和諧號(hào)CRH380動(dòng)車組列車車內(nèi)壓力測(cè)試與分析

馬春生 王子超

(1.中車長春軌道客車股份有限公司海外業(yè)務(wù)部， 130062， 長春； 2.神州高鐵技術(shù)股份有限公司， 100044， 北京∥第一作者， 高級(jí)工程師)

自20世紀(jì)60年代日本新干線投入運(yùn)行后，日本和西歐等一些國家相繼圍繞列車高速運(yùn)行對(duì)旅客舒適度的影響展開了一系列研究。結(jié)果表明，不合適的車內(nèi)壓力變化會(huì)導(dǎo)致旅客產(chǎn)生耳鳴、惡心等不舒適的癥狀[1]。產(chǎn)生上述癥狀的主要原因?yàn)椋寒?dāng)列車在隧道內(nèi)高速運(yùn)行時(shí)，交替出現(xiàn)的壓縮波和膨脹波，使隧道內(nèi)的空氣壓力不斷發(fā)生變化，如果車廂氣密性不良，空氣壓力變化傳入車內(nèi)，導(dǎo)致車內(nèi)空氣壓力劇烈變化，使旅客耳感不適，甚至頭暈、嘔吐等[2]；其次，進(jìn)風(fēng)口濾網(wǎng)的堵塞，也會(huì)導(dǎo)致車內(nèi)壓力的不斷變化，使旅客產(chǎn)生耳鳴等癥狀[3]。

和諧號(hào)CRH380動(dòng)車組列車是我國高速鐵路的主力運(yùn)輸車型[4]。目前，大量涉及高速列車壓力研究的文獻(xiàn)主要關(guān)注于高速列車壓力變化對(duì)列車關(guān)鍵部件疲勞的影響、車外風(fēng)壓對(duì)行車安全的影響，以及列車進(jìn)出隧道時(shí)氣壓對(duì)列車氣動(dòng)性能的影響等[5]。目前，針對(duì)高速列車車內(nèi)壓力測(cè)試，以及壓力變化對(duì)旅客舒適性影響的研究相對(duì)欠缺，特別是在多種運(yùn)行工況下對(duì)高速列車車內(nèi)壓力的長期跟蹤研究還十分少有。

本研究對(duì)和諧號(hào)CRH380動(dòng)車組列車車內(nèi)壓力進(jìn)行長期的跟蹤監(jiān)測(cè)，記錄和分析了線路不同運(yùn)營狀態(tài)下車內(nèi)壓力的變化趨勢(shì)和規(guī)律，為動(dòng)車組列車車內(nèi)壓力變化對(duì)旅客乘坐品質(zhì)影響的研究奠定了一定基礎(chǔ)。本研究中動(dòng)車組列車車內(nèi)壓力測(cè)試分析的最大特點(diǎn)是基于對(duì)運(yùn)營高速列車的長期跟蹤測(cè)試，而不是對(duì)試驗(yàn)列車進(jìn)行短期測(cè)試。其測(cè)試數(shù)據(jù)更具實(shí)用性，且更貼近真實(shí)運(yùn)營工況。

1 和諧號(hào)CRH380動(dòng)車組列車車載無線壓力測(cè)試系統(tǒng)介紹

1.1 硬件組成

為長期跟蹤運(yùn)營高速列車車內(nèi)外壓力變化情況，需要開發(fā)適合在線長期運(yùn)用的壓力測(cè)試系統(tǒng)。為此，開發(fā)了一種遠(yuǎn)程無線的車載壓力測(cè)試系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)由無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、列車級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)、地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及遠(yuǎn)程監(jiān)控中心系統(tǒng)等組成。

列車檢測(cè)系統(tǒng)主要由采集器、交換機(jī)、車載主控電腦、3G(第三代移動(dòng)通信)路由器和GPS(全球定位系統(tǒng))測(cè)速模塊構(gòu)成。其中，車載主控電腦通過車內(nèi)局域網(wǎng)對(duì)整個(gè)采集系統(tǒng)進(jìn)行控制。車載主控電腦安裝在CRH380動(dòng)車組的頭部和尾部車箱內(nèi)。每節(jié)車箱都有1個(gè)獨(dú)立的列車級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)，且每節(jié)車箱獨(dú)立構(gòu)成1個(gè)采集系統(tǒng)。采集系統(tǒng)通過車載主控電腦數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集和保存。3G路由器用以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

