高速动车组被动式压力保护系统舒适性测试与优化.pdf

文章编号:1 0 0 2-7 6 0 2(2 0 2 3)0 4-0 0 3 3-0 5高速动车组被动式压力保护系统舒适性测试与优化孙玉昆,陈 垒(中车青岛四方机车车辆股份有限公司 技术中心,山东 青岛 2 6 6 1 1 1)摘 要:针对“复兴号”动车组在经过部分隧道多、海拔落差大的路线时出现乘客耳鸣及车体变形等问题,对西成线在线运营的“复兴号”动车组进行了实车跟踪测试,测试结果与理论分析结果一致,即当高速列车连续穿越海拔变化的隧道群时,为了保证车内压力处于相对稳定状态,压力保护阀长时间处于关闭状态。当列车驶出隧道后,因海拔高度和连续隧道的综合影响,车厢内外压差较大,若此时压力保护阀强制开启,列车内外压力在短时间内会迅速达到平衡,从而导致车内压力变化剧烈。文章采用数据分析的方法对被动式压力保护系统的开闭阀、强制开阀逻辑进行了优化,并通过增加泄压模式来降低车内外压差。经测试,优化后的车内1 s、3 s、1 0 s和6 0 s的最大压力变化率分别降低了6 8%、8 0%、8 3%和5 9%,远低于车内压力控制标准,人体感受较好,提高了乘客的乘坐舒适性和列车的运行安全性。关键词:“复兴号”动车组;被动式压力保护系统;压力波;舒适性;优化中图分类号:U 2 7 0.3 8 文献标志码:B d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 2-7 6 0 2.2 0 2 3.0 4.0 0 6收稿日期:2 0 2 2-0 2-2 3第一作者:孙玉昆(1 9 8 4),男,硕士,高级工程师。C o m f o r t T e s t a n d O p t i m i z a t i o n o f P a s s i v e P r e s s u r e P r o t e c t i o n S y s t e m f o r H i g h-s p e e d EMU sS UN Y u k u n,CHE N L e i(T e c h n o l o g y C e n t e r o f C R R C Q i n g d a o S i f a n g L o c o m o t i v e&R o l l i n g S t o c k C o.,L t d.,Q i n g d a o 2 6 6 1 1 1,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n g a t t h e p r o b l e m s o f p a s s e n g e r t i n n i t u s a n d c a r b o d y d e f o r m a t i o n w h e n t h e F u x i n g EMU p a s s e s t h r o u g h t h e r o u t e w i t h m a n y t u n n e l s a n d l a r g e a l t i t u d e d r o p,t h e F u x i n g EMU o p e r a t e d o n t h e X ia n-C h e n g d u l i n e w a s t r a c k e d a n d t e s t e d.T h e t e s t r e s u l t s a r e c o n s i s t e n t w i t h t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s r e s u l t s,t h a t i s,w h e n t h e h i g h-s p e e d t r a i n c o n t i n u o u s l y p a s s e s t h r o u g h t h e t u n n e l g r o u p s w i t h v a r y i n g a l t i t u d e s,t h e p r e s s u r e p r o t e c t i o n v a l v e i s c l o s e d f o r a l o n g t i m e t o e n s u r e t h a t t h e p r e s s u r e i n t h e v e h i c l e i s i n a r e l a t i v e l y s t a b l e s t a t e.Wh e n t h e t r a i n l e a v e s t h e t u n n e l,t h e p r e s s u r e o u t s i d e t h e t r a i n c h a n g e s g r e a t l y d u e t o c o m p r e h e n s i v e e f f e c t o f t h e a l t i t