地鐵車輛氣密性影響因素及主要評價指標研究

李 梁，劉家棟，孫 瑤，虞鴻基

（1. 中車株洲電力機車有限公司，湖南株洲 412005；2. 北方國際合作股份有限公司，北京 100040）

隨著國家城鎮(zhèn)化率的不斷提高、人口向城市流動的加快，城市的發(fā)展范圍越來越大，呈現(xiàn)向周邊延伸的趨勢。城市在進行軌道交通規(guī)劃及建設時，無論是對線網規(guī)劃還是對時空距離等方面的要求都發(fā)生了變化，如線路更長、乘坐時間更短等，這給城市快速軌道交通，如最高運行速度為120 km/h 的地鐵迎來了新的發(fā)展機遇。隨著城市快速軌道交通的逐步普及，以及車速的不斷提升，在這些項目的建設中也相繼出現(xiàn)了一些技術問題，如車輛氣密性問題。對于已經運營的多數(shù)地鐵而言，最高速度不大于 80 km/h 車輛的氣密性問題可不用考慮，但當列車速度超過 80 km/h 時，由于隧道內空氣壓力變化，車輛會出現(xiàn)一些氣密性問題，例如，列車運行速度為120 km/h 或以上，在線路上的部分區(qū)間或路段會導致司機、乘客出現(xiàn)耳鳴、耳痛等不適癥狀。

1 車輛氣密性評價標準

根據(jù)整車氣密性的定義，當乘客乘坐車輛時，對車輛氣密性好壞最直接的感受是車內的壓力變化，而車輛密封性能的好壞主要取決于車輛動態(tài)密封指數(shù)和靜態(tài)密封性能2 個方面。目前，針對地鐵車輛氣密性評價的標準很少，但在市域車輛標準或相關規(guī)范中進行了詳細規(guī)定，其中涉及120 km/h 速度等級氣密性的主要標準有GB/T 37532-2019《城市軌道交通市域快線120 km/h ～160 km/h 車輛通用技術條件》、T/CCES 2-2017《市域快速軌道交通設計規(guī)范》和T/CRS C0101-2017《市域鐵路設計規(guī)范》。

通過對這些標準的分析可知，針對有氣密性要求的車輛，其動態(tài)密封指數(shù)都要求大于5 s，而靜態(tài)密封性能指標可為120 km/h 的地鐵車輛提供參考的有以下2 種規(guī)定：①車廂內空氣壓力由2 100 Pa 降至1 000 Pa 的時間不小于12 s；②列車通過隧道時產生的車內瞬變壓力應小于800 Pa / 3 s。另外，根據(jù)國內外對壓力舒適性的研究可知，人耳對壓力的反應時間為3 ～4 s；目前，我國高速列車通過隧道時的人體舒適性標準也采用800 Pa / 3 s作為車內壓力變化幅值的評價標準。

綜合上述分析，120 km/h 的地鐵車輛可采用800 Pa /3 s 或車廂內空氣壓力由2 100 Pa 降至1 000 Pa的時間不小于12 s 作為車內壓力變化幅值的評價標準。

2 車輛氣密性評價方法

評價車輛氣密性的方法主要有時間常數(shù)法和等效泄漏孔面積法2 種，目前在運用過程中通常將2 種方法結合使用。

2.1 時間常數(shù)法

時間常數(shù)法采用時間常數(shù)τ 定義車輛及零部件的壓力密封性，其計算公式為：

式（1）中，ΔP 為車內外壓力差；dP/dt 為車內壓力變化梯度。

一輛地鐵車輛開始時的車內外壓力差為ΔP1，經t （s）后的車內外壓力差為ΔP2，則式（1）可改為：

一輛地鐵車輛有i（i = 1，2，…，n）個部位，其氣密性時間常數(shù)分別為τi，而整車的氣密性時間常數(shù)為τ，則τi與τ 的關系類似物理學電阻并聯(lián)的阻抗規(guī)律，其關系式為：

從式（3）可以看出，整車的氣密性與車輛各個系統(tǒng)和部件的氣密性密切相關，只有各個系統(tǒng)和部件的氣密性指標大于整車的氣密性指標時，才能保證整車氣密性指標的要求。以上計算得出的τ 稱為靜態(tài)密封性能指標，記為τstat，而動態(tài)密封指數(shù)一般需要根據(jù)實車試驗確定，記為τdyn。根據(jù)國內外的一系列研究總結和國際鐵路聯(lián)盟UIC 標準，一般取τdyn≈（1/3 ～1/2）τstat，目前國內一般取系數(shù)1/3。