在車廂的中部及兩端均勻布置3個(gè)空壓差傳感器，以測(cè)量客室內(nèi)不同位置的壓力變化。測(cè)點(diǎn)布置示意如圖1所示。

圖1 CRH380動(dòng)車組列車車內(nèi)空壓差傳感器安裝示意圖Fig.1 Installation diagram of air pressure differential sensors in CRH380 EMU train

1.3 測(cè)試方法及數(shù)據(jù)處理依據(jù)

測(cè)試車內(nèi)壓力采用絕壓傳感器(型號(hào)為MPM489)，量程為0.90～0.11 MPa,精度為55 Pa,響應(yīng)時(shí)間<1 ms。安裝時(shí)將絕壓傳感器直接固定在座架下，車內(nèi)壓力采樣頻率為1 250 Hz，數(shù)據(jù)處理采用20 Hz低通濾波，同時(shí)需要考慮海拔對(duì)氣壓的影響。針對(duì)海拔高度引起的壓力波動(dòng)，在海拔3 000 m以下，大氣壓按海拔每升高12 m而降低133 Pa處理。

對(duì)于人體舒適性，根據(jù)鐵建設(shè)[2007]88號(hào)《鐵路隧道設(shè)計(jì)施工有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充規(guī)定》中“雙線隧道時(shí)，車內(nèi)壓力3 s變化率<1.25 kPa”進(jìn)行評(píng)判。

2 動(dòng)車組列車運(yùn)行時(shí)車內(nèi)壓力分析

2.1 動(dòng)車組列車通過明線時(shí)車內(nèi)壓力分析

統(tǒng)計(jì)2013年6月3日、2013年7月3日及2013年9月12日京廣鐵路廣州站—北京西站區(qū)間的動(dòng)車組列車車內(nèi)壓力波動(dòng)數(shù)據(jù)，以及2013年9月11日不同工況下車內(nèi)壓力波動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比。

選取動(dòng)車組列車運(yùn)行線路中的明線數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)2013年6月到9月列車以300 km/h的運(yùn)行速度通過該線路時(shí)車內(nèi)的壓力波動(dòng)情況，包括車內(nèi)壓差最大值和車內(nèi)壓力3 s變化率最大值，分析列車通過明線時(shí)車內(nèi)壓力波動(dòng)的影響。動(dòng)車組列車通過明線時(shí)，車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)波動(dòng)壓力特征值如圖2～3所示。由圖2～3可知，列車通過明線時(shí)，車內(nèi)壓力波動(dòng)與運(yùn)營里程關(guān)系不大；車內(nèi)壓差最大值為188 Pa，3 s壓力變化率最大值為33.6 Pa。圖4繪制了40 s內(nèi)車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的壓力變化情況。由圖4可知，車內(nèi)3個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力波動(dòng)特征值變化趨勢(shì)基本一致。綜上所述，動(dòng)車組列車勻速通過明線時(shí)，車內(nèi)壓差及3 s壓力變化率都很小，滿足相關(guān)車內(nèi)氣壓舒適性標(biāo)準(zhǔn)的要求；車內(nèi)3個(gè)測(cè)點(diǎn)的波動(dòng)壓力特征值變化趨勢(shì)較為一致。

圖2 動(dòng)車組列車通過明線時(shí)車內(nèi)壓差最大值統(tǒng)計(jì)圖Fig.2 Statistical diagram of maximum pressure difference in the train when EMU train passes through the open line

圖3 動(dòng)車組列車通過明線時(shí)車內(nèi)壓力3 s變化率最大值統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 Statistical diagram of maximum value of 3 s change rate of internal pressure when EMU train passes through the open line

圖4 動(dòng)車組列車通過明線時(shí)車內(nèi)壓力波動(dòng)圖Fig.4 Pressure fluctuation diagram in the train when the EMU train passes through the open line

