DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.09.037
沙漠地区铁路动车组过境风沙流卸载分布特性试验研究
李荧1, 3，周伟1, 2，丁叁叁2，尹鹏飞3，葛盛昌4
(1. 中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙，410075；
2. 中国中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛，266111；
3. 乌鲁木齐铁路局，新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐，830011；
4. 乌鲁木齐铁路局科学技术研究所，新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐，830011)
摘要：针对沙漠地区动车组的过境风沙卸载分布特性开展研究。研究结果表明：线路内、外侧积沙以中沙(粒径[0.25~0.50) mm)为主，占比分别为55.24%和63.02%；设备舱、空调滤网积沙主要源于线路内侧的涡流携带风沙，其中细沙(粒径＜0.25 mm)占比分别为97.92%和98.24%。设备舱内积沙以动车居多、拖车相对偏少，且设备舱内积沙主要分布在有源通风设备区域；由于迎风侧上行线积沙较为严重，沿上行线运行的头车积沙量比尾车的高；风沙气候和积沙线路是影响设备舱积沙分布特性的主要因素。
关键词：风沙防治；高速动车组；兰新客运专线
中图分类号：U271.91 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2017)09-2544-06
Experiment study on transit wind-sand flow unloading distribution characteristic of train-set in desert area railways
LI Ying1, 3, ZHOU Wei1, 2, DING Sansan2, YIN Pengfei3, GE Shengchang4
(1. School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;
2. China Railway Rolling Stock Corporation Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 266111, China;
3. Urumqi Railway Administration, Urumqi 830011, China;
4. Research Institute of Scientific and Technology of Urumqi Railway Administration, Urumqi 830011, China)
Abstract: Sand distribution characteristic of train-set in desert area was investigated. The results show that medium sand of particle size between 0.25 mm to 0.50 mm dominates within sand samples from both inside and outside of the railway line, the ratio of which reach 55.24% and 63.02%, respectively. Fine sand of particle size below 0.25 mm, mainly originating from vortex-carrying sand inside railway lines, dominates within sand samples from equipment cabin and air conditioner filters, the ratio of which reach 97.92% and 98.24%, respectively. The motor car contains more sand accumulation than the trailer car, and sand accumulation is mainly distributed at the ventilation equipment region in equipment cabin. Due to severe sand unloading at windward side of the up railway line, the head car running on up line contains more sand accumulation than the tail car. Blown-sand environment and accumulated-sand railway line are the two major factors that affect sand distribution characteristic of train-set equipment cabin.
