動靜態(tài)氣密性分析方法及其在動車組上的應(yīng)用1)

李明 張雷 劉斌 孔繁冰

(中車唐山機車車輛有限公司,河北唐山 064000)

引言

隨著運行速度的提升,動車組受到的外部激擾愈發(fā)劇烈.當動車組通過隧道和在隧道內(nèi)交會時,車外表面將產(chǎn)生劇烈的瞬變壓力,此瞬變壓力傳入車廂內(nèi)會引起司乘人員耳悶、耳鳴、耳痛甚至耳膜破裂等耳感不適和醫(yī)學安全健康[1-3].為減緩或消除這些問題,除采取增大線路線間距,加大隧道凈空面積和優(yōu)化列車氣動外形等措施減緩車外壓力波動外,還采用了氣密車體和在車輛空調(diào)通風系統(tǒng)的進排風口加裝壓力保護裝置,最大程度隔離車外瞬變壓力對車內(nèi)環(huán)境的影響.

為保證耳感舒適性,國外對高速列車車體氣密性做出了較為嚴格的要求.1964 年10 月1 日,日本建成了世界第一條高速鐵路—東海道新干線.由于線路上隧道采用64 m2的小斷面設(shè)計,列車通過隧道引起了劇烈的壓力波動,迫使車輛采用氣密車體并加裝了壓力截止保護閥裝置[4-5].隨后,德國、法國和意大利等國家在修建高速鐵路時除大幅度加大隧道斷面外,圍繞ETR1000,V300,ZEFIRO 高速列車,進行了隧道壓力波實車試驗,得到了該新造車在不同線路隧道的時間常數(shù)和當量泄漏面積的動態(tài)氣密值.上述工作主要集中在建立列車氣密性理論,且多圍繞新造車進行動靜態(tài)氣密值的測試工作.文獻[6]針對車外劇烈氣動變化引起車體變形和車內(nèi)容積變化,進而影響車內(nèi)壓力波動的情況進行了初步探討.但是,圍繞高速列車在不同運行里程下的氣密性能變化特性的研究,尚未見公開報道.

在國內(nèi),從廣深線高速列車開行后,開始注意到列車氣密性問題.與國外相比,國內(nèi)高速列車氣密性問題研究工作起步較晚,相關(guān)標準主要圍繞耳感舒適性問題認識以及討論時間常數(shù)氣密指數(shù)和地面整車靜態(tài)試驗問題,而對當量泄漏面積氣密指數(shù)、動態(tài)氣密性以及實際線路上運營列車氣密性能變化/劣化等研究較少[6-10].

國內(nèi)運營、在建和擬建高速鐵路規(guī)模宏大,設(shè)計速度高,山區(qū)高鐵線路多,隧道密集,長大隧道數(shù)量多.目前,國內(nèi)外主要采用時間常數(shù)和當量泄漏面積兩種氣密指標表示列車氣密性.按列車是否運動又分為靜態(tài)氣密性和動態(tài)氣密性.列車在出廠前均需進行單節(jié)整車靜止時的氣密性檢測,檢驗靜態(tài)氣密性是否達到設(shè)計要求.國內(nèi)主機廠按《動車組密封設(shè)計和試驗規(guī)范》(TB/T 3250—2010)以時間常數(shù)表示的靜態(tài)氣密性指標考核動車組氣密性.單節(jié)整車的時間常數(shù)氣密性指標是指整備狀態(tài)也就是在關(guān)閉門窗和空調(diào)進排風口后給車內(nèi)加壓充氣,車內(nèi)外壓差從4000 Pa 下降到1000 Pa 所需要的泄漏時間.而動態(tài)氣密性需要在實際線路上進行測試和評價.

