高速鐵路半封閉防風(fēng)走廊結(jié)構(gòu)動模型試驗研究

葉彩娟

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

我國新疆煙墩風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)及達(dá)坂城是我國乃至世界上鐵路風(fēng)災(zāi)最嚴(yán)重的地區(qū)之一[1]，其中百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)的風(fēng)力最為強(qiáng)勁，多次威脅既有蘭新鐵路、南疆鐵路的行車安全[2]。高速鐵路穿越大風(fēng)區(qū)地段時，列車運營面臨車體傾覆[3]、軌道積沙、沙石擊碎玻璃、接觸網(wǎng)受流不穩(wěn)、列車停運、限速天數(shù)多等問題，路基防風(fēng)工程作為國內(nèi)外鐵路建設(shè)工程領(lǐng)域的課題，對區(qū)域內(nèi)高速鐵路項目的建設(shè)有著重大的意義[4]。

在強(qiáng)大的橫風(fēng)作用下，列車存在傾覆的風(fēng)險，有可能發(fā)生翻車事故[5]。通過大風(fēng)區(qū)資料分析，在無防風(fēng)措施的情況下列車可能出現(xiàn)停運的天數(shù)為25～77 d，可能限速的天數(shù)為70～127 d。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時，地表將會失穩(wěn)，大量小沙粒及碎石開始飛躍，造成較強(qiáng)的風(fēng)沙流，軌道積沙及沙石擊打玻璃容易造成安全事故，必須采取有效的路基防風(fēng)措施才能保證列車安全運營[6-7]。

1 半封閉防風(fēng)走廊結(jié)構(gòu)動模型試驗

本次高速鐵路半封閉防風(fēng)走廊結(jié)構(gòu)動模型試驗利用中南大學(xué)的列車氣動性能模擬試驗系統(tǒng)，模擬試驗與列車實際運行時的空氣流動狀態(tài)必須滿足相似條件，以保證試驗結(jié)果的正確性[8-10]。

1.1 結(jié)構(gòu)動模型及工況

動模型試驗采用1∶20縮比模型,CRH3動車組模型采用頭車+尾車的兩車編組，車體全尺寸高3.89 m，長51.7 m；半封閉防風(fēng)走廊長500 m，軌道線間距 5 m。按1∶20縮比后，動車組模型長 2 585 mm，高194.5 mm；半封閉防風(fēng)走廊模型長25 m，線間距0.25 m。防風(fēng)走廊結(jié)構(gòu)動模型試驗各工況下參數(shù)見表1。

表1 防風(fēng)走廊結(jié)構(gòu)動模型試驗工況

圖1 CRH3動車組模型測點布置示意(單位：cm)

1.2 試驗?zāi)Ｐ筒贾?/h3>

CRH3動車組(2車編組)模型共布置了3個測點，其中車頭布置1個測點、中間車身兩側(cè)布置2個對稱測點，見圖1。半封閉防風(fēng)走廊模型結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)布置了18個測點，外側(cè)布置了9個測點，合計27個測點，見圖2。

圖2 半封閉防風(fēng)走廊模型測點布置示意(單位：mm)

2 半封閉防風(fēng)走廊模型試驗結(jié)果

2.1 動車組單車通過半封閉防風(fēng)走廊模型

2.1.1 半封閉防風(fēng)走廊模型表面壓力變化

CRH3動車組以200～350 km/h速度通過時，半封閉防風(fēng)走廊模型內(nèi)側(cè)和外側(cè)測點表面壓力分別見表2、表3。其中,Pmax,Pmin,ΔP分別為壓力最大值、壓力最小值，壓力變化值。

由表2可知：半封閉防風(fēng)走廊模型內(nèi)側(cè)測點Pmax,Pmin,ΔP的絕對值沿半封閉防風(fēng)走廊自內(nèi)壁向開口方向降低。單車車速為350 km/h時，內(nèi)側(cè)測點Pmax,Pmin,ΔP的極值分別為394，-423，817 Pa；單車車速為300 km/h時，內(nèi)側(cè)測點Pmax,Pmin,ΔP的極值分別為284，-295，579 Pa。列車運行速度越高，半封閉防風(fēng)走廊模型內(nèi)側(cè)測點壓力變化越大。

