列車模型在重力作用下沿著軌道往下滑動(dòng)，進(jìn)行一次測試。如此循環(huán)反復(fù)可進(jìn)行多次試驗(yàn)。另外，由于本文橋梁模型為雙線橋梁，為實(shí)現(xiàn)不同軌道列車模型的控制，在 U形滑道兩端各裝有一套半自動(dòng)化爬升裝置。

圖6　風(fēng)洞外的U形滑道及半自動(dòng)化爬升裝置Fig.6　U-shape launching ramp and semi-automatic climbing device outside the wind tunnel

2.2　移動(dòng)模型列車氣動(dòng)特性測試系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)模型列車的滑動(dòng)只是測試移動(dòng)列車?橋梁系統(tǒng)氣動(dòng)特性的前提，較準(zhǔn)確的測得車?橋系統(tǒng)氣動(dòng)特性才是最終目的。由于橋梁仍保持靜止，故橋梁模型的氣動(dòng)力可采用現(xiàn)有的有線同步測壓系統(tǒng)或動(dòng)態(tài)高頻天平測力系統(tǒng)測試，這些方法在結(jié)構(gòu)風(fēng)工程中已較為成熟，不再贅述。對(duì)于滑動(dòng)列車模型而言，已有適用于模型靜止時(shí)的有線氣動(dòng)力測試方法不再適用。此外，由于模型運(yùn)動(dòng)會(huì)引起慣性力、車輪與軌道的摩擦力等外力，直接測力的方法難以剔除這些外力，氣動(dòng)力測試結(jié)果的精度難以保證。文獻(xiàn)[6]指出壓差是結(jié)構(gòu)氣動(dòng)力的主要來源，測壓方法由于直接測得的是風(fēng)壓，可有效避免上述外力的干擾，保證移動(dòng)列車氣動(dòng)力測試結(jié)果精度。為此，開發(fā)了一套無線風(fēng)壓測試系統(tǒng)(圖 7)[16]，由于風(fēng)洞洞體為鋼結(jié)構(gòu)，對(duì)無線信號(hào)有屏蔽作用，為保證數(shù)據(jù)不遺漏，試驗(yàn)時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)保存在芯片的采集卡里面，而只是無線控制數(shù)采軟件，待測試完成后將試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦中進(jìn)行后續(xù)處理。目前已初步完成該系統(tǒng)測試結(jié)果與掃描閥測試風(fēng)壓和動(dòng)態(tài)天平測力結(jié)果的校核，偏差小于 5%，可滿足試驗(yàn)要求。由于是通過風(fēng)壓對(duì)面積積分獲得氣動(dòng)力，理論上可獲得6個(gè)分量的氣動(dòng)力。

圖7　開發(fā)的無線風(fēng)壓測試系統(tǒng)Fig.7　Wireless wind pressure test system

3　結(jié)論

1) 通過將重力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能實(shí)現(xiàn)車輛模型的滑動(dòng)，無需開發(fā)復(fù)雜的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置，同時(shí)利用動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)車輛的減速，而不用設(shè)置專門的緩沖裝置。

2) 將 U形滑道加速段置于風(fēng)洞外部，盡可能地延長試驗(yàn)段；將列車至于U形滑道不同高度可獲得不同的滑動(dòng)速度，能較方便地調(diào)節(jié)車輛滑動(dòng)速度。

3) 為測試滑動(dòng)車輛的氣動(dòng)特性及保證測試結(jié)果的精度，開發(fā)了一套無線風(fēng)壓測試系統(tǒng)，初步驗(yàn)證表明該系統(tǒng)能滿足車?橋系統(tǒng)氣動(dòng)特性的風(fēng)洞試驗(yàn)測試需求。