在氣密性研究方面,楊國偉等[7]對隧道運行氣動載荷等高速列車關(guān)鍵力學問題進行了探討.魏玉卿[8]基于氣密性時間常數(shù)的概念,給出了由車外壓力變化計算車內(nèi)壓力變化的方法.李玉潔和梅元貴[9]全面分析了時間常數(shù)和當量泄漏面積模型,建立了依據(jù)試驗數(shù)據(jù)的氣密模型分析測試方法.文獻[10-21]也針對車輛不同部位開展了車內(nèi)外氣壓波動建模和實驗測試研究.其中,陳春俊等[10]根據(jù)CRH2 型動車組車體氣密性要求和換氣系統(tǒng)風機特性曲線,分別建立車體內(nèi)外空氣通過車體等效泄漏縫隙時的泄漏空氣質(zhì)量流量以及新風機和廢排風機的空氣質(zhì)量流量與車內(nèi)外空氣壓力的線性關(guān)系式,這對于本文的測試方法有一定的指導意義.

王建宇等[22]搭建了時間常數(shù)為變量的列車氣密數(shù)學模型,解釋了靜態(tài)試驗原理,并圍繞遂渝線試驗段實車綜合試驗得到的隧道壓力波,初步總結(jié)得出了CRH2 動態(tài)時間常數(shù)氣密值為12 s 左右.亢文祥等[23]對CRH2 動車組新風換氣裝置對車內(nèi)壓力波動影響進行了試驗研究.李國清等[24]主要依據(jù)當量泄漏面積氣密指數(shù)模型,全面分析了整車及關(guān)鍵部件部位氣密性測試分析和實施結(jié)果.中國鐵道科學研究院等單位圍繞我國高速CRH 系列動車組和“復(fù)興號”動車組,進行了許多實車試驗以及與理論分析相結(jié)合的研究[25-28].閻雪源和石海明[29]介紹了高速客車塞拉門的結(jié)構(gòu)及提高氣密性的措施,并針對運用中出現(xiàn)的問題提出了改進建議.但是,目前有關(guān)CRH380 系列動車組和“復(fù)興號”動車組線路上的氣密性研究尚沒有見到公開報道.

本文基于動靜態(tài)結(jié)合的測試分析方法,對不同運行年限的CRH380B 型高速動車組開展氣密性能研究,獲得隧道條件、運行速度等因素對車內(nèi)壓力波動和氣密性能變化規(guī)律,同時針對典型部件氣密性能進行溯源分析和優(yōu)化設(shè)計,這對于關(guān)鍵部件的設(shè)計方案和修程修制優(yōu)化具有一定的參考意義.

1 氣密指數(shù)

氣密指數(shù)τ 一般通過試驗來確定,根據(jù)實車線路試驗所確定的τ 稱為動態(tài)氣密指數(shù),通過地面的靜態(tài)泄漏試驗所得到的τ 稱為靜態(tài)氣密指數(shù).

1.1 動態(tài)氣密指數(shù)

由于車外壓力通過車體、門、窗、洗手間、風擋、地板過線孔等結(jié)構(gòu)和零件之間的各類不規(guī)則復(fù)雜縫隙傳入車內(nèi),各類不規(guī)則復(fù)雜縫隙長短不一,形狀各異,列車運行時縫隙形狀動態(tài)變形.直接精確定義列車氣密性存在困難.本文通過車內(nèi)外壓力及壓差描述列車氣密性.圖1 和圖2 分別為國內(nèi)外常用的時間常數(shù)模型和當量泄漏面積模型[7].

圖1 時間常數(shù)模型Fig.1 Time constant model

圖2 當量泄漏面積模型Fig.2 Equivalent leakage area model

根據(jù)車輛內(nèi)外壓力傳遞規(guī)律,假定車內(nèi)壓力的變化率與內(nèi)外壓差成正比[22,30],即

式中,pi(t)為車體內(nèi)部壓力變化函數(shù);pe(t)為車體外部壓力變化函數(shù).

令c2為1/τ,τ 即為密閉指數(shù),可求得式(1)的解的表達式應(yīng)為

式中,K為常數(shù).

1.2 靜態(tài)氣密指數(shù)

當車輛處于靜態(tài)時,車輛外部氣壓可以視作恒定不變,車輛內(nèi)部氣壓隨時間發(fā)生變化,根據(jù)車輛內(nèi)外壓力傳遞規(guī)律,假定車內(nèi)壓力的變化率與內(nèi)外壓差成正比,即

式中,pe為靜態(tài)時車體外部壓力.