表2 半封閉防風(fēng)走廊模型內(nèi)側(cè)測點表面壓力 Pa

表3 半封閉防風(fēng)走廊模型外側(cè)測點表面壓力 Pa

由表3可知：對同一高度的外側(cè)測點而言，其壓力變化值近似與列車運行速度的平方成正比，變化規(guī)律與內(nèi)側(cè)測點相同，但與內(nèi)側(cè)對應(yīng)測點壓力值相比，外側(cè)測點壓力值較小。與內(nèi)側(cè)測點變化情況相反，模型外側(cè)面同一截面上其測點壓力值(Pmax,Pmin,ΔP)沿模型底部向開口方向有所增加。

此外，試驗還測得了防風(fēng)走廊模型內(nèi)側(cè)及外側(cè)測點壓力變化時程曲線，動車組通過防風(fēng)走廊模型時側(cè)面測點會存在與前類似的空氣壓力波，即列車頭部通過會產(chǎn)生頭波和列車尾部通過產(chǎn)生尾波，但不同測點波形變化較大，規(guī)律較復(fù)雜。

半封閉防風(fēng)走廊內(nèi)側(cè)測點12#的壓力變化值ΔP與車速的關(guān)系曲線見圖3?？芍?，壓力變化值(ΔP)近似與列車運行速度的平方成正比。

圖3 測點12#壓力變化值ΔP與車速的關(guān)系曲線

單車車速350 km/h、測點高度75 mm時半封閉防風(fēng)走廊模型內(nèi)側(cè)不同測點壓力變化曲線見圖4。可知，半封閉防風(fēng)走廊模型內(nèi)側(cè)測點壓力最大值(Pmax)、壓力最小值(Pmin)和壓力變化值(ΔP)的絕對值在模型入口處略大，中間各截面測點壓力隨測點水平位置變動很小。外側(cè)測點壓力變化及其隨水平位置的變化規(guī)律與內(nèi)側(cè)測點相似。

圖4 同一高度下防風(fēng)走廊內(nèi)側(cè)不同測點壓力

2.1.2 動車組模型表面壓力變化

動車組通過防風(fēng)走廊模型時，CRH3動車組模型車體表面測點壓力見表4。

表4 CRH3動車組模型車體表面測點壓力 Pa

由表4可知：對于車體左右兩側(cè)對稱測點的壓力變化值，靠近防風(fēng)走廊內(nèi)側(cè)稍大于另一側(cè)，車速越高測點壓力變化值越大，動車組模型同一高度的測點壓力變化值近似與列車運行速度的平方成正比。

2.2 動車組在半封閉防風(fēng)走廊中間交會

2.2.1 半封閉防風(fēng)走廊模型表面壓力變化

CRH3動車組以350～300 km/h速度在防風(fēng)走廊模型中間交會時，半封閉防風(fēng)走廊模型內(nèi)側(cè)測點表面壓力見表5。

表5 半封閉防風(fēng)走廊模型內(nèi)側(cè)測點表面壓力 Pa

由表5可知:在模型內(nèi)側(cè)測點Pmax,Pmin,ΔP的絕對值沿半封閉防風(fēng)走廊自內(nèi)壁向開口方向降低，動車組交會350 km/h對350 km/h測點Pmax,Pmin,ΔP極值分別為528,-630,1 158 Pa,動車組交會300 km/h對300 km/h測點Pmax,Pmin,ΔP的極值分別為330，-449，779 Pa，車速越高其壓力變化越大。

圖5為動車組交會350 km/h對350 km/h測點高度75 mm時半封閉防風(fēng)走廊模型內(nèi)側(cè)測點壓力與水平位置關(guān)系曲線。可知，半封閉防風(fēng)走廊模型內(nèi)側(cè)測點壓力最大值、最小值和變化值的絕對值在防風(fēng)走廊中間交會處最大。外側(cè)測點壓力變化及其隨水平位置的變化規(guī)律與內(nèi)側(cè)測點相似。