2.2 等效泄漏孔面積法

等效泄漏孔面積法采用等效泄漏孔的面積大小評價列車的氣密性能。等效泄漏孔的含義是將車廂的所有縫隙和小孔由一個泄漏孔表示，它們對車內壓力變化所產生的影響是等效的，從而推導出等效泄漏面積A 的計算公式為：

式（4）中，V 為車輛內部容積；a 為本地聲速；t 為泄漏持續(xù)時間；ρ 為空氣密度；ΔP0為車廂內外泄壓試驗初始時的壓力差；ΔP 為車廂內外泄壓試驗結束時的壓力差。

3 車輛氣密性影響因素

車輛氣密性的影響因素多且復雜，國內外對高速鐵路車輛的氣密性、空氣動力學等都有較深的研究，而其與地鐵車輛各系統(tǒng)存在一定的差異，目前對于120 km/h地鐵車輛的氣密性要求和標準較少，但車輛自身氣密性、隧道阻塞比、供電制式等主要影響因素同樣存在，同時這些因素也直接或間接地影響車輛客室內的壓力變化。

3.1 車輛自身氣密性

地鐵車輛整車由車體、車門、空調、貫通道、轉向架、車鉤等各系統(tǒng)組成，而車輛在運行時，與外界空氣有直接接觸或交換的主要系統(tǒng)有車體、車窗、車門、貫通道、空調等，因此研究整車的氣密性主要從這些系統(tǒng)著手。地鐵車輛上的泄漏點較多，如每輛車至少有8 ～10 套車門、6 ～8 套車窗，以及司機室側門、緊急疏散門等；另外，地鐵車輛載客量多，要求客室的新風量大，與外界空氣交換多，這些都會增加車輛氣密性控制的難度，因此對于120 km/h 的地鐵車輛，氣密性控制和設計具有較大的難度。

當列車運行時，外界的空氣壓力將通過車體傳送到車內客室，因此車輛自身的氣密性是影響車內壓力變化的重要因素。車輛自身的氣密性越好，列車在隧道內運行時，車內的壓力波動或變化則越小；但如果一味地提高車輛氣密性，從技術實施角度看無必要，也不可行，而且會付出更高的車輛成本。高氣密性將帶來列車全壽命周期內的高成本，并非越高越好，因此應結合乘客乘坐舒適范圍允許的壓力變化綜合考慮，從而最終確定不同類型車輛的氣密性。本文通過大量的模擬仿真和試驗測得的數(shù)據(jù)得出車輛動態(tài)密封指數(shù)τdyn對于車輛壓力變化的影響，如圖1 所示。

由圖1 可得，隨著τdyn的提高，車輛客室內部的壓力變化逐漸減小，尤其當τdyn接近2.5 s 時，車內的壓力變化越來越小，因此，車輛自身的密封性能對于改善車內的壓力變化具有非常大的影響。圖1 顯示，當τdyn= 2.5 s 時，車輛客室內部的壓力變化小于500 Pa/s；當τdyn= 3 s 時，車輛客室內部的壓力變化開始小于400 Pa/s。

通過圖1 分析，對于120 km/h 的地鐵車輛，如有氣密性要求，可以考慮設置τdyn大于2.5 s，此時車輛客室內部的壓力變化小于500 Pa/s，該值能滿足TB/T 3503.3-2018《鐵路應用-空氣動力學標準 第1 部分：符號與單位》中的要求，即列車通過隧道時產生的車內壓力應小于500 Pa/s 的要求。