2.2 動(dòng)車組列車通過隧道時(shí)車內(nèi)壓力分析

選取京廣鐵路廣州站—北京西站的大瑤山3號(hào)隧道、吊鉤嶺隧道及九子仙隧道,隧道基本信息見表1。動(dòng)車組列車通過上述3座隧道時(shí)，車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)壓力特征值及壓力時(shí)域，如圖5～10所示。圖11為 2013年9月11日廣州站—北京西站區(qū)間動(dòng)車組列車車內(nèi)壓力特征值統(tǒng)計(jì)圖。

表1 隧道的基本信息表Tab.1 Basic information table of tunnel

a) 車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)壓差最大值

由圖5～11可知：

1) 列車通過不同長度的隧道時(shí)，隨著隧道長度的增加，3 508 m以內(nèi)壓差明顯增加，且3 s壓力變化率有增大趨勢(shì)；3 508 m以后3 s壓力變化率又有回落趨勢(shì)；車內(nèi)3個(gè)測(cè)點(diǎn)壓差和3 s壓力變化率變化趨勢(shì)基本一致。

2) 車內(nèi)3個(gè)測(cè)點(diǎn)壓力特征值變化趨勢(shì)基本一致；車內(nèi)壓力波動(dòng)與運(yùn)營里程、鏇修周期關(guān)系不大；車內(nèi)壓差最大值為1 344.5 Pa，3 s壓力變化率最大值為247.9 Pa，均小于1.25 kPa，滿足相關(guān)氣壓舒適性標(biāo)準(zhǔn)的要求。

a) 2013年6月3日

a) 車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)壓差最大值

a) 2013年6月3日

a) 車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)壓差最大值

2.3 在明線會(huì)車時(shí)動(dòng)車組列車車內(nèi)壓力分析

選取2013年6月3日上行明線會(huì)車和2013年9月11日下行明線會(huì)車數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)明線會(huì)車時(shí)動(dòng)車組列車車內(nèi)壓力波動(dòng)特征值，包括車內(nèi)壓差和3 s壓力變化率最大值(見圖12～13)，分析明線會(huì)車對(duì)動(dòng)車組列車車內(nèi)壓力波動(dòng)的影響。

a) 2013年6月3日

a) 車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)壓差最大值

圖12 在上行明線會(huì)車時(shí)動(dòng)車組列車車內(nèi)壓力波動(dòng)時(shí)域圖Fig.12 Time domain diagram of pressure fluctuation in EMU train when the upward open line meets

圖13 在下行明線會(huì)車時(shí)動(dòng)車組列車車內(nèi)壓力波動(dòng)時(shí)域圖Fig.13 Time domain diagram of pressure fluctuation in EMU train when the downward open line meets

由圖12～13可知，在明線會(huì)車對(duì)動(dòng)車組列車車內(nèi)壓力影響較小，且其壓力波動(dòng)幅值和列車通過明線時(shí)在一個(gè)壓力水平，壓力差不超過0.4 kPa，且上、下行線路規(guī)律基本一致。

3 結(jié)論

1) 車內(nèi)3個(gè)測(cè)點(diǎn)壓力波動(dòng)特征值變化趨勢(shì)基本一致，且車內(nèi)壓力波動(dòng)與運(yùn)營里程、鏇修周期關(guān)系不大。

2) 動(dòng)車組列車以相同運(yùn)行速度通過不同長度的隧道，隧道長度在3 508 m以內(nèi)時(shí)，車內(nèi)壓差明顯增加，3 s壓力變化率呈增大趨勢(shì)；隧道長度在3 508 m以上時(shí)，3 s壓力變化率有回落趨勢(shì)，壓差變化不大；車內(nèi)壓差最大值為1 344.5 Pa，3 s壓力變化率最大值為247.9 Pa，均小于1.25 kPa，滿足相關(guān)氣壓舒適性標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3) 在明線會(huì)車對(duì)動(dòng)車組列車車內(nèi)壓力影響較小，可忽略不計(jì)，說明動(dòng)車組氣密性較好。