圖5 動車組交會350 km·h-1對350 km·h-1同一高度下 防風(fēng)走廊內(nèi)側(cè)測點壓力與水平位置關(guān)系曲線

CRH3動車組以350～300 km/h速度在防風(fēng)走廊模型中間交會時，防風(fēng)走廊模型外側(cè)測點表面壓力見表6。

表6 半封閉防風(fēng)走廊模型外側(cè)測點表面壓力 Pa

由表6可知：與內(nèi)側(cè)測點相似，防風(fēng)走廊模型外側(cè)測點壓力最大值、最小值和變化值的絕對值在防風(fēng)走廊中間交會處最大；與內(nèi)側(cè)對應(yīng)測點相比，外側(cè)測點壓力值較小。與內(nèi)側(cè)測點變化情況相反，在半封閉防風(fēng)走廊模型外側(cè)同一截面上測點壓力值(Pmax,Pmin,ΔP)沿模型底部向開口方向有所增加。

另外，試驗還測得了動車組交會防風(fēng)走廊模型內(nèi)側(cè)及外側(cè)測點壓力變化時程曲線，由于離防風(fēng)走廊近的一線動車組先通過防風(fēng)走廊測點，該測點先受到該動車組通過產(chǎn)生的空氣壓力波(頭波與尾波)，之后從離防風(fēng)走廊遠(yuǎn)的二線反向運行的動車組通過該測點，又使其受到一個壓力變化較小的與前相似的空氣壓力波。當(dāng)防風(fēng)走廊測點離動車組中間交會處越近，這2個空氣壓力波在時間上相隔越短，甚至可重疊。防風(fēng)走廊模型外側(cè)測點壓力波的變化與其內(nèi)側(cè)測點相似。

2.2.2 動車組模型表面壓力變化

動車組交會350 km/h對350 km/h與動車組交會300 km/h對300 km/h時，CRH3動車組模型車體表面測點壓力見表7。

表7 CRH3動車組模型車體表面測點壓力 Pa

由表7可知：對于車體左右兩側(cè)對稱測點的壓力變化值，靠近交會側(cè)大于另一側(cè);動車組交會350 km/h 對350 km/h測點Pmax,Pmin,ΔP的極值分別為485，-1 228，1 713 Pa，動車組交會300 km/h對300 km/h 測點Pmax,Pmin,ΔP的極值分別為306，-930，1 235 Pa，列車速度越高其交會壓力變化越大。

3 結(jié)論

通過在不同模型試驗工況下列車動模型試驗，研究半封閉防風(fēng)走廊與動車組模型表面空氣壓力波傳播規(guī)律、出口壓力波變化，并進(jìn)行分析，得出列車高速運行與半封閉防風(fēng)走廊的氣動力特性。

1)對同一高度的內(nèi)外側(cè)測點壓力變化值(ΔP)近似與動車組運行速度的平方成正比，且外側(cè)測點壓力變化值一般比對稱的內(nèi)側(cè)測點小較多，綜合考慮其結(jié)構(gòu)受力影響時，可主要考慮其內(nèi)側(cè)測點壓力變化。

2)動車組單車通過時，半封閉防風(fēng)走廊模型內(nèi)外側(cè)測點壓力值(Pmax，Pmin，ΔP)的絕對值在模型入口處略大，中間各截面測點壓力值隨測點水平位置變動很小。動車組在半封閉防風(fēng)走廊交會時，半封閉防風(fēng)走廊內(nèi)外側(cè)測點壓力最大值、最小值和變化值的絕對值在防風(fēng)走廊中間交會處最大。

3)動車組單車通過和交會時，在同一橫截面上半封閉防風(fēng)走廊模型內(nèi)側(cè)測點壓力值(Pmax，Pmin，ΔP)的絕對值沿模型內(nèi)壁向開口方向降低。與內(nèi)側(cè)測點變化情況相反，其模型外側(cè)測點壓力值的絕對值沿模型底部向開口方向有所增加。