令C2為1/τ,pd=pi(t)?pe,以t=0 時刻pd=pd0作為邊值條件,對上式積分可得

對于一般情況,有

1.3 當量泄漏面積分析

將車體內(nèi)各類型的縫隙等效為一種統(tǒng)一的縫隙類型,把車體各部件的氣密性用這種統(tǒng)一縫隙類型的當量泄漏面積來表征.用如下方法對各部件當量泄漏面積進行計算.

依據(jù)密閉容器當量泄漏面積與容器內(nèi)的壓力變化之間的公式

式中,p0和p為壓力(Pa);V為密閉容器的空氣體積(m3),本文約為178 m3;S為密閉容器的縫隙面積(cm2);t為密閉容器的空氣壓力由p0變至p所需時間(泄壓時間)(s).

2 測試方法

2.1 動態(tài)測試方法

試驗區(qū)段為武廣高鐵正線(廣州到長沙段).列車按照正常運營速度運行,關(guān)閉車上空調(diào)系統(tǒng).

(1)試驗設(shè)備

測試設(shè)備主要由表貼氣壓傳感器、數(shù)據(jù)采集器、測試電腦、UPS 電源、線纜等組成.通過安裝在1車、2 車、7 車車內(nèi)外的空氣壓力傳感器實時將感知氣壓轉(zhuǎn)換為模擬電信號,經(jīng)過電纜傳送到數(shù)據(jù)采集器,將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號顯示與存儲,數(shù)據(jù)采樣頻率1000 Hz.

(2)測點布置

車外測點(以紅色表示):在1 車、2 車、7 車車門附近表面對稱布置測點,車外兩側(cè)表面車門附近各布置1 個,一共6 個測點(P1,P2,P3,P4,P9 和P10).7 車和2 車一致,P9 與P3 位置相似,P10 與P4 位置相似.

車內(nèi)測點(以綠色表示):在車廂中部側(cè)墻上布置1 個測點,在車廂端門附近布置1 個測點,3 輛車一共6 個測點.一共6 個測點(P5,P6,P7,P8,P11 和P12),7 車和2 車一致,P11 與P7 位置相似,P12 與P8 位置相似.

測點布置如圖3 和表1 所示.圖4 為動車組車體中部測點及走線圖.

圖3 整車測點布置Fig.3 Measuring points of the whole train

表1 測點列表Table 1 List of measuring points

圖4 車體中部測點Fig.4 Measuring point in the middle of the car body

(3)試驗數(shù)據(jù)處理

選取典型隧道進行各測點壓力波動曲線分析.依據(jù)上述計算模型,以實測車外氣壓為輸入,仿真計算出車內(nèi)氣壓曲線,將理論計算的氣壓曲線與車內(nèi)實測的氣壓曲線進行比對,計算兩條曲線的方差σ,設(shè)置的τ 從0.1 開始遞增,如此循環(huán)計算出N條曲線和N個方差,再把τ-σ 繪制為一條曲線,橫坐標為τ,縱坐標為σ,當方差值σ 最小時,表示仿真的曲線與實測的曲線最逼近,對應(yīng)的τ 值,即為動態(tài)氣密指數(shù),其物理意義即指車外空氣傳遞到車內(nèi)的難易程度,數(shù)值越大,表示車外空氣越難傳遞到車內(nèi).

2.2 靜態(tài)測試方法

本文主要針對泄漏量較大部位開展靜態(tài)測試,通過采集整車及典型部位氣體泄漏過程中的氣壓和流量變化情況,分析其靜態(tài)氣密性.

(1)試驗設(shè)備

使用定制外形的硅膠工裝罩,將測試部位泄漏縫隙進行包裹,工裝兩側(cè)邊緣內(nèi)部使用雙面膠固定,外部使用3M 膠帶進一步密封加固,通過工裝上連接的氣管,匯總泄漏的空氣,使用傳感器對泄漏空氣量和實時氣壓進行測量.

