時(shí)速120 km地鐵車輛客室壓力調(diào)節(jié)技術(shù)研究

張艷萍，楊天智，龔惠華，孫 瑤，劉 義

(中車株洲電力機(jī)車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，湖南 株洲 412000)

0 引言

目前，上海、廣州、深圳、武漢、青島、南京等城市均已開通運(yùn)營(yíng)120 km /h 的地鐵車輛。前期部分線路的車輛沒(méi)有考慮氣密性設(shè)計(jì)，在多隧道線路運(yùn)行時(shí)，車輛內(nèi)外壓差急劇變化，給乘客帶來(lái)不適。因而近年來(lái)，業(yè)主要求120 km/h 的地鐵車輛設(shè)計(jì)時(shí)采取氣密性措施，同時(shí)要考慮車輛運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

1 壓力舒適性標(biāo)準(zhǔn)

空氣壓力波動(dòng)可能會(huì)引起人的耳部的不舒適，通常，一個(gè)健康的人能夠在1 s內(nèi)能承受1 000 Pa的壓力波動(dòng)，而不會(huì)造成嚴(yán)重的影響。表1歸納了人在不同的靜壓短期變化情況下出現(xiàn)的典型生理癥狀。

表1 不同壓力變化值下的典型生理癥狀

高速地鐵在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)壓力及壓力變化率若超出某個(gè)界限，輕則會(huì)出現(xiàn)司乘人員耳部不適，舒適性降低；重則造成乘客失聰。因此應(yīng)對(duì)隧道內(nèi)的壓力及壓力變化率作出一定限制。

就國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)而言，針對(duì)時(shí)速120 km/h的地鐵氣密性的標(biāo)準(zhǔn)很少，但在市域車輛標(biāo)準(zhǔn)或相關(guān)規(guī)范中進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，涉及120 km/h速度等級(jí)氣密性的主要標(biāo)準(zhǔn)有T/CCES 2-2017《市域快速軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范》、T/CRS C0101-2017《市域鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》 和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(shù)條件》。

通過(guò)分析上述標(biāo)準(zhǔn)，適用于120 km/h地鐵車輛的靜態(tài)密封性能指標(biāo)有：①列車通過(guò)隧道時(shí)客室的壓力變化不超過(guò)800 Pa/3 s，即在任何3 s的時(shí)間段內(nèi)，最大瞬變壓力變化均不應(yīng)超過(guò)800 Pa。②車廂內(nèi)空氣壓力由2 100 Pa降至1 000 Pa的時(shí)間應(yīng)不小于12 s。

在鐵建設(shè)[2007]88 號(hào)文件《關(guān)于印發(fā)〈鐵路隧道設(shè)計(jì)施工有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充規(guī)定〉的通知》中規(guī)定，單線隧道允許的最大瞬變壓力宜為0.8 kPa/3s，雙線隧道宜為1.25 kPa/3s。TB/T 3503.1-2018《鐵路應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)》中的相關(guān)要求，列車通過(guò)隧道時(shí)產(chǎn)生的車內(nèi)瞬變壓力應(yīng)小于0.5 kPa/1s和0.8 kPa/3s。

而在壓力舒適度標(biāo)準(zhǔn)中，越來(lái)越多地采用單一時(shí)間間隔內(nèi)的最大壓力變化值標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)歐洲和日本對(duì)壓力舒適性方面的研究，發(fā)現(xiàn)人耳對(duì)壓力的反應(yīng)時(shí)間為3～4 s，采用單一時(shí)間間隔內(nèi)的壓力變化值能較準(zhǔn)確反映出人體舒適度問(wèn)題。因此，宜采用單一時(shí)間間隔內(nèi)(3 s)的最大壓力變化值標(biāo)準(zhǔn)作為空氣動(dòng)力學(xué)舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)。

相關(guān)資料表明：在相關(guān)地鐵空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試中，車內(nèi)3 s內(nèi)壓力變化最大值超過(guò)700 Pa/3s時(shí)，耳膜有反應(yīng)，當(dāng)3 s內(nèi)壓力變化最大值超過(guò)800 Pa/3s時(shí)，耳膜反應(yīng)增強(qiáng)，稍有不適的感覺。

綜上所述，推薦采用800 Pa/3 s作為120 km/h地鐵車輛的車內(nèi)壓力變化幅值評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)比較合適。