Key words: blown-sand prevention; high speed train-set; Lanzhou—Xinjiang railway for passenger traffic
新疆兰新(兰州—乌鲁木齐)铁路地处亚洲腹地，大风频繁，且铁路两侧为戈壁地形地貌，受西伯利亚寒流和天山垭口的“狭管增速”效应影响，极易形成戈壁风沙流[1-4]。对铁路运输而言，恶劣风沙气候条件多次造成兰新既有铁路列车倾覆翻车、沙砾掩埋铁路、沙石击碎车窗玻璃[5]等事故，给铁路运输造成了巨大的经济损失和严重的社会影响[6-7]。就车辆运行而言，兰新客运专线开通后，更高运行速度下的动车组空气动力地面效应对线路积沙和环境风沙条件下设备舱及空调滤网的防沙性能提出了更高的要求，铁路沿线风沙主动防护和列车抗风沙设计成为风沙气候条件下高速动车组运行的关键技术保障。针对沙害的防护，在兰新既有铁路风沙严重区段设置挡沙墙能有效减少和防止列车车窗玻璃破损、线路积沙埋道[8]。虽然该线路列车积沙相对减少，但对于高速运营的兰新客运专线而言，环境风沙和线路积沙将导致沙粒卷入车体，影响高速动车组关键通风设备的正常工作。针对风沙流的研究，国内外已有较多报道：中铁西北科学研究院通过风沙流现场试验和数值仿真，研究兰新铁路戈壁地区沿垂直高度方向的风沙分布及运动形式[9-11]；冯大军等[12]通过风洞风沙试验获取垂向分布沙样，分析得出不同粒径输沙量的垂向分布规律；周丹等[13]通过数值计算、风洞试验和现场试验相结合的方法开展了挡风墙对列车防风沙效果的系列研究；ZHANG等[14]基于腾格尔沙漠地区的气象数据研究风沙特性，揭示了风向和流沙密度均具有时空变化特征；HOLZE等[15]结合大气边界层和非均匀风沙流的理论体系建立多层分析模型，计算风沙流效应和沙蚀损伤，并取得了较好效果；ZHANG等[16]对巴丹吉林沙漠的风况特征的时空变化及其对风沙流运动的影响进行了研究。本文作者针对兰新客运专线某高寒抗风沙动车组运行的积沙分布特性进行研究，建立不同运营区段的动车组设备舱内沙量观测数据样本，获取积沙量分布与车辆编组、运营区间及气候条件的关系规律，以便为风沙环境下高速列车的设备检修及滤网清沙、更换周期优化提供参考。
1 积沙粒径分析
受挡风墙来流阻挡作用，沙粒运动轨迹受风/车/路/墙耦合因素的影响。在横风风速30 m/s、运行车速200 km/h的工况下，通过对平地、矮路堤、高路堤路况的线路流场进行计算，得到兰新客运专线线路横断面的空间流线分布，如图1所示。
图1 横风为30 m/s、车速为200 km/h的线路横断面流线
Fig. 1 Streamlined diagram of transverse section in case of wind velocity at 30 m/s and running speed at 200 km/h
由图1可知：平地、矮路堤、高路堤工况下远方来流经挡风墙绕流至车体顶部以上，挡风墙外侧环境风沙对车辆无影响。对动车组车顶空调、车下设备舱内积沙影响较大的为迎风、背风侧涡场，挡风墙内线路积沙被车体迎风、背风侧气动涡流携带，通过集尘风箱进风口、通风裙板侵入车体设备舱及车顶空调设备。
兰新客运专线线路积沙较为严重区段分布在烟墩风区，且积沙主要分布在上行线近挡风墙一侧(如图2所示)。从线路内侧上行线的钢轨外侧和线路外侧(挡沙墙以内)进行沙粒取样。
图2 兰新客专线路内外积沙样本
Fig. 2 Sand samples inside and outside railway line in Lanzhou—Xinjiang railway for passenger traffic
选取动车组车下设备舱、车顶通风空调滤网和线路内外侧积沙的沙样，沙样粒径分析采用不同孔径规格的筛箩进行筛选，对不同粒径的沙样组成进行分类和统计。线路内外积沙、动车组设备舱内积沙及车顶空调滤网积沙样本的沙样粒径占比分布情况如表1及图3所示。
表1 沙样粒径分布百分比
Table 1 Percentage of different sand particle diameter %
图3 线路内外、设备舱及空调滤网积沙粒径占比柱状图