(2)測點布置

圖5 為針對車門、空調(diào)、車底排水孔、車端風擋區(qū)域等中間車(7 車)的典型測試部位示意圖.具體測量部位如表1 所示.測點命名方式:靠近1 車為1 位端(即受電弓端),靠近8 車為2 位端(即空調(diào)機組端);人站車內(nèi)面向頭車司機室方向,右手側(cè)為1 位側(cè),左手側(cè)為2 位側(cè).

圖5 中間車(7 車)測點示意圖Fig.5 Schematic diagram of measuring points of mid-car(the seventh car)

表2 為中間車(7 車)測點統(tǒng)計圖.其中,測點1和測點2,測點3 和測點4,測點5 和測點6 分別対稱分布.

表2 中間車(7 車)測點統(tǒng)計Table 2 Statistics of measuring points of mid-car(the seventh car)

使用定制外形的硅膠工裝罩,將測試部位泄漏縫隙進行包裹,工裝兩側(cè)邊緣內(nèi)部使用雙面膠固定,外部使用3M 膠帶進一步密封加固,通過工裝上連接的氣管,匯總泄漏的空氣,使用傳感器對泄漏空氣進行測量.為了減小空氣流動阻力和實驗誤差,工裝上連接了多根氣管,加快工裝內(nèi)外空氣流通.車門、風擋工裝安裝圖和工裝截面圖分別如圖6 和圖7 所示.

圖6 車門、風擋工裝安裝圖Fig.6 Installation drawing of test equipment of door and windshield

圖7 典型工裝外形示意圖Fig.7 Schematic diagram of typical test equipment

(3)試驗數(shù)據(jù)處理

車內(nèi)兩個測點氣壓波形圖在整個測試過程中的氣壓曲線基本為重合狀態(tài),因此數(shù)據(jù)處理時,將兩個波形數(shù)據(jù)計算值進行平均,作為車內(nèi)氣壓變化數(shù)據(jù).根據(jù)車內(nèi)測量的氣壓數(shù)據(jù)波形,嚴格按照靜態(tài)氣密性試驗標準,將車內(nèi)外壓差由±4 kPa 變到±1 kPa 的時間點進行記錄.根據(jù)測試的車內(nèi)氣壓曲線,得到內(nèi)外壓差從4 kPa 變到1 kPa 的時間,代入式(5)中計算出τ 值,即為靜態(tài)氣密指數(shù).

同時記錄各部位泄漏量,用于氣密性能排序和整車氣密性能評估.

3 氣動載荷測試及動態(tài)氣密性分析

車內(nèi)外氣動載荷測試是動態(tài)氣密性分析的基礎(chǔ)工作.本文將整車運行測得的車外壓力或車內(nèi)壓力平均化后得出的動態(tài)氣密時間常數(shù)可作為評估整車氣密性的一個參考值來分析;對于單節(jié)車廂來說,由于列車進入隧道(雙線隧道) 后,車身表面近隧道壁面?zhèn)扰c近隧道中心側(cè)所受壓力載荷不同,傳播到車內(nèi)的壓力大小也會有所區(qū)別,因此,將單節(jié)車廂兩側(cè)測得的壓力值進行平均處理可得到評估單節(jié)車廂氣密性的一個參考值.

圖8 為線路運行測試中的典型氣壓波動數(shù)據(jù).可以看出,修后的氣壓波動曲線較修前略為平緩,說明氣密性有所提升.當然,由于間隔時間不長,氣壓波動的差異性不會太大.

圖8 典型氣壓波動數(shù)據(jù)(吊溝嶺隧道,7 車1 位側(cè))Fig.8 Typical pressure fluctuation data(Diaogouling tunnel,Car7-side1)

在武廣線進行了多個隧道的氣動載荷測試,表3為長沙?廣州運行區(qū)間幾個典型隧道的動態(tài)氣密指數(shù)分析結(jié)果(進出隧道速度均在300 km/h 左右).

由以上數(shù)據(jù)可知:

(1)四級修后動車組氣密性有所提升.

(2)修前、修后的氣密性均大致呈現(xiàn)為隨著隧道長度的增大而降低的規(guī)律,這與車內(nèi)外氣壓波動更為劇烈有關(guān).

