郭玉華 ，陳治亞，周丹

(1. 中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410075；2. 鐵道部 運(yùn)輸局，北京，100844)

列車高速通過(guò)隧道及在隧道內(nèi)交會(huì)引起的隧道空氣動(dòng)力問(wèn)題對(duì)列車運(yùn)行安全性、經(jīng)濟(jì)性、旅客舒適性及隧道周圍環(huán)境均產(chǎn)生嚴(yán)重影響，是高速鐵路隧道設(shè)計(jì)中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)也是既有隧道能否適應(yīng)列車提速需要必須考慮的重要問(wèn)題[1-3]。世界高速鐵路發(fā)達(dá)國(guó)家均在對(duì)隧道空氣動(dòng)力問(wèn)題進(jìn)行研究[4-7]。2008年12月本文作者在合武(合肥—武漢)鐵路上進(jìn)行了250 km/h等級(jí)實(shí)車綜合試驗(yàn)，列車過(guò)隧道及隧道內(nèi)交會(huì)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)是本次試驗(yàn)的重要測(cè)試內(nèi)容之一。合武鐵路全長(zhǎng)359.361 km，全線共計(jì)新建隧道36座，隧道總長(zhǎng)為63.822 km，全部為單洞雙線隧道，線間距為4.6 m，隧道凈空面積為92.09 m2，其中大別山隧道(隧道長(zhǎng) 13.256 km)及鷹嘴石隧道(隧道長(zhǎng)1.080 km)是測(cè)試的重點(diǎn)隧道。合武鐵路初期為兼顧貨運(yùn)的客運(yùn)專線，旅客列車最高運(yùn)行速度為250 km/h，貨物列車最高運(yùn)行速度為120 km/h[8]。由于雙層集裝箱車裝箱后比普通車輛的高，箱體外形為鈍性，通過(guò)隧道阻塞比較大。當(dāng)雙層集裝箱車過(guò)隧道時(shí)，隧道內(nèi)壓力波動(dòng)劇烈，尤其是在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，氣動(dòng)性能惡化，影響行車安全[9-11]。在此，本文作者對(duì)雙層集裝箱平車以不同速度通過(guò)隧道及在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，集裝箱車體表面的壓力變化歷程及所受的氣動(dòng)力進(jìn)行分析和研究。

1 測(cè)點(diǎn)布置

本次試驗(yàn)貨物列車編組由牽引機(jī)車、1 輛試驗(yàn)車、26 輛敞車、2輛 25型客車、1輛雙層集裝箱車和 1輛棚車組成。為測(cè)量雙層集裝箱平車過(guò)隧道時(shí)壓力波動(dòng)和及在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)的側(cè)向力，本次試驗(yàn)在集裝箱箱體及車體上共布置64個(gè)動(dòng)態(tài)壓力傳感器，其中：在集裝箱箱體的側(cè)面對(duì)稱位置各布置8個(gè)傳感器，在集裝箱箱體的上頂面布置8個(gè)傳感器以測(cè)試雙層集裝箱車的橫向力、升力，同時(shí)，在集裝箱平車迎風(fēng)側(cè)及背風(fēng)側(cè)也各布置8個(gè)傳感器，用于測(cè)試空氣壓差阻力。測(cè)點(diǎn)具體布置情況如圖1所示。

2 測(cè)試方法

實(shí)車測(cè)試系統(tǒng)的組成及原理如圖2所示。該系統(tǒng)由動(dòng)態(tài)壓力傳感器、多通道放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的分析軟件組成。該系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為中心，在軟件支持下集成多種虛擬儀器的功能，能對(duì)多點(diǎn)、多種隨時(shí)間變化的參量(主要是瞬態(tài)壓力信號(hào))進(jìn)行動(dòng)態(tài)在線實(shí)時(shí)測(cè)量，并能快速地對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，有效排除噪聲干擾，消除偶然誤差，修正系統(tǒng)誤差，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的高準(zhǔn)確度和具有對(duì)被測(cè)信號(hào)的高分辨能力。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 集裝箱表面測(cè)點(diǎn)壓力隨時(shí)間的變化歷程

