劉 峰, 姚 松, 劉堂紅, 張 潔

(中南大學(xué) 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410075)

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高速鐵路隧道壁面氣動壓力實(shí)車試驗(yàn)分析

劉 峰, 姚 松, 劉堂紅, 張 潔

(中南大學(xué) 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410075)

采用實(shí)車試驗(yàn)方法對高速動車組穿越雙線隧道引發(fā)的隧道壁面氣動壓力進(jìn)行測試,分析不同位置測點(diǎn)在列車通過階段和列車駛出階段的壓力峰值.研究結(jié)果表明：不同測點(diǎn)壓力最大峰峰值(正峰值-負(fù)峰值)可能發(fā)生在列車通過階段,也可能發(fā)生在列車駛出隧道后的壓力衰減階段；壓力峰峰值在洞口附近較小,在隧道中部較大.在列車通過隧道階段,壁面測點(diǎn)壓力峰峰值隨著車速的增加而迅速增大.列車駛出隧道后,壓力峰峰值開始周期性衰減,衰減周期為2倍的聲速在隧道內(nèi)傳播時間；在同一周期內(nèi),隧道入口處測點(diǎn)壓力衰減率較大,出口次之,隧道中部最??；斜切洞門緩沖結(jié)構(gòu)頂部開口對降低第一個周期壓力峰峰值的效果不明顯,但可以明顯降低多個周期后的壓力峰峰值.

高速列車；隧道；實(shí)車試驗(yàn)；氣動壓力

當(dāng)列車高速通過隧道時,由于列車壁面、隧道壁面和地面對空氣的阻礙,隧道內(nèi)空氣壓力劇烈波動,引起強(qiáng)烈的氣流變化[1].從上世紀(jì)60年代開始,以Yamamoto為代表的一批日本學(xué)者率先對隧道氣動效應(yīng)進(jìn)行研究.通過對新干線進(jìn)行實(shí)車測試,Yamamoto分析隧道內(nèi)壓縮波的形成和傳播過程[2]以及隧道口微氣壓波的變化規(guī)律[3].Tanaka等[4]對列車駛?cè)?、駛出隧道時直接產(chǎn)生的進(jìn)、出口波進(jìn)行研究.Suzuki[5]結(jié)合實(shí)測和仿真的方法,得出隧道內(nèi)交變氣動壓力是導(dǎo)致列車強(qiáng)烈振動的重要因素.Fukuda等[6]利用實(shí)車測量和一維數(shù)值分析,針對新干線上26 km的特長隧道進(jìn)行氣動分析.Sakuma等[7]實(shí)測了16編組高速列車通過隧道時的壓力和速度分布.在歐洲,Tribsten[8]通過實(shí)車測試研究德國ICE列車通過隧道時的瞬變壓力及影響因素.Mancini等[9-10]分別針對意大利和法國境內(nèi)高速鐵路隧道氣動效應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究.田紅旗等[11-12]對長白山號動車組200 km/h穿越隧道進(jìn)行實(shí)車測試,是我國針對高速列車氣動效應(yīng)開展的首次實(shí)車試驗(yàn)研究.劉堂紅等[13]測試了列車不同頭型對于隧道氣動效應(yīng)的影響.陳厚嫦等[14]研究我國CRH動車組350 km/h通過隧道時的空氣動力特性.馬偉斌等[15]對國內(nèi)高速鐵路實(shí)測微壓波幅值的變化規(guī)律進(jìn)行總結(jié).

綜上所述,采用實(shí)車試驗(yàn)可以直接、有效地測量真實(shí)環(huán)境下列車的氣動參數(shù),是獲取