单车明线工况下高速列车室内压力波动研究
许良中，梁习锋，刘堂红，熊小慧
(中南大学 交通运输工程学院，轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙，410075)
摘要：对已在明线工况下连续运营一段时间的16节长编组200 km/h动车进行实车试验，利用车载测试系统重点测试列车经过分相区、紧急制动以及列车到站开启车门3种工况下，客室内气压变化率和室内外压差；并根据车体气密性指数求解方法，分析车体动态气密性指数随时间变化关系。根据测试结果，结合动车组通风换气装置结构特点分析动态气密性指数增大发生耳鸣现象的原因，并提出改进措施。研究结果表明：随着运行时间的增加，室内负压呈线性逐渐增大，室内最大负压为-982 Pa；室内压力变化率随室内外压差的变大而逐渐增大，列车到站开启车门工况下3 s变化率最大为602 Pa/(3 s)，1 s变化率最大为564 Pa/s，经过分相区时的最大3 s变化率和1 s变化率分别为263 Pa/(3 s)和93 Pa/s。车体动态气密性指数随运行时间的增加而增加，最大值为11.58。
关键词：动车组；耳鸣；压差；气密性指数
中图分类号：U270.1 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2014)08-2878-07
Pressure variation test inside full-scale high-speed train running in open area
XU Liangzhong, LIANG Xifeng, LIU Tanghong, XIONG Xiaohui
(Key Laboratory of Traffic Safety on Track, Ministry of Education,
School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)
Abstract: After the type of 16 units 200 km/h electric multiple unit (EMU) running in the open lines for days, under the operating condition of EMU passing split phase, braking in emergency and opening doors at stations, the vehicle-mounted test system was applied to monitor the pressure variation by the method of full scale test. Based on the theory of the air-tightness index, the relationship between dynamic air-tightness index and the time was revealed. Finally, the principle of the pressure variation was discovered and the improvement measures were proposed. The results show that with the increase of the running time of the train, the negative pressure inside increases linearly, and the maximum negative pressure drop is -982 Pa while the maximum rate of the pressure variation is 602 Pa/(3 s) and 564 Pa/s. When the equipment is out of power suddenly, the maximum rate of the pressure variation is 263 Pa/(3 s) and 93 Pa/s. Also, the air-tightness index increases with the running time that the EMU runs in the open air, and the max index is 11.58.
Key words: EMU; tinnitus; pressure difference; air-tightness index