2 車輛氣密性措施

影響車輛氣密性的因素較多，包括車輛自身氣密性、隧道阻塞比、供電制式等，這些因素也直接或間接地影響車輛客室內(nèi)的壓力變化。對(duì)于在隧道中運(yùn)行的120 km/h地鐵車輛，隧道入口、通風(fēng)風(fēng)井、線間距等都會(huì)影響車輛的空氣動(dòng)力學(xué)性能，從而影響車輛的氣密性。

對(duì)于車輛自身的氣密性，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段開始采取應(yīng)對(duì)措施，根據(jù)整車要求對(duì)各部件進(jìn)行合理分配，加強(qiáng)其密封性。提升車輛本身的氣密性措施主要包括：優(yōu)化列車氣動(dòng)設(shè)計(jì)，降低交會(huì)壓力波幅值；設(shè)置壓力調(diào)節(jié)裝置，在車內(nèi)外壓力急劇變化時(shí)，關(guān)閉空調(diào)與車外的通道，實(shí)現(xiàn)車體密閉；提升車窗、車門、貫通道等系統(tǒng)/部件的密封性能，提升整車氣密指數(shù)。

本文將著重針對(duì)涉及空調(diào)系統(tǒng)的氣密性措施進(jìn)行探討，研究客室壓力調(diào)節(jié)技術(shù)。

3 客室壓力調(diào)節(jié)技術(shù)

車輛客室壓力調(diào)節(jié)技術(shù)，是指在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置壓力調(diào)節(jié)裝置，在壓力急劇變化時(shí)及時(shí)關(guān)閉機(jī)組及廢排風(fēng)閥，減少列車因風(fēng)壓變化導(dǎo)致耳鳴的現(xiàn)象。壓力調(diào)節(jié)裝置控制方案按控制信號(hào)分為被動(dòng)式電動(dòng)閥門控制(以下簡(jiǎn)稱電動(dòng)方案)和主動(dòng)式氣動(dòng)閥門控制(以下簡(jiǎn)稱氣動(dòng)方案)2種方案。

3.1 被動(dòng)式電動(dòng)閥門控制方案(電動(dòng)方案)

3.1.1 方案說(shuō)明

TCMS中設(shè)置“壓力變化信號(hào)”，且提前將此信號(hào)發(fā)至各車空調(diào)控制器，提前控制新風(fēng)風(fēng)閥和廢排裝置風(fēng)閥閥門動(dòng)作并關(guān)閉閥門，防止車外壓力波動(dòng)傳入車內(nèi)。選用8 s動(dòng)作風(fēng)閥執(zhí)行器(見圖1)，則至少提前8 s將信號(hào)發(fā)至空調(diào)控制器。

圖1 快速動(dòng)作風(fēng)閥執(zhí)行器

3.1.2 電動(dòng)方案控制說(shuō)明

電動(dòng)方案控制方法如下(見圖2)。

圖2 電動(dòng)方案控制原理圖

1)車輛在固定線路上進(jìn)行試跑后，找出氣壓波動(dòng)較大的地點(diǎn)。

2)在軟件程序中設(shè)定程序，當(dāng)車輛接近氣壓波動(dòng)較大的地點(diǎn)前，TCMS給空調(diào)發(fā)送關(guān)閉風(fēng)閥信號(hào)，關(guān)閉空調(diào)機(jī)組及廢排中的電動(dòng)風(fēng)閥。

3)當(dāng)車輛離開氣壓波動(dòng)較大的地點(diǎn)后，TCMS撤銷關(guān)閉風(fēng)閥信號(hào)，空調(diào)機(jī)組及廢排中的電動(dòng)風(fēng)閥打開。

3.2 主動(dòng)式氣動(dòng)閥門控制方案(氣動(dòng)方案)

主動(dòng)式氣動(dòng)閥門控制方案是車輛配置壓力波保護(hù)裝置。

壓力波保護(hù)裝置包括壓力波控制器和機(jī)組內(nèi)的壓力波保護(hù)閥兩大部分。壓力波控制器在兩端司機(jī)室中各安裝1臺(tái)。氣動(dòng)壓力波保護(hù)閥分別設(shè)置在空調(diào)機(jī)組新風(fēng)口和廢排內(nèi)。

