城市快速軌道交通車輛廢氣排放異響問(wèn)題分析

胡佳喬

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，210031，南京//第一作者，高級(jí)工程師)

廢氣排放(以下簡(jiǎn)為“廢排”)裝置是城市軌道交通車輛空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分之一。軌道交通車輛通常采用自然排風(fēng)式廢排，應(yīng)用非常成熟。但隨著軌道交通車輛的最高運(yùn)行速度由80 km/h提升至100～120 km/h，原有的廢排裝置在使用中出現(xiàn)了新的問(wèn)題。

本文針對(duì)某120 km/h速度等級(jí)的軌道交通線路,其車輛在采用自然排風(fēng)式廢排裝置遇到的異響問(wèn)題，對(duì)異響的原因進(jìn)行了分析和試驗(yàn)，并通過(guò)有限元分析手段，對(duì)原有方案和改進(jìn)方案進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 廢排裝置的布置和結(jié)構(gòu)

1. 1 廢排裝置的布置

本項(xiàng)目為6節(jié)編組車輛，配置了4節(jié)動(dòng)車和2節(jié)拖車。每節(jié)車布置有4個(gè)廢排裝置，安裝在車頂?shù)闹虚g區(qū)域，動(dòng)車和拖車中的布置位置相同。圖1為動(dòng)車車頂上廢排裝置布置示意圖。

圖1 軌道交通車輛廢氣排放裝置布置圖(動(dòng)車車頂)

1. 2 廢排裝置的功能

軌道交通車輛空調(diào)系統(tǒng)正常工作時(shí)，為了維持車內(nèi)空氣的新鮮度，經(jīng)空調(diào)機(jī)組處理后的空氣由送風(fēng)道送入客室內(nèi)，排出的空氣一部分由空調(diào)機(jī)組底部回風(fēng)口回到機(jī)組，另一部分則從車頂廢排口排出。

1. 3 自然排風(fēng)式廢排裝置的結(jié)構(gòu)形式

廢排裝置主要分為強(qiáng)迫式廢排裝置和自然排風(fēng)式廢排裝置兩種。前者通常由風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，將車內(nèi)空氣強(qiáng)行排出；后者無(wú)外部驅(qū)動(dòng)，以空調(diào)系統(tǒng)建立的正壓為驅(qū)動(dòng)力，將車內(nèi)空氣排出。本項(xiàng)目所用的廢排裝置為自然排風(fēng)式，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該廢排裝置的核心結(jié)構(gòu)是金屬擋板和轉(zhuǎn)軸。當(dāng)軌道交通車輛空調(diào)機(jī)組工作時(shí)，在室內(nèi)正壓的作用下，客室內(nèi)空氣克服重力推動(dòng)金屬擋板繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，打開廢排通道。

圖2 廢排裝置結(jié)構(gòu)剖面圖

2 廢排裝置布置異響情況調(diào)查

2. 1 廢排異響問(wèn)題的確認(rèn)

在本項(xiàng)目開通運(yùn)營(yíng)后，頻繁出現(xiàn)了廢排裝置發(fā)出異響的情況。異響集中發(fā)生在列車的第3、4節(jié)車廂，而頭部2節(jié)和尾部2節(jié)車并沒有發(fā)生異響。為查找出問(wèn)題所在，需要進(jìn)行一系列的確認(rèn)工作：

1) 對(duì)本項(xiàng)目的所有列車進(jìn)行普查，確定了異響主要大部分發(fā)生在第3、4節(jié)車，其他車輛偶有發(fā)生。

2) 異響在進(jìn)出隧道口處發(fā)生較頻繁，但與列車是否在隧道內(nèi)沒有直接關(guān)系。列車在露天線路上運(yùn)行時(shí)也會(huì)發(fā)生異響。

3) 為排除廢排質(zhì)量問(wèn)題，采用換件法測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，異響并未隨廢排裝置的更換而轉(zhuǎn)移，仍然集中發(fā)生在第3、4節(jié)車上。