表3 通過典型隧道的動態(tài)氣密指數(shù)Table 3 Dynamic air tightness index through typical tunnels

(3)從不同方向過相同隧道的數(shù)據(jù)來看,當1 車(7 車)作為尾車時車內(nèi)氣壓變化值、車內(nèi)外氣壓差變化值和動態(tài)氣密指數(shù),大于1 車(7 車)作為頭車時的氣壓,也就是尾車氣密性要好于頭車.

(4)對比不同運行工況,動車組氣密性受到速度級和會車影響,當速度級更高或有會車時,氣密性明顯降低.

4 不同車輛靜態(tài)氣密性分析

根據(jù)靜態(tài)氣密性試驗標準,開展某動車組在四級修前、后的整車及部件氣密性試驗,即對車內(nèi)充氣或車廂外部抽氣,使車廂內(nèi)部氣壓與車外環(huán)境氣壓的壓差達到4 kPa 以上時,停止充氣與抽氣,同時關(guān)閉進出氣閥門,使車廂內(nèi)部空氣自然泄漏,直至車內(nèi)外氣壓恢復(fù)平衡,在此過程中,實時測量車內(nèi)氣壓變化,以及典型部位的空氣泄漏量.

在測試過程中,還對其他部位進行了泄漏探測,如車頂受電弓處高壓部位以及接頭等部位,噴灑肥皂水進行泄漏情況檢測,發(fā)現(xiàn)并無明顯的冒泡現(xiàn)象,說明此處氣密性良好,無明顯空氣泄漏情況.

開始實驗前,對有、無工裝工況下壓差4 kPa 降至1 kPa 的車內(nèi)氣壓泄壓時間進行了統(tǒng)計,如表4所示.

在無工裝未封閉排污口的工況下:車內(nèi)外壓差從正4 kPa 降到正1 kPa 所需的時間為140.52 s;而從負4 kPa 升到負1 kPa 所需的時間為200.6 s,泄壓時間相差60.08 s.

表4 有、無測試工裝工況下車內(nèi)環(huán)境氣壓泄壓時間Table 4 Cabin ambient pressure relief time of with/without test equipment condition

由于車底鴨嘴孔的單向?qū)ㄐ?使得正壓工況下的泄壓時間要小于負壓工況下的泄壓時間.

無工裝條件下,各工況的車內(nèi)外壓差從±4 kPa變到±1 kPa 所需的泄壓時間相對縮短,正壓未封閉排污口工況拆除工裝前后泄壓時間縮短5.95 s,負壓未封閉排污口工況泄壓時間縮短9.86 s,說明各測試部件的工裝對車內(nèi)空氣泄漏有一定的阻礙作用.有、無測試工裝各個工況下車內(nèi)氣壓泄壓時間的差別在5%以內(nèi),在可接受范圍內(nèi).這是由于各部件的泄漏點不確定,只能通過工裝將可能的泄漏點全部進行包裹,然后匯總到氣管集中進行排氣,由此帶來沿程阻力和局部阻力,此阻力一方面與工裝結(jié)構(gòu)相關(guān),另外一方面也與空氣泄漏程度相關(guān),同一個部件的工裝,如果空氣泄漏量大,則工裝產(chǎn)生的阻力也會適當增大,相反則越小.

根據(jù)當?shù)卮髿鈮汉蜏y試的車內(nèi)氣壓曲線測得壓差4 kPa 降至1 kPa 時間和靜態(tài)氣密指數(shù)τ 值如表5所示.

表5 動車組靜態(tài)氣密指數(shù)Table 5 Static air tightness index of EMU

根據(jù)車內(nèi)氣壓數(shù)據(jù)整理時記錄的時間點,將相同時間段內(nèi),各部件的空氣流量數(shù)據(jù)曲線截取出來,對流量曲線進行積分累加得到空氣泄漏量.計算示意圖如圖9 和圖10 所示.車內(nèi)充正壓時的累計泄漏量(L)對比如表6 所示.

通過表6 可得修前和修后的當量泄漏面積如表7 所示.