随着高速铁路运行速度不断提升，人们对高速列车行车安全与旅客舒适度的要求越来越高。引起旅客耳鸣、恶心等现象的主要原因是短时间内客室内空气压力幅值变化过大[1-3]。目前对影响客室内压力变化的研究主要集中在以下3种工况中：(1) 列车高速通过隧道工况，隧道内引起不断来回反射的压缩波与膨胀波系，有学者针对这种隧道-列车耦合空气动力特性，研究了包含隧道长度、阻塞比、列车外形等因素对隧道内压力波影响[4-6]。(2) 列车高速交会工况，两列车中间的空气被挤压引起变化剧烈的交会压力波，有学者研究了交会压力波幅值与线间距、车体宽度、列车运行速度以及附面层厚度因素的关系[7-9]。(3) 列车高速在隧道内交会工况，情况更加恶劣[10-11]。人们对200 km/h速度等级动车组车辆采取了特殊的密封处理，整车气密指标从3.9 kPa降至0.98 kPa的时间大于50 s，满足我国《200公里及以上速度等级铁路车辆密封等级》中整车气密试验要求车内外压力差从3 600 Pa降到1 350 Pa时间大于18 s的规定[12]，在气密性满足规定的情况下，明线运行中出现室内压力变化剧烈的现象是影响旅客乘坐舒适度的新问题。但是，目前对明线单车运行工况下的客室内压力变化关注很少。本文作者主要针对这一工况，对16节长编组200 km/h动车组客室内出现旅客耳鸣、恶心等影响旅客舒适度问题进行实车试验研究。根据随车统计，引起旅客耳鸣的时刻为经过分相区、紧急制动以及到站开启车门等，因此，利用车载测试系统重点针对以上工况对室内压力变化率进行实时监测。
1 舒适性标准
在20世纪60年代，日本最早对人体舒适性标准在气密实验室进行了试验，根据大量压力变动与耳鸣关系的试验结果，得出了耳感舒适度临界曲线，并提出了JNR新干线人体舒适度评价标准：最大压力变化幅值为1 kPa，最大压力变化率为300 Pa/s，见图1。此后，英国、德国和美国根据本国实际情况，进行了大量的试验研究以及国际间合作，制定了相应的舒适度标准，英国规定：4 s内最大压力幅值为4 kPa；该标准适用于所有英国铁路(4 s大致相当于完成耳膜压力调整所需的时间)。德国高铁与日本新干线类似，隧线比较高，因此，德国采用日本的人体舒适度评价标准：最大压力变化幅值为1 kPa，最大压力变化率为200 Pa/s，并将200 Pa/s的限制放宽到300~400 Pa/s。美国运输部UMTA建议的人体舒适度评价标准为1.7 s内最大压力变化幅值为700 Pa，最大压力变化率为410 Pa/s[13]。我国对人体舒适性的研究起步较晚，根据隧道空气动力学试验并参考国外标准，铁道部科技司提出旅客承受瞬变压力的舒适度准则建议值为单线隧道小于800 Pa/(3 s)；双线隧道小于1 250 Pa/(3 s)[14]。
图1 耳感舒适度曲线
Fig. 1 Comfort curve
2 室内压力变化数学模型及测试系统
2.1 数学模型
室内压力变化对客室内人体舒适性有直接影响，而室内压力变化又受到车体表面压力、客室内压力、压力变化时长以及列车缝隙面貌等因素影响。图2所示为客室内压力变化示意图。客室内压力通过车体缝隙向室外压力逐渐平衡，其变化过程可表述为[15]
(1)
式中：po为室外压力，Pa；pi为室内压力，Pa；S为车体缝隙面积，cm2；V为车内空气容积，m3；t1为车内空气压力由pi变至po所需时间，s。
2S/V称为车体气密度，车体各部之间的缝隙越大其车体的气密度也就越大，客室内瞬间压力变化也就越大。相关研究表明：当2S/V≤1时，耳部感受舒适。直接测试车体表面缝隙来确定车辆的气密度有很大的难度，因此，工程上常采用气密性试验测试车体的气密性指数的方法对车体气密性进行考核，气密性指数τ可表示为
图2 客室内压变化示意图
Fig. 2 Sketch map of pressure variation
(2)
式中：△p为车体客室内外压差；dp/dt为客室内压力变化梯度。
若已知室内外压差△p随时间变化历程，则气密性指数还可改写为
(3)
其中：t2为△p1变化到△p2的时间。动态密封指数为静态值的1/3~1/2。
2.2 测试内容及系统
根据舒适性标准所规定的要求，测试内容包含客室内外压差(变化幅值)以及室内压力变化率(压力变化梯度)，压力变化率包括1 s压力变化率和3 s变化率。
利用式(2)计算列车的气密性指数，分析气密性指数随运行时间的变化规律。密封性较好的高速列车在到站开启车门时，客室内外压力会进行平衡，对室内压力变化进行测试的压力传感器可以测试出室内外压差△p；其次，列车在运行过程中会经过电网分相区(无电区)，在这个区域内列车的通风换气设备会停止运行，室内压力会迅速地向室外压力变化，经过分相区的过程近似于泄压试验，因此，这一过程中的压力变化率可很好地反映出式(2)中的压力变化梯度。
试验动车组列车为16节长编组座车，试验的测试车厢选定在中部的8号车厢，在车内的前后和中间部位均匀布置3个动态空气压力传感器用于测试室内压力变化率，在室内中部还布置了1个大气压力传感器，用于测试室内空气压力变化幅值。本次试验采用的是车载测试系统，主要包含信号调理系统，数据采集系统，计算机存储及数据处理系统等；测试系统的组成及原理如图4所示。数据采集系统主要测试元件包含感压片、压差传感器、大气压力传感器、多通道信号处理采集仪等。