2. 2 廢排裝置異響問(wèn)題分析

1) 經(jīng)過(guò)觀察，猜測(cè)異響是由于廢排擋板發(fā)生震顫或產(chǎn)生晃動(dòng)后，與廢排結(jié)構(gòu)碰撞產(chǎn)生。因此，嘗試將風(fēng)口處四周膠條改為更加軟質(zhì)發(fā)泡膠條，并在擋風(fēng)板上貼吸聲材料，但此方法未能徹底解決問(wèn)題。

2) 異響僅在第3、4節(jié)車集中出現(xiàn)，且故障不隨部件更換轉(zhuǎn)移，可以排除廢排設(shè)施部件的質(zhì)量問(wèn)題因素。該廢排裝置在80 km/h速度等級(jí)的軌道交通系統(tǒng)中大量且長(zhǎng)時(shí)間使用，均并未出現(xiàn)異響的類似問(wèn)題。查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料后發(fā)現(xiàn)，列車速度提高后，車外的負(fù)壓隨速度增加而增大[1]，與80 km/h的速度相比，120 km/h速度下列車的車外負(fù)壓增大近一倍；廢排的排風(fēng)性能也隨著車外負(fù)壓的增大而下降[2]；同時(shí)，根據(jù)一些研究的結(jié)果，列車車速達(dá)到90 km/h后，車外的壓力波動(dòng)最大幅值、3 s內(nèi)壓力波動(dòng)幅值都將明顯增大[3]。根據(jù)以上研究結(jié)果，推斷本項(xiàng)目的廢排裝置異響問(wèn)題是由于上述因素共同作用，廢排擋板在外部壓力快速變化的情況下產(chǎn)生了震顫和晃動(dòng)，從而導(dǎo)致了異響的發(fā)生。

基于以上推斷，嘗試采用膠帶固定廢排擋板后，廢排裝置異響消失，從而確定了廢排裝置異響問(wèn)題的原因。

3 120 km/h軌道交通車輛廢排口壓力仿真

3. 1 計(jì)算模型

考慮到列車實(shí)際運(yùn)行時(shí)車外的壓力變化具有一定的隨機(jī)性，因此采用建立穩(wěn)態(tài)模型的方式進(jìn)行仿真，即：建立單節(jié)車模型，外部條件為120 km/h露天形式的穩(wěn)態(tài)條件。采用流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件Fluent，對(duì)4個(gè)廢排裝置分別編號(hào)為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)；為明確區(qū)別每個(gè)廢排裝置兩側(cè)的排風(fēng)口，對(duì)編號(hào)進(jìn)行再細(xì)分。如圖3所示，以1號(hào)廢排裝置為例，其2個(gè)排風(fēng)口的編號(hào)分別為1-1、1-2。

圖3 車輛上廢排裝置排氣口的編號(hào)

圖4 單車節(jié)廢排裝置仿真模型

在模型中建立3個(gè)不同方案，其中圖 4 a)為原始方案；圖4 b)為方案1，在廢排裝置四周增加擋風(fēng)板的導(dǎo)流罩；圖4 c)為方案2，在方案1基礎(chǔ)上，將廢排裝置全部包裹，僅在上方留有矩形排風(fēng)口的導(dǎo)流罩。

3. 2 壓力云圖

將安裝有圖4中3種廢排裝置的列車分別進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，車速設(shè)定為120 km/h。如圖5所示，圖5 a)為原始方案時(shí)4個(gè)廢排裝置的排氣口位置壓力云圖；圖5 b)和c)分別為方案1及方案2廢排裝置的排氣口位置壓力云圖。

圖5 廢排裝置仿真模型的壓力云圖

從圖5可看出：原始方案中，同一廢排裝置的排氣口壓力差異很大；方案1情況與原始方案類似，在3號(hào)和4號(hào)廢排裝置中情況比原始方案更惡劣；方案2在同一個(gè)廢排裝置的2個(gè)排氣口處壓力基本保持一致，3號(hào)、4號(hào)廢排裝置的平均壓力高于前兩個(gè)方案，但兩側(cè)排風(fēng)口壓力保持一致。