列車在隧道內(nèi)運(yùn)行的空氣動(dòng)力特性與明線運(yùn)行空氣動(dòng)力特性顯著不同。列車高速通過(guò)隧道，類似于活塞在氣缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)，在列車頭、尾部進(jìn)、出隧道瞬間，繞列車運(yùn)動(dòng)的氣流受到隧道壁面制約形成壓縮波、膨脹波，這2種波在隧道內(nèi)以音速向前傳播并在另一端隧道口反射，導(dǎo)致隧道內(nèi)不同空氣壓力波相互疊加。當(dāng)同種類型的波疊加時(shí)，壓力波幅值增加，而不同類型的波疊加時(shí)，壓力波幅值減小，使隧道內(nèi)空氣壓力發(fā)生劇烈變化[12-13]。尤其當(dāng)2列車在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，交會(huì)壓力波與隧道內(nèi)的壓力波動(dòng)疊加，使得隧道內(nèi)列車交會(huì)產(chǎn)生的壓力變化幅值遠(yuǎn)比明線交會(huì)時(shí)的大。

圖1 雙層集裝箱車測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Sensor locations on double container car

圖2 實(shí)車試驗(yàn)動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Sketch of full-scale train test system

圖3所示為貨物列車以120 km/h的速度與CRH2高速動(dòng)車組以250 km/h速度在鷹嘴石隧道交會(huì)時(shí)，位于集裝箱箱體側(cè)面24號(hào)測(cè)點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的52號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力隨時(shí)間的變化曲線。由于雙層集裝箱車在裝載情況下車體高度很高，阻塞比較大，且箱體外形為鈍性，2車輛之間車載集裝箱間距較大，列車在隧道中運(yùn)行時(shí)，隧道內(nèi)壓力波動(dòng)劇烈。由圖3可以看出：兩測(cè)點(diǎn)壓力波形基本相似，僅壓力幅值有所差異，24號(hào)測(cè)點(diǎn)和52號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力幅值分別為2.984 kPa 和 2.572 kPa。這是由于24號(hào)測(cè)點(diǎn)位于集裝箱列車交會(huì)側(cè)，當(dāng)交會(huì)瞬間列車交會(huì)壓力波疊加與隧道內(nèi)壓力波動(dòng)相互疊加時(shí)，其壓力幅值比非交會(huì)側(cè)的壓力幅值增加16%。

3.2 雙層集裝箱車所受氣動(dòng)力

利用分塊積分方法[14]得到雙層集裝箱車所受的空氣壓差阻力、側(cè)向力及升力。根據(jù)測(cè)點(diǎn)布置位置將車體分成32個(gè)區(qū)域。然后，將各個(gè)區(qū)域的壓力乘以區(qū)域面積即可得到空氣對(duì)該區(qū)域的作用力。將各個(gè)區(qū)域的空氣作用力相加可得到該端面的總作用力，分別計(jì)算出交會(huì)側(cè)和非交會(huì)側(cè)的空氣作用力，相減后即可得到該輛雙層集裝箱車在隧道內(nèi)交會(huì)的側(cè)向力曲線。采用同樣的方法，可以得到雙層集裝箱平車上箱所受的空氣壓差阻力及升力。

圖3 雙層集裝箱車測(cè)點(diǎn)壓力變化曲線Fig.3 Relationship between pressure of double container car and time

圖4 所示為貨物列車以120 km/h的速度與CRH2高速動(dòng)車組以 250 km/h速度分別在大別山隧道及鷹嘴石隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，2車交會(huì)瞬間被測(cè)集裝箱平車所受側(cè)向力隨時(shí)間變化曲線。從圖4可以看出：雙層集裝箱車在隧道內(nèi)交會(huì)，由于列車在交會(huì)瞬間車體側(cè)壁會(huì)受到強(qiáng)烈的壓力沖擊，將引起較大的側(cè)向力。交會(huì)過(guò)程的側(cè)向力變化曲線變化趨勢(shì)與列車在明線交會(huì)的情況基本相同[15]。