u d e a n d c o n t i n u o u s t u n n e l s.I f t h e p r e s s u r e p r o t e c t i o n v a l v e i s f o r c e d t o o p e n a t t h i s t i m e,t h e p r e s s u r e i n s i d e a n d o u t s i d e t h e t r a i n w i l l q u i c k l y r e a c h b a l a n c e i n a s h o r t t i m e,w h i c h w i l l l e a d t o d r a s t i c c h a n g e s i n t h e p r e s s u r e i n s i d e t h e t r a i n.I n t h i s p a p e r,t h e l o g i c o f o p e n i n g a n d c l o s i n g v a l v e s a n d f o r c e d o p e n i n g v a l v e s o f p a s s i v e p r e s s u r e p r o t e c t i o n s y s t e m i s o p t i m i z e d b y u s i n g d a t a a n a l y s i s m e t h o d,a n d t h e p r e s s u r e d i f f e r e n c e b e t w e e n i n s i d e a n d o u t s i d e t h e v e h i c l e i s r e d u c e d b y a d d i n g p r e s s u r e r e l i e f m o d e.A f t e r t e s t i n g,t h e m a x i m u m p r e s s u r e c h a n g e r a t e s o f 1 s,3 s,1 0 s a n d 6 0 s i n t h e o p t i m i z e d c a r a r e r e d u c e d b y 6 8%,8 0%,8 3%a n d 5 9%,r e s p e c t i v e l y,w h i c h a r e f a r l o w e r t h a n t h e p r e s s u r e c o n t r o l s t a n d a r d i n t h e c a r.T h i s m a k e s t h e p a s s e n g e r s f e e l b e t t e r a n d i m p r o v e s t h e c o m f o r t o f p a s s e n g e r s a n d t h e s a f e t y o f t r a i n o p e r a t i o n.K e y w o r d s:F u x i n g EMU;p a s s i v e p r e s s u r e p r o t e c t i o n s y s t e m;p r e s s u r e w a v e;c o m f o r t;o p t i m i z a t i o n33 研究与设计铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 我国幅员辽阔,地形地貌复杂多样,其中平原面积仅占我国总面积的1 2%。因此,铁路沿线必然要经过山地和丘陵地区,需要修建不同长度的隧道和隧道群以满足运行要求。高速动车组进出隧道、在隧道内运行和隧道内会车会产生强烈的压力波,由于高速动车组的气密性好,车外压力波动会通过空调进风口和废排口通道传入车内,引起车厢内的压力波动,影响乘客的乘坐舒适性1-3。为了减少车内压力波动,“复兴号”标准动车组采用被动式压力保护系统,通过设置在新风口、废排口的压力保护阀来控制列车内外的空气交换,以满足乘客的乘坐舒适性要求4。但是,列车在某些线路运行过程中仍然存在车内压力波动过大的问题。例如,“复兴号”动车组在西安成都(西成线)上行过程中,列车出隧道后出现较大的压力波动,导致乘客产生耳鸣、耳痛等不良反应,同时伴随风挡变形(内鼓),严重影响乘客的乘坐舒适性和行车安全5-6。1 被动式压力保护系统1.1 系统组成及工作原理被动式压力保护系统主要由压差传感器、压力波控制器和压力波保护阀等组成。压差传感器在头尾车两侧各1个,压力波控制器安装于头尾车观光区后部通过台顶板上方7。压力波保护阀是压力保护系统中的执行机构,空调机组两侧新风吸入口处各设2组新风压力波保护阀(A阀-小阀、B阀-大阀)和1组废排压力波保护阀8。