3. 3 廢排口平均壓力計(jì)算

考慮到實(shí)際工程化的可行性，此研究階段又增加了2個(gè)新的解決方案，如圖6所示。

方案3：在方案1的基礎(chǔ)上，取消了列車縱向方向擋板，并適當(dāng)降低了橫向擋板的高度；

圖6 廢排仿真模型2個(gè)新增方案的仿真模型

方案4：在方案2的基礎(chǔ)上改進(jìn)了導(dǎo)流罩的流線型設(shè)計(jì)方案。

通過(guò)仿真軟件對(duì)單節(jié)車輛廢排裝置8個(gè)排氣口的平均壓力進(jìn)行測(cè)算，結(jié)果如表1所示。

表1 單節(jié)車輛廢排裝置的排氣口壓力 Pa

3. 4 廢排口壓力分析

由表1可知，沿列車前進(jìn)方向，前面2個(gè)廢排的4個(gè)排氣口位置(1-1、1-2、2-1、2-2)的壓力情況為：不加導(dǎo)流罩時(shí)，4個(gè)位置壓力差別很大，尤其是同一個(gè)廢排裝置左右2個(gè)排氣口間的壓差很大；安裝方案1所示導(dǎo)流罩時(shí)，壓力差明顯減??；安裝方案2所示導(dǎo)流罩時(shí)，4個(gè)位置的壓力可認(rèn)為近似相同，且壓力幅值相對(duì)較??；安裝方案3所示導(dǎo)流罩時(shí)，其效果類似于方案1，不同之處在于方案3各個(gè)排氣口壓力的絕對(duì)值比方案1各個(gè)排氣口壓力的絕對(duì)值小約20 Pa；安裝方案4所示導(dǎo)流罩時(shí)，每個(gè)廢排裝置左右2個(gè)排氣口的壓差基本為0，且方案4前面2個(gè)廢排裝置上每個(gè)排氣口位置的壓力絕對(duì)值明顯小于方案2的壓力絕對(duì)值。

由后面2個(gè)廢排的4個(gè)排氣口位置(3-1、3-2、4-1、4-2)的壓力情況也可得到上述相似的結(jié)論。方案4與前3種方案的另一個(gè)區(qū)別在于：方案4前后4個(gè)廢排裝置上所有排氣口位置的壓力均相差不大，且絕對(duì)值也較小，而前3種方案前面2個(gè)廢排裝置排氣口位置壓力絕對(duì)值較大，且與后兩個(gè)廢排裝置排氣口位置的壓力有明顯差距。因此，方案4的效果最好。

4 結(jié)語(yǔ)

列車最高運(yùn)行速度超過(guò)80 km/h的軌道交通項(xiàng)目中，隨著速度的增加，由于列車的車外負(fù)壓增大、車外最大壓力波動(dòng)幅值和3 s內(nèi)壓力波動(dòng)幅值增大等因素共同作用，導(dǎo)致了車輛廢排裝置排風(fēng)性能下降，進(jìn)而導(dǎo)致廢排擋板無(wú)法克服重力并產(chǎn)生震顫和晃動(dòng)，發(fā)出異響。因此，自然排風(fēng)式廢排裝置的異響是由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及列車速度提高共同導(dǎo)致的，該廢排結(jié)構(gòu)不適合應(yīng)用于速度較高的列車上。

在列車最大運(yùn)行速度上升至120 km/h及以上時(shí)，由于空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)車輛廢排裝置的影響，建議考慮采用強(qiáng)迫排風(fēng)式或無(wú)擋板轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)的廢排方式；如果仍然使用自然排風(fēng)方式，且有類似擋板轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)時(shí)，可考慮添加導(dǎo)流罩。建議采用流線型外形的導(dǎo)流罩。

本文僅分析了軌道交通車輛在高速運(yùn)行時(shí)廢排排氣口位置壓力的情況，建議后續(xù)可綜合考慮車輛內(nèi)部氣流與外部氣流的共同作用情況進(jìn)行更為深入的研究。