圖1 車輛動態(tài)密封指數(shù)τdyn 對車內壓力變化的影響

在整車氣密性確定之后，車輛各部件的指標也需要根據(jù)整車進行合理的分配，如根據(jù)T/CRS C0101-2017《市域鐵路設計規(guī)范》的要求，在整備狀態(tài)下，單節(jié)車輛關閉門窗及空調設備的對外開口時，車廂內的空氣壓力由2 100 Pa 降至1 000 Pa 的時間不小于12 s，則根據(jù)式（2）可得：當整車動態(tài)密封指數(shù)的系數(shù)取1/3 時，則τdyn= 5.39 s。各個部件在進行車輛靜態(tài)密封試驗時，至少應保證大于2 100 Pa，一般打壓到3 000 Pa，然后從2 100 Pa 開始統(tǒng)計泄漏時間。由于每個部件打壓的試驗體積并非裝車時真正的受壓體積，因此還需要根據(jù)等效泄漏孔面積公式進行換算。各個部件的指標τi可根據(jù)下式進行計算：

式（5）中，V "為部件氣密試驗密封腔容積；V 為車輛容積；Δp1為整車氣密試驗初始時的內外壓力差；Δp2為整車氣密試驗結束時的內外壓力差；為部件氣密試驗初始時的內外壓力差；為部件氣密試驗結束時的內外壓力差；為部件氣密試驗時降到所需的時間。

在計算出各個部件的τi值之后，可得出整車的靜態(tài)密封性能指標τ。

3.2 隧道阻塞比

當列車運行至隧道或在隧道內相遇時，隧道內的空氣壓縮形成壓力波動，進而引起車內壓力發(fā)生變化，影響車內乘坐的舒適度。隧道直徑不同，列車通過時客室內的壓力變化率也不同。通過在深圳地鐵11 號線中對直徑為5.4 m 和6.0 m 2 種隧道進行測試發(fā)現(xiàn)，車輛在直徑為6.0 m 的隧道中運行時，其壓力波動要明顯小于在直徑為5.4 m 的隧道，且其值小于800 Pa /3 s。具體測試結果如表1 所示。

車輛阻塞比β 可以通過車輛在隧道內的投影面積A車輛與隧道截面凈空面積A隧道之比獲得，即

如果隧道截面積越大，阻塞比則越小，車輛在隧道內運行的氣動阻力也越小。但過大的隧道面積會增加工程建設成本，因此需要合理選取。

通過國內多個項目工程的建設經驗，目前大多數(shù)項目的取值不一，部分120 km/h 地鐵車輛的阻塞比和隧道內徑如表2 所示。

在T/CCES 2-2017《市域快速軌道交通設計規(guī)范》中涉及到120 km/h、140 km/h 和160 km/h 3 種速度等級的最大阻塞比，結合既有項目的實際數(shù)據(jù)和標準分析，適用于120 km/h 速度等級的阻塞比建議應不大于0.4，隧道內徑不小于6 m。

表1 深圳地鐵11 號線不同隧道直徑的壓力變化情況

表2 國內部分120 km/h 地鐵車輛的阻塞比與隧道內徑

3.3 供電制式

地鐵車輛大多數(shù)采用DC1500V 供電，動車組或速度在160 km/h 及以上的車輛多數(shù)采用AC25kV 供電。采用DC1500V 供電時，接觸網洞內的高度一般為4 040 mm 左右；采用AC25kV 供電時，由于絕緣間隙增大，以及大多數(shù)采用柔性接觸網，其接觸網洞內高度一般為4 400～5 300 mm。接觸網洞內高度增加，車輛隧道截面則增大，因此如果采用AC25kV 供電，其隧道截面積增大，阻塞比減小，車輛在隧道內運行的氣動阻力也將減小。

對于地鐵車輛在隧道中運行，還存在其他的影響因素，如隧道中間的通風風井、線間距、隧道入口等都會對車輛的空氣動力學性能產生一定的影響，從而影響車輛的氣密性。

4 提升車輛自身氣密性的應對措施

對于車輛本身的氣密性，應從加強其密封性著手，即各個系統(tǒng)在車輛設計階段開始確定應對措施，然后根據(jù)整車要求對各個部件進行合理分配。

4.1 車體

車體建議采用鋁合金鼓型車體，結構采用長縱連續(xù)焊縫，以保證車體的密封。生產的首列列車車體大部件的所有焊縫應進行著色滲透探傷檢查，如有問題焊縫，須去除問題焊縫，重新焊接后再探傷。對于首列列車，所有外部設備在車體上的開口，在焊接時采用滿焊保證密封，并做滲透探傷檢查。對于后續(xù)生產的車體，按照一定比例對該類型焊縫進行探傷檢查。對于車內的焊接工藝孔，在組焊完成后須焊接填充，并進行滲透探傷。