列车高速通过隧道或在隧道内会车时,若车辆内外压差满足保护条件,压力波控制器驱动压力波保护阀动作(关闭),在压力波产生影响的瞬间关闭列车内外空气通路,从而保证客室内气压的相对稳定;当车辆内外压差或者其他开阀条件满足时,压力波控制器撤销压力波保护信号,空调控制器会根据车辆运行情况,打开压力波保护阀,进行列车内外的空气交换9。被动式压力保护系统工作原理如图1所示。图1 被动式压力保护系统工作原理1.2 压力波保护控制逻辑被动式压力波保护控制逻辑由压力波保护条件、压力波保护取消条 件和压力波 开阀顺序三 部分组成1 0。压力波保护(风阀关闭)条件为:(1)连续5 0 m s,|ADP(t)|5 0 0 P a;(2)|ADP(t)-ADP(t-5 0 m s)|1 2 0 P a;(3)|ADP(t)-ADP(t-3 0 0 m s)|1 8 0 P a;(4)|ADP(t)-ADP(t-2 0 0 m s)|1 2 0 P a且|ADP(t-2 0 0 m s)-ADP(t-4 0 0 m s)|1 2 0 P a且|ADP(t-4 0 0 m s)-ADP(t-6 0 0 m s)|1 2 0 P a。其中,ADP(t)表示车辆内部和外部之间的平均压力差,压力波控制器压差采集周期为2 m s。压力波保护取消(风阀打开)条件为:(1)连续1 0 0 0 m s,|ADP(t)|3 6 0 P a,且打开时列车内外瞬时压差5 0 0 P a”改为“连续5 0 m s,|ADP(t)|6 0 0 P a”;相应的压力波保护取消(风阀打开)条件的“连续1 0 0 0 m s,|ADP(t)|3 6 0 P a”改为“连续1 0 0 0 m s,|ADP(t)|5 0 0 0 P a持续5 s时,执行一档泄压(开2 s,关1 8 s);当2 0 0 0 P a 列车内外压差5 0 0 0 P a持续5 s时,执行二档泄压(开4 s,关1 6 s);当5 0 0 P a 5 0 0 0 P a持续5 s时,执行一档泄压(开2 s,关8 s);当2 0 0 0 P a 列车内外压差5 0 0 0 P a持续5 s时,执行二档泄压(开3 s,关7 s);当5 0 0 P a 1 0 0 0 P a持续5 s时,进入泄压模式一(1 m i n)。(2)当压力波保护时间满足1 0 m i n(包含泄压模式一的(5+1)m i n)或者车辆减速至1 9 0 k m/h(即使压力波保护时间未达到5 m i n或1 0 m i n),进入泄压模式二(3 m i n)。泄压模式一:泄压车厢在1 m i n内间断性打开新风压力波保护B阀和废排压力波保护阀(开3 s,关7 s)。泄压模式二:泄压车厢在3 m i n内根据列车内外压差进行分档泄压(间断性打开新风压力波保护B阀和废排压力波保护阀),其他车厢的压力波保护阀处于关闭状态。具体如下:当列车内外压差5 0 0 0 P a持续5 s时,执行一档泄压(开2 s,关8 s);当2 0 0 0 P a 列车内外压差 5 0 0 0 P a持续5 s时,执行二档泄压(开3 s,关7 s);当5 0 0 P a 列车内外压差2 0 0 0 P a持续5 s时,执行三档泄压(开4 s,关6 s);当列车内外压差 5 0 0 P a持续5 s时,执行四档泄压(开0 s,关1 0 s)。4.3.2 验证分析采取上述优化方案后,选取“复兴号”动车组在西成线进行跟踪测试,测试结果如表4所示。表4 西成线“复兴号”动车组车内压力波测试结果行程运行区间车速/(k mh-1)车内测点车内压力变化最大值/P a1 s3 s1 0 s6 0 s上行线(成都东 北京西)成都东西安西安郑州东郑州东北京西2 5 03 0 03 0 0测点13 3 53 9 35 8 61 8 0 8测点23 3 43 9 35 8 61 8 0 6测点13 3 94 3 66 1 41 1 3 8测点23 3 84 3 56 1 41 1 3 8测点11 2 82 1 03 0 93 5 1测点21 2 92 1 13 0 83 5 1 由表4可以看出:“复兴号”动车组在西成线运行时,优化后的车内6 0 s最大压力变化率较第2次优化降低了6 5%。车内的1 s、3 s、1 0 s、6 0 s的最大压力变化率较优化之前分别降低了6 8%、8 0%、8 3%、5 9%,车内压力波动情况明显改善,远低于车内压力控制标准。乘客虽有轻微耳鸣现象,但是感受不明显,在可接受范围之内。5 结论(1)“复兴号”动车组在西成线运行时出现乘客耳鸣现象是由于列车连续经过长大隧道和海拔落差大的线路时造成车内外压差累积,当压力波保护取消满足条件时,车内外压差在短时间内会迅速达到平衡,从而造成车内压力波动剧烈。(2)通过优化压力波保护系统的开闭阀、强制开阀逻辑以及增加泄压的方式,车内的1 s、3 s、1 0 s、6 0 s的最大压力变化率分别降低了6 8%、8 0%、8 3%、5 9%,车内压力波动情况明显改善,远低于车内压力控制标准,人体感受较好,提高了乘客的乘坐舒适性和行车安全。(3)本次方案的优化只针对被动式压力保护系统逻辑的优化,不涉及其他逻辑的变更和车辆零部件的变更,对列车的安全运行不产生影响。