Fig. 3 Column map of sand particle percentage inside/outside railway line, in equipment cabin and air conditioner filter
由表1和图3可知：受挡风墙阻挡作用，线路外侧积沙的小粒径沙样占比比线路内侧积沙的低，且线路内侧积沙的细沙(粒径＜0.25 mm)占比不超过42.80%。线路内、外的地面积沙以中沙(粒径[0.25~ 0.50) mm)为主，分别达55.24%和63.02%，而粗沙与极粗沙分布较少。设备舱内积沙主要源于线路内侧的涡流携带风沙，经集尘风箱滤网过滤后，积淀在舱内的沙粒主要以细沙(粒径＜0.25 mm)为主，占比达97.92%。车顶空调设备的滤网积沙以细沙(粒径＜0.25 mm)为主，所占比例达98.24%。由于沿垂直高度上升方向空间跃移的小粒径沙粒比例逐渐增大，大粒径沙粒比例减小[9]，因而设备舱内及空调滤网积沙的中沙、粗沙和极粗沙分布较少，均在1.53%以下。
2 设备分布对积沙量的影响
选取高寒动车组的头尾拖车1车、8车和中间动车2车作为试验车，各试验车积沙收集以不同设备单元进行归类，如图4所示。
图4 头尾拖车1车和8车舱内设备分布图
Fig. 4 Equipment distribution of trailer cars No.1 and No.8
图5 中间动车2号车舱内设备分布图
Fig. 5 Equipment distribution of motor car No.2
沙样采集称重试验分2次进行：第1次试验收集2014-10-23—2014-11-24期间动车组设备舱积沙，其有效运行距离为15 174 km；第2次试验收集2015-03-22—2015-05-06期间动车组设备舱积沙，其有效运行距离为9 343 km。对2次试验头尾拖车1车和8车、中间动车2车的积沙采集数据进行分析，各试验车沿车长方向不同设备片区的积沙量分布如图6所示。由图6可知：
1) 头尾拖车1车、8车的设备舱积沙主要集中在司机室空调和集尘风箱单元，集尘风箱单元的积沙量占枕内设备舱总积沙量达30.8%，司机室空调单元的积沙量占枕内设备舱总积沙量达21.2%，且1车、8车设备舱积沙沿设备位置呈对称分布。
2) 中间动车2车的设备舱积沙主要集中在集尘风箱、牵引变压器和牵引变流器单元，集尘风箱单元的积沙量占枕内设备舱总积沙量的比例为24.9%，牵引变压器单元的积沙量占枕内设备舱总积沙量的比例为21.9%，牵引变流器单元积沙量的比例占枕内设备舱总积沙量的比例为11.6%。
3) 各试验车有源通风设备及其邻近区域(如水箱、辅助整流器等)积沙量较多，故动车组设备舱的积沙防护应以舱内通风有源设备作为重点，进一步优化其滤网结构的设计及检修更换周期。
4) 由于第1次试验的车辆运行里程比第2次的偏大，因此，第1次试验的各车设备单元积沙量均比第2次的偏多。
图6 拖车1车、8车及动车2车舱内设备积沙量分布
Fig. 6 Sand distribution of trailer cars No.1, No.8 and motor car No.2
3 车辆编组对积沙量的影响
对2次积沙称重试验的1车、8车和2车编组情况及运行方向进行分析，2次积沙采集前动车组的车辆编组情况如图7所示。
高寒动车组设备舱结构采用全密封防风沙设计，设备舱仅通过集尘风箱通风口与外界进行气流交换。因此，选取试验车设备舱外观(各设备单元的积沙量总和)、集尘风箱通风滤网及车顶空调通风滤网的积沙作为分析对象，2次积沙称重试验不同编组位置的积沙量统计结果如表2所示。
图7 积沙收集前车辆编组情况
Fig. 7 Vehicle marshaling before sand collection
表2 不同编组车辆积沙量分布
Table 2 Accumulated sand of different vehicle marshaling g
由统计结果可知：
1) 由于动车2车设备舱内设置有2处集尘风箱通风口，而拖车1车、8车仅设置了1处集尘风箱通风口，因此，中间动车的设备舱外观及集尘风箱滤网积沙量要比头尾拖车偏多。
2) 考虑到线路积沙主要集中于靠挡风墙上行线一侧，作为上行正向往兰州方向的运行头车(如图7所示第1次试验的8车和第2次试验的1车)，在通过积沙严重区段时，其积沙量要比尾车的偏多，如图8所示。
图8 上行方向头尾车运行积沙量比较
Fig. 8 Sand quantity comparison of head car and tail car in up direction
4 气候条件和积沙区间对积沙量的影响
结合2014-10-23—2014-11-24和2015-03-22—2015-05-06这2次的积沙称质量试验数据、有效运行里程及运行交路行经区间信息，分析气候条件和积沙线路区间对高寒动车组积沙量的影响规律。图9所示为高寒动车组2次积沙采集试验对应车辆的区间运行次数统计图。