3.2.1 壓力波控制器

壓力波控制器具有壓力信號(hào)的檢測(cè)、運(yùn)算、故障診斷和故障記錄等功能(見圖3)。控制器內(nèi)部集成氣壓采集芯片、運(yùn)算處理芯片通過(guò)氣管分別連接到車內(nèi)和車外，檢測(cè)壓力差及其變化率，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理，當(dāng)判斷觸發(fā)壓力波條件時(shí)，發(fā)出壓力波保護(hù)信號(hào)給空調(diào)控制器，由空調(diào)控制器控制壓力波保護(hù)閥關(guān)閉。

圖3 壓力波控制器

3.2.2 壓力波保護(hù)閥

壓力波保護(hù)閥為氣動(dòng)閥，分為新風(fēng)壓力波保護(hù)閥和廢排壓力波保護(hù)閥2種，分別設(shè)置在空調(diào)機(jī)組新風(fēng)口和廢排裝置內(nèi)(見圖4)。

圖4 壓力波保護(hù)閥(壓力保護(hù)閥打開狀態(tài))

新風(fēng)壓力波保護(hù)閥為組件安裝，安裝在客室機(jī)組兩新風(fēng)口處。廢排壓力波保護(hù)閥安裝在廢排裝置內(nèi)部，當(dāng)以上壓力波保護(hù)閥全部關(guān)閉時(shí)，可抑制壓力波動(dòng)對(duì)車內(nèi)的影響。

3.2.3 氣動(dòng)方案控制說(shuō)明

在司機(jī)室內(nèi)安裝壓力波控制裝置，用以檢測(cè)車輛內(nèi)外的壓力變化。當(dāng)內(nèi)置的壓力傳感器檢測(cè)到車內(nèi)外壓力變化超過(guò)設(shè)定值(暫定為800 Pa/3s，設(shè)定值需要線路上試跑后確定)時(shí)，壓力保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作，壓力波控制裝置發(fā)出信號(hào)，控制各車空調(diào)控制盤的控制繼電器，使新風(fēng)壓力波保護(hù)閥和廢排裝置壓力波保護(hù)閥門動(dòng)作并關(guān)閉閥門，防止車外壓力波動(dòng)傳入車內(nèi)。也可以在固定位置發(fā)出控制壓力波控制信號(hào)，如當(dāng)控制器接收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的“隧道信號(hào)”時(shí)，新風(fēng)壓力波保護(hù)閥和廢排裝置廢排壓力波保護(hù)閥門動(dòng)作并關(guān)閉閥門，防止車外壓力波動(dòng)傳入車內(nèi)(見圖5)。

1—外部空氣連接管(通外部大氣，感知外部壓力變化)；2—控制系統(tǒng)控制信號(hào)(向保護(hù)閥發(fā)送指令)；3—向中間車發(fā)送控制指令；4—壓縮空氣流向；5—內(nèi)部空氣連接管(感知內(nèi)部壓力變化)。

3.3 電動(dòng)方案和氣動(dòng)方案對(duì)比

表2從配置、設(shè)備重量、維護(hù)性、風(fēng)閥動(dòng)作時(shí)間、新風(fēng)量控制、控制方式等方面對(duì)電動(dòng)方案和氣動(dòng)方案進(jìn)行比較，2種方案各有優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)。

表2 電動(dòng)方案和氣動(dòng)方案對(duì)比表

電動(dòng)方案在深圳、成都等城市地鐵線路上有成熟應(yīng)用業(yè)績(jī)，氣動(dòng)方案在武漢地鐵16號(hào)線、土耳其伊斯坦布爾新機(jī)場(chǎng)線等項(xiàng)目有成熟應(yīng)用業(yè)績(jī)。

4 結(jié)語(yǔ)

2種客室壓力調(diào)節(jié)方案均能在壓力變化時(shí)及時(shí)關(guān)閉風(fēng)門，且滿足一定氣密性要求，電動(dòng)方案重量輕、維護(hù)簡(jiǎn)單、風(fēng)量可調(diào)。

因此，建議在單線隧道單車運(yùn)行、無(wú)會(huì)車、線路固定的120 km/h的地鐵車輛采用電動(dòng)方案進(jìn)行客室壓力調(diào)節(jié)；在雙線隧道運(yùn)行、有會(huì)車的120 km/h的地鐵車輛采用氣動(dòng)方案。