圖9 部件空氣流量截取示意圖(車內(nèi)充正壓測試工況)Fig.9 Schematic diagram of air flow interception of components(positive pressure test condition inside the vehicle)

圖10 部件空氣流量截取示意圖(車內(nèi)抽負壓測試工況)Fig.10 Schematic diagram of air flow interception of components(negative pressure test condition inside the vehicle)

由以上數(shù)據(jù)可知:

(1)正壓工況下的泄壓時間要小于負壓工況下的泄壓時間,這是由于車底鴨嘴孔的單向?qū)ㄐ?、各密封部件結(jié)構(gòu)特性以及車內(nèi)車外空間擴散性差異等因素,使得正壓工況下的泄壓時間要小于負壓工況下的泄壓時間.

(2) 車內(nèi)充正壓、抽負壓時,各部件泄漏排序順序基本一致,主要泄漏點為車底排水孔、4 個車門、風擋和1 位側(cè)新風口.

(3)維修后的泄壓時間明顯長于維修前的泄壓時間,四級修后車體密封性能有明顯提升.

(4) 將打正壓測試的數(shù)據(jù)進行當量泄漏面積計算,修后的車體總的當量泄漏面積較修前減小23%左右,大部分部件修后的當量泄漏面積都小于修前,說明修后的各個部件密封性能均有明顯提升.

表6 累計泄漏量對比(車內(nèi)充正壓)(L)Table 6 Comparison of cumulative leakage(positive pressure test condition inside the vehicle)

表7 四級修前和四級修后當量泄漏面積對比表(cm2)Table 7 Equivalent leakage area before/after the EMU maintenance(Level IV)(cm2)

(5)由表4 和表6 的動、靜態(tài)數(shù)據(jù)分析可知,動態(tài)氣密指數(shù)大致為靜態(tài)氣密指數(shù)的1/2～1/3.

5 優(yōu)化建議

本文進行了武廣線多個動車組的運行測試,并開展了四級修前后的靜態(tài)氣密試驗,相較于前期測試僅為車內(nèi)氣壓從4000 Pa 降至3000 Pa、從3000 Pa降至2000 Pa、從2000 Pa 降至1000 Pa 的降壓時間之和統(tǒng)計為車輛保壓時間的測試方法,通過實時采集車內(nèi)氣流變化和各部件泄漏量情況,可以更為準確地進行保壓時間和氣壓變化趨勢分析,為氣密敏感部件的檢修提供數(shù)據(jù)支撐.

通過前文的數(shù)據(jù)分析,可得出以下優(yōu)化建議:

(1) 運行速度、隧線比越高的線路,宜采用氣密性更好的動車組.本文的實驗數(shù)據(jù)表明,動態(tài)氣密指數(shù)約為靜態(tài)氣密指數(shù)的1/2～1/3.后續(xù)研究中還將繼續(xù)就這一規(guī)律進行完善.

(2)現(xiàn)車上車底鴨嘴孔空氣泄漏最嚴重,目前鴨嘴孔靠橡膠材料的外形保持來起到抑制車外空氣向車內(nèi)導通的作用,隨著橡膠老化,其外形尺寸、材料特性發(fā)生變化導致密封性變差.后續(xù)可以對此單向?qū)ńY(jié)構(gòu)進行改進,如使用不易變形的硬質(zhì)材料,并使用彈簧結(jié)構(gòu)來保持鴨嘴的閉合位置,更好地保持其單向?qū)ㄐ?

(3)車門整體泄漏量占比較大.不同車輛測試時,車門泄漏量占比受車門安裝工藝影響較大.應(yīng)加強車門安裝工藝優(yōu)化,同時針對門外側(cè)密封膠條等易老化部件進行檢修周期調(diào)整和基于材料的優(yōu)化設(shè)計,從不同維度提升車門的密封性能.

6 結(jié)論

本文基于動靜態(tài)結(jié)合的測試分析方法,對不同運行年限動車組開展氣密性能研究,獲得隧道條件、運行速度等因素對車內(nèi)壓力波動和氣密性能的變化規(guī)律,同時針對典型氣密部件進行了溯源分析,針對氣密敏感部件提出了優(yōu)化方案.本文提出的方法對于關(guān)鍵部件的設(shè)計方案和修程修制優(yōu)化具有一定的參考意義.