参考文献:1 魏雨生,刘峰,张翠平,等.高速列车以4 0 0 k m/h通过隧道时气动效应的数值模拟与分析J.中国科技论文,2 0 1 9,1 4(6):6 5 2-6 5 6.WE I Y u s h e n g,L I U F e n g,Z HANG C u i p i n g,e t a l.N u-m e r i c a l s i m u l a t i o n a n d a n a l y s i s o n a e r o d y n a m i c e f f e c t s o f h i g h-s p e e d t r a i n p a s s i n g t h r o u g h t u n n e l s w i t h 4 0 0 k m/hJ.C h i n a S c i e n c e p a p e r,2 0 1 9,1 4(6):6 5 2-6 5 6.2 田红旗.中国高速轨道交通空气动力学研究进展及发展思考J.中国工程科学,2 0 1 5,1 7(4):3 0-4 1.T I AN H o n g q i.D e v e l o p m e n t o f r e s e a r c h o n a e r o d y n a m i c s o f h i g h-s p e e d r a i l s i n C h i n aJ.E n g i n e e r i n g S c i e n c e s,2 0 1 5,1 7(4):3 0-4 1.(下转第7 2页)73 高速动车组被动式压力保护系统舒适性测试与优化 孙玉昆,陈 垒R AN T e n g f e i,L I AN G X i f e n g,X I ON G X i a o h u i.S t u d y o n s e c t i o n a l a r e a o f h i g h-s p e e d s u b w a y t u n n e l w i t h s p e e d o f 1 4 0 k m/hJ.J o u r n a l o f C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y(S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y),2 0 1 9,5 0(1 0):2 6 0 3-2 6 1 2.1 1 何娇,杨志刚,谭晓明,等.1 6 0 k m/h地铁列车头型气动阻力优 化J.浙江 大学 学 报(工 学 版),2 0 1 7,5 1(1 0):2 0 3 0-2 0 3 8.HE J i a o,YANG Z h i g a n g,T AN X i a o m i n g,e t a l.A e r-o d y n a m i c d r a g o p t i m i z a t i o n o f s u b w a y t r a i n h e a d w i t h s p e e d o f 1 6 0 k m/hJ.J o u r n a l o f Z h e j i a n g U n i v e r s i t y(E n g i n e e r i n g S c i e n c e),2 0 1 7,5 1(1 0):2 0 3 0-2 0 3 8.1 2 贾永兴,李绵辉,梅元贵.基于一维流动模型的高速列车隧道交会空气阻力数值模拟研究J.中国铁道科学,2 0 1 9,4 0(1):7 0-7 8.J I A Y o n g x i n g,L I M i a n h u i,ME I Y u a n g u i.N u m e r i c a l s i m u l a t i o n o n a i r r e s i s t a n c e o f h i g h s p e e d t r a i n s c r o s s i n g i n t u n n e l b a s e d o n o n e-d i m e n s i o n a l f l o w m o d e lJ.C h i-n a R a i l w a y S c i e n c e,2 0 1 9,4 0(1):7 0-7 8.1 3 刘冬雪,蒋雅男,杨明智.加减速时地铁列车隧道气动性能研究J.铁 道 科 学 与 工 程 学 报,2 0 1 8,1 5(1):1 7 8-1 8 7.L I U D o n g x u e,J I ANG Y a n a n,YAN G M i n g z h i.S t u d y o n t u n n e l a e r o d y n a m i c o f s u b w a y t r a i n d u r i n g a c c e l e r a-t i o nJ.J o u r n a l o f R a i l w a y S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,2 0 1 8,1 5(1):1 7 8-1 8 7.1 4 梅元贵,李绵辉,郭瑞.