4.2 車窗及車門

針對車窗氣密性，一般在車窗與車體之間采取密封圈涂密封膠的方式密封。地鐵車輛的車門數(shù)量多，對保證車輛的氣密性非常關鍵，隨著速度的提高，車輛在隧道內的氣動阻力增大，車內外壓力差也隨之增大，因此傳遞到車門的壓力則增加。目前，對于車門的氣密性，一般采用增加車門輔助鎖閉裝置、車門厚度及密封等措施密封。當速度從80 km/h 增加到120 km/h 時，壓力將增加2 倍左右，因此車輛門扇的抗壓能力需要提高。80 km/h 地鐵車輛的門扇厚度一般為32 mm，而對于120 km/h 的地鐵車輛，根據(jù)經驗計算，建議其門扇厚度為43 mm。根據(jù)單個部件氣密性試驗要求，43 mm 厚的門扇，氣壓由4 000 Pa 下降到1 000 Pa 時的保壓時間將達到210 s 以上，為整車的氣密性提供了更多保障。

4.3 貫通道

對于貫通道，首先需要加強自身部件的密封性，如折棚，其自身密封性應良好，棚布與棚布之間應添加膠帶；另外，需確保貫通道與車體連接的密封性，折棚和車體安裝框之間采用橡膠密封膠條密封，膠條的壓縮量依靠四周密封圈鎖閉裝置的壓緊力保證。對于采用分體式的貫通道，還需要加強對接框的密封。

4.4 空調

空調應從空調機組與車體密封性安裝及空調機組內部密封處理兩方面保證，尤其是空調機組的對外接口部分，如新風進風口、廢排排風口以及雨水排水口。在新風進風口及廢排排風口均設有氣動壓力波保護閥，當需要時，氣動壓力波保護閥動作，關閉該兩風口，可抑制車輛在通過隧道時外界壓力變化對客室內的影響。雨水排水口采用集中排放的方式，空調機組內收集的雨水通過車上的排水管統(tǒng)一排出車外，排水系統(tǒng)與車內完全隔離。

控制空調廢排口關閉的另一種方法是測試出一條線路中壓力波動較大的位置點，當車輛行進到這些位置點時，列車控制系統(tǒng)提前關閉廢排口。這種方法的優(yōu)點是車輛配置沒有增加，但其測量方法耗時長，在前期也不能預測到車輛壓力的變化。該方法在深圳地鐵11 號線進行了試驗驗證，在車輛其余部位密封情況良好的條件下，通過測試得出在壓力變化較大的點對廢排口未關閉和關閉車輛的車內壓力變化對比，如表3 所示。

表3 廢排口未關閉和關閉車內壓力變化對比

由表3 可以看出，在車輛其余部位密封情況良好的條件下，由于廢排口直接與車外大氣接觸，通過對其控制能較好地控制車內的壓力變化。

綜上所述，為保證氣密性，車輛需增加許多配置，從而增加其質量，具體如表4 所示。

表4 考慮氣密性后車輛主要配置及質量變化

以A 型車為例，如每節(jié)車設置10 個車門，則每節(jié)車共增加約1 700 kg，軸重相應增加0.4 t 左右，因此在車輛設計前期，如要求車輛具有良好的氣密性，車輛軸重也應在原有的基礎上進行相應的增加。若要提高車輛氣密性的要求，建議120 km/h 的B 型地鐵車輛軸重為15 t、A 型地鐵車輛為17 t。

5 結語

隨著我國城市建設進程的加快，尤其是一線、省會城市等，城市軌道交通逐步呈現(xiàn)出線路長、速度高的發(fā)展趨勢。目前國內120 km/h 的地鐵車輛項目越來越多，之前絕大多數(shù)地鐵車輛都未考慮車輛的氣密性，因此在實際運行過程中部分項目出現(xiàn)了一些影響乘客乘坐舒適性的問題。對于120 km/h 的地鐵車輛，氣密性設計需綜合考慮多種因素（如車輛成本因素、供電制式、自身的氣密性、外部影響因素等），并結合線路實際條件，若必須對車輛氣密性進行規(guī)定，建議車輛價格應高于目前沒有氣密性要求的車輛限價，供電制式可結合隧道內徑和阻塞比等綜合考慮。