图3 车载测试系统
Fig. 3 Vehicle-mounted test system
3 室内压力变化测试结果及分析
3.1 开启车门时室内压力变化测试
列车到站开启车门过程中，列车客室内的压力变化分为4个阶段：第1个阶段是客室内外压差维持在一定范围内，波动较小；第2个阶段是减速进站过程中，列车减速慢行，当速度低于120 km/h时，换气装置由高档自动换为低档工作，进风量和废排风量都会相应降低，并且车外表面压力系数cp随着速度的降低而减小，车内外压差缓慢向压力平衡位置变化；第3个阶段是列车开启车门瞬间，车内外压力瞬间平衡，压力剧烈变化，产生较大的变化率，室内外压差较大时会引起强烈耳鸣；第4个阶段是室内压力短暂小幅阻尼振荡阶段，直至内外压差为0 Pa。当列车关闭车门继续运行时，列车内外压差慢慢恢复到第1个阶段△p水平，到下一站开启车门时变化规律一致。室内压力波动时间历程曲线如图4所示。
当室内是负压时，客室内压力波动时间历程曲线与室内正压工况下的变化规律一致，压力变化方向相反。△p以及开启车门瞬间的压力变化率见表1。
3.2 经过分相区时室内压力变化
当列车经过分相区时，弓网无电，换气装置停止工作，室内通过换气装置的新风风道和废排风道与室外相通，室内压力迅速向室外压力变化，类似于静态泄压试验过程；列车经过分相区的时间只有十几秒，当弓网又开始供电后，所有设备又开始正常工作，室内压力又逐渐恢复到过分相前的水平。在这2个过程中，前一个过程会产生很大的压力变化率，容易引起耳鸣现象，但这一过程中的泄压面积比开启车门工况下的泄压面积小，因此，压力变化率比开启车门工况下的小，这很好地解释了乘客所反映的耳鸣先出现在开启车门的工况中后出现在过分相时的现象。
图5和图6所示为压力变化时间历程曲线，分别对应的工况为室内为正压以及室内为负压列车经过分相区时客室内压力变化情况。当室内正压经过分相区时，室内压力通过换气装置进风口以及车体其他缝隙迅速向室外压力下降，当通过电网分相区间后，换气装置又重新开始工作，室内压力又逐渐上升至经过分相区前水平。当室内是负压时情况相反。在这个工况中重点测试分相时室内压力的变化梯度dp/dt，结果见图5和图6。由图5和图6可以看出：经过分相区时，室内的压力变化近似于线性关系，因此，压力变化梯度可等效为压力变化率。
表1 南京站上行数据
Table 1 Test result at Nanjing station up direction
图4 室内正压开启车门室内压力变化曲线
Fig. 4 Pressure variation history when door opened with positive pressure inside
图5 室内正压经过分相区时室内压力变化曲线
Fig. 5 Pressure variation history passing split phase with positive pressure inside
3.3 紧急制动时室内压力变化
在运行过程中列车出现了紧急制动的工况，室内压力变化也比较明显；列车在加速过程中突然紧急制动，而后又缓慢加速，室内压力变化波形如图7所示(此时室内为负压)。从图7可见：随着列车速度的不断提高，当速度高于120 km/h时，换气装置功率自动调整为高档，由于新风口滤网堵塞，进风量减少，而废排风量不变，因此，室内压力减小，紧急制动后室内压力很快上升，此刻出现轻微的耳鸣现象；列车制动缓解后开始不断加速，室内压力又慢慢恢复到换气装置功率为低档时的水平；当列车速度高于120 km/h时，换气装置的功率又自动换为高档，室内压力又再次降低。
图6 室内负压经过分相区时室内压力变化曲线
Fig. 6 Pressure variation history passing split phase with negative pressure inside
图7 紧急制动工况下室内压力变化曲线
Fig. 7 Pressure variation history braking in emergency
3.4 测试结果统计分析
3.4.1 室内外压差及压力变化率分析
随车5 d对高速长编组座车进行实车测试。以南京站作为室内压力变化为例，说明其变化规律，其余各站台变化规律相似。表1所示为南京站上行测试结果，图8所示为根据南京站上行数据绘制的室内外差压及南京站开启车门时压力变化率随时间的变化情况。
图8 南京站(上行)压力变化率及室内外压差
Fig. 8 Correlation between pressure variability and pressure difference at Nanjing station