高速铁路隧道内列车交会压力波气动载荷分布特性J.中国铁道科学,2 0 1 9,4 0(6):6 0-6 7.ME I Y u a n g u i,L I M i a n h u i,GUO R u i.A e r o d y n a m i c l o a d d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f p r e s s u r e w a v e w h e n t r a i n s p a s s i n g e a c h o t h e r i n h i g h-s p e e d r a i l w a y t u n n e lJ.C h i n a R a i l w a y S c i e n c e,2 0 1 9,4 0(6):6 0-6 7.1 5 王慕之,梅元贵,贾永兴.重叠网格法应用于模拟高速列车隧道气动效应J.应用力学学报,2 0 1 7,3 4(3):5 8 9-5 9 5.WAN G M u z h i,ME I Y u a n g u i,J I A Y o n g x i n g.S i m u l a-t i o n o f a e r o d y n a m i c e f f e c t s g e n e r a t e d b y a h i g h-s p e e d t r a i n p a s s i n g t h r o u g h a t u n n e l w i t h o v e r s e t g r i d m e t h o dJ.C h i n e s e J o u r n a l o f A p p l i e d M e c h a n i c s,2 0 1 7,3 4(3):5 8 9-5 9 5.1 6 王田天,胡冲,龚彦峰,等.扩大斜切式缓冲结构对时速4 0 0 k m铁路隧道口微气压波缓解研究J.空气动力学学报,2 0 2 1,3 9(5):1 5 1-1 6 1.WAN G T i a n t i a n,HU C h o n g,GONG Y a n f e n g,e t a l.M i t i g a t i o n o f m i c r o-p r e s s u r e w a v e a t 4 0 0 k m/h r a i l w a y t u n n e l e x i t b y o b l i q u e e n l a r g e d t u n n e l-h o o dJ.A c t a A e r o d y n a m i c a S i n i c a,2 0 2 1,3 9(5):1 5 1-1 6 1.(责任编辑:任 海)(上接第3 7页)3 HOWE M S.P r e s s u r e t r a n s i e n t s g e n e r a t e d w h e n h i g h-s p e e d t r a i n s p a s s i n a t u n n e lJ.I MA J o u r n a l o f A p p l i e d M a t h m e t i c s,2 0 1 8,6 5(3):3 1 5-3 3 4.4 李树典,周新喜.C RH 2型2 0 0 k m/h动车组车内压力波动控制研究J.机车电传动,2 0 0 9(2):6-7.L I S h u d i a n,Z HOU X i n x i.S t u d y o n t h e c o n t r o l o f p r e s-s u r e f l u c t u a t i o n i n C RH 2 t y p e 2 0 0 k m/h EMU sJ.E-l e c t r i c d r i v e f o r l o c o m o t i v e s,2 0 0 9(2):6-7.5 R I C C O P,B A R ON A,MO L T E N I P.N a t u r e o f p r e s-s u r e w a v e s i n d u c e d b y a h i g h-s p e e d t r a i n t r a v e l l i n g t h r o u g h a t u n n e lJ.J o u r n a l o f W i n d E n g i n e e r i n g&I n-d u s t r i a l A e r o d y n a m i c s,2 0 0 7,9 5(8):7 8 1-8 0 8.6 占俊.高速列车通过隧道气动效应仿真分析J.现代城市轨道交通,2 0 1 9(6):8 7-9 2.Z HAN J u n.S i m u l a t i o n a n a l y s i 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