圖5所示為貨物列車以120 km/h的速度通過(guò)鷹嘴石隧道時(shí)，單列雙層集裝箱車所受空氣壓差阻力隨時(shí)間變化曲線；圖6所示為貨物列車以120 km/h的速度與CRH2高速動(dòng)車組以250 km/h的速度在鷹嘴石隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，集裝箱平車所受空氣壓差阻力隨時(shí)間變化曲線。從圖5和圖6可以看出：不論單列車過(guò)隧道還是2列車在隧道內(nèi)交會(huì)，當(dāng)雙層集裝箱車輛進(jìn)入隧道口時(shí)，空氣壓差阻力均急劇上升，之后又逐漸回落。平均阻力約為明線運(yùn)行時(shí)阻力的1.56倍，對(duì)于列車在隧道內(nèi)交會(huì)的情況，由于列車在交會(huì)瞬間交會(huì)壓力波的沖擊作用，雙層集裝箱車所受空氣壓差阻力也波動(dòng)劇烈。

圖4 隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)雙層集裝箱車側(cè)向力隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Relationship between side force on double container car and time when trains pass each other in tunnel

圖5 單列雙層集裝箱車過(guò)隧道空氣壓差阻力隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Relationship between pressure drag on double container car and time when train enters into tunnel

圖6 隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)雙層集裝箱車空氣壓差阻力隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Relationship between pressure drag on double container car and time when trains pass each other in tunnel

3.3 側(cè)向力與列車運(yùn)行速度的關(guān)系

國(guó)外研究表明：臨界空氣動(dòng)力持續(xù)作用于車體表面2～5 s才可能造成車體傾覆。據(jù)此，此次試驗(yàn)計(jì)算列車交會(huì)過(guò)程中氣動(dòng)力引起的車體2 s平均傾覆系數(shù)。

貨物列車與動(dòng)車組在大別山隧道(隧道長(zhǎng) 13.256 km)及鷹嘴石隧道(隧道長(zhǎng)1.080 km)交會(huì)時(shí)，雙層集裝箱車所受側(cè)向力、升力及氣動(dòng)力引起的2 s平均傾覆系數(shù)測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1可以看出：貨物列車以120 km/h的速度與CRH2動(dòng)車組不等速交會(huì)，當(dāng)動(dòng)車組的速度從180 km/h增至250 km/h時(shí)，雙層集裝箱車所受氣動(dòng)力及氣動(dòng)力引起的2 s平均傾覆系數(shù)顯著增加，側(cè)向力增加60%左右，升力增加約90%。這說(shuō)明列車在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，列車所受氣動(dòng)力不僅與列車本身的速度有關(guān)，而且與之交會(huì)的列車運(yùn)行速度密切相關(guān)；當(dāng)貨物列車以120 km/h的速度和動(dòng)車組以250 km/h的速度在大別山隧道和鷹嘴石隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，雙層集裝箱車由氣動(dòng)力引起的最大2 s平均傾覆系數(shù)分別為0.063和0.067，對(duì)車輛運(yùn)行安全影響較小。

表1 貨物列車與動(dòng)車組交會(huì)時(shí)雙層集裝箱車測(cè)試結(jié)果Table 1 Tested results of double container car as goods train and high speed train passing each other

4 結(jié)論

(1)當(dāng) 2列車在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，交會(huì)壓力波與隧道內(nèi)的壓力波動(dòng)疊加，使得隧道內(nèi)列車交會(huì)產(chǎn)生的壓力變化幅值遠(yuǎn)比明線交會(huì)時(shí)的大，而車體交會(huì)側(cè)壓力變化幅值比非交會(huì)側(cè)的壓力變化幅值大16%。

(2)當(dāng)雙層集裝箱車輛進(jìn)入隧道口時(shí)，空氣壓差阻力均急劇上升，之后又逐漸回落。在隧道內(nèi)運(yùn)行的平均阻力約為明線運(yùn)行時(shí)阻力的1.56倍，對(duì)于列車在隧道內(nèi)交會(huì)的情況，由于列車在交會(huì)瞬間交會(huì)壓力波的沖擊作用，雙層集裝箱車所受空氣壓差阻力也波動(dòng)劇烈。

(3)列車在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，列車所受氣動(dòng)力不僅與列車本身的速度有關(guān)，而且與其交會(huì)的列車運(yùn)行速度密切相關(guān)。

(4)貨物列車以120 km/h的速度和動(dòng)車組以250 km/h的速度在大別山隧道和鷹嘴石隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，雙層集裝箱車由氣動(dòng)力引起的最大2 s平均傾覆系數(shù)分別為0.063和0.067，對(duì)車輛運(yùn)行安全影響較小。

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