测试过程中，新风滤网仅刷理未用水洗，换气装置废排量不变。由图8可知：在5 d的测试中，随时间的延长，室内外压差呈线性增大，而且压力变化率随着压差的增大而增大，开启车门工况中3 s变化率和1 s变化率相差不大，可见压力变化非常剧烈；第5天到达南京时，最大压差为-903 Pa，到站开启车门工况下3 s变化率最大为602 Pa/(3 s)，1 s变化率最大为564 Pa/s，经过分相区时的最大3 s变化率和1 s变化率分别为263 Pa/(3 s)和93 Pa/s；在运行至苏州站时，室内外压差出现了5 d中的最大值-982 Pa，可见室内压差变化越来越剧烈。第5天时，旅客在开启车门时都堵上了耳朵，耳鸣现象已经非常严重。
3.4.2 气密性指数分析
根据表1中开启车门工况下的室内外压差，以及站前经过分相区时的1 s变化率，利用式(2)计算，分析车体动态气密性指数随运行时间的变化关系，结果见表2。由表2可以看出：随着运行时间的增加，高速列车的动态气密性指数增加，但车体动态气密性指数增幅逐渐减少。
表2 车体动态气密性指数
Table 2 Dynamic air-tightness index of train
对测得的车体动态气密性指数进行数据拟合，得到车体的动态气密性指数τ与运行时间t符合三次函数多项式关系，关系式如式(4)所示，拟合曲线如图9所示。
(4)
图9 车体动态气密性指数随运行时间变化关系
Fig. 9 Relationship between dynamic air-tightness index and running time
4 原因分析
200 km/h动车组车门采用侧拉门结构，动车组速度达到30 km/h 以上时车门压紧装置启动，将车门和车体依靠高压油压力紧密贴近，保持气密性，室内气压的调节主要依靠通风换气系统。该系统包括换气废排装置和空调装置2个部分，换气装置的作用包括：一是从室外由新风口经过新风通道吸入新风供给空调装置，经由供风风道进入客室内；二是将室内的部分空气经过废排通道通过废排口排出车厢外。以此来实现室内空气的循环[16]在车速低于120 km/h时，换气装置于低档工作，新风量及废排流量较小。当车速高于120 km/h时，换气装置由抵挡工作自动转换为高档工作，这时输送的新风量和废排流量都会有所提升；因此，室内外压差主要取决于换气装置吸入的新风量与废排风量的差值，若吸入的新风量大于排出的风量则室内为正压，反之室内为负压。动车组通风换气系统示意图如图10所示。
根据气密性指数的变化规律可知列车的气密度不断变小，即泄压的缝隙不断变小，而车体制造缝隙一般不会发生变化，因此，根据通风换气装置的工作原理可以判断：导致气密性指数不断增加的根本原因是加装在新风风道入口处的空气灰尘滤网发生了堵塞。随着列车的运行时间增长，滤网堵塞的情况也越来越严重，导致进入客室内的新风量不断下降，而废排抽出的室内的空气流量不变，在列车运营的过程中，室内的压力不断降低，最后造成室内负压逐渐增大，室内外压差也就不断增大，因此，在列车到达站点开启车门的瞬间，以及列车运行过程中经过分相区，所有设备停止工作时，室内压力变化都很剧烈。
图10 动车组通风换气系统示意图
Fig. 10 Ventilation system schematic diagram of EMU
5 结论
(1) 车门开启时的室内空气压力变化率比经过分相区和紧急制动过程中的压力变化率都要大，因此，耳鸣现象先出现于车门开启工况。压力变化率与室内外压差有关，压差越大，变化率越大。
(2) 开启车门时，压力变化速度很快，3 s变化率和1 s变化率相当；经过分相区时，室内压力变化相对较慢，3 s变化率比1 s变化率要大。
(3) 开启车门时，3 s变化率最大为602 Pa/(3 s)，1 s变化率最大为564 Pa/s，虽未超过国内800 Pa/(3 s)标准，但是已经超过日本、德国和美国关于密闭车辆标准，运营车辆客室内已经出现耳鸣现象。
(4) 车体动态气密性指数随运行时间的增加而增加，最大值为11.58。
(5) 换气装置新风风道滤网被粉尘堵塞是造成列车动态气密性指数不断增加的原因，不断增加的动态气密性指数又直接导致室内负压不断增加，从而室内外压差不断增大，致使特殊工况下室内压力变化率较大，最终引起耳鸣等现象。解决的办法是定时对滤网进行彻底清洗，建议对于仅刷理清理的滤网(试验中使用的滤网状态)使用周期最好为4 d。
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(编辑 赵俊)
收稿日期：2013-11-12；修回日期：2014-01-10
基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(U1134203)；国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51205418)
通信作者：许良中(1983-)，男，江苏徐州人，博士研究生，从事列车空气动力学研究；电话：13873196743；E-mail：xuliangzhong1@126.com