图9 动车组2次积沙采集的车辆运行区间情况
Fig. 9 Running scenarios of different areas in each sand collection
积沙采集数据体现了一段时间内车辆行经不同线路区间的积沙总量。为准确描述有效运行里程对积沙量影响，将各次试验设备舱外观、集尘风箱滤网及车顶空调滤网总积沙量数据换算为单位运行里程积沙量，头尾拖车1车和8车、中间动车2车的单位里程积沙量分布如图10所示。
图10 2次积沙称重试验各车单位里程积沙量分布
Fig. 10 Accumulated sand weight per kilometer in each sand collecting of testing cars
由图10统计结果可知：第2次试验的单位运行里程积沙量总体要比第1次的偏大，分析原因如下：
1) 第1次试验期间高寒动车组主要运行于乌鲁木齐—吐鲁番、乌鲁木齐—哈密区段，且运行期间无风沙天气情况；
2) 第2次试验期间动车组经历了2次风沙气候条件：2015-04-14百里风区风力等级为9级；2015- 04-27百里风区风力等级达12级。在风沙条件下线路积沙及大风携带沙粒增多，导致设备舱及通风设备滤网进沙量相对增大。
3) 兰新客运专线的红柳河南—盐泉北、柳树泉 南—了墩北区段属于线路积沙严重区段，在第2次试验期间动车组4次行经该区段(见图9)。当动车组高速通过沙害严重区段时，风/车/路/墙耦合气动效应导致线路积沙卷起上扬，飞起的细沙通过设备舱集尘风箱进风口、通风裙板进入到设备舱以内。图11所示为高寒动车组高速通过线路积沙严重区段时，转向架区域内的气动效应使气流携带积沙上扬的视频监控截图。
图11 转向架区域线路积沙上扬画面
Fig. 11 Rolling-up of accumulated sand on railway in bogie area of high-speed train-set
5 结论
1) 线路外侧的小粒径积沙占比比线路内侧的低，且线路内外的地面积沙以中沙为主，而粗沙与极粗沙分布较少。设备舱内积沙主要源于线路内侧的涡流携带风沙，经集尘风箱滤网过滤后的舱内积沙以细沙为主，占比高达97.92%。车顶空调滤网积沙以沿垂直高度上升方向空间跃移的小粒径沙粒为主，占比高达98.24%。
2) 动车组设备舱内积沙主要分布在集尘风箱、司机室空调、牵引变压器和牵引变流器等通风有源设备区域，头尾拖车积沙沿设备片区的分布规律相似。有源设备积沙区域的邻近区域积沙量也相对较多。因此，动车组设备舱防沙应重点关注通风有源设备的滤网结构设计和优化。
3) 由于中间动车的通风有源设备较多，其积沙量相对于头尾拖车偏大。当试验车作为头车运行通过积沙严重区段时，其积沙量相对于尾车偏大。
4) 风沙气候条件和线路积沙是影响兰新客运专线动车组积沙分布特性的主要因素。一方面，应借鉴兰新既有线路防风治沙的成功经验，进一步探索有效的挡沙防沙措施，阻止沙粒上道；另一方面，目前线路积沙的清理一般采取人工清扫结合吹风机吹扫、装袋外运方式，该作业方式效率较低，难以满足长区间短时域的清沙工作需求，因此，需要进一步优化现场沙害处理作业方式和流程，提高作业效率。
5) 针对高寒动车组气动效应致积沙上扬现象，应重点关注动车组设备舱底板、端板和裙板结构设计的密封性，进一步优化设备舱通风进风口的滤网结构，结合风沙气候条件季节性优化通风设备滤网的检修和更换周期。
6) 由于前期研究数据样本较少，在后期的跟踪试验中会加强观测，进一步分析风沙样本的统计分布规律，以便为兰新客运专线动车组的运用维护提供数据支撑和技术保障。
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(编辑 伍锦花)
收稿日期：2016-11-01；修回日期：2017-01-04
基金项目(Foundation item)：高速铁路基础研究联合基金重点支持项目(U1334205)；中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2016T004-E，2015G005-B) (Project(U1334205) supported by the Key Fundamental Research Union Funds of High-speed Rails; Projects(2016T004-E, 2015G005-B) supported by the Research and Development Program of China Railway Corporation)
通信作者：周伟，博士，讲师，从事载运工具运用工程研究；E-mail: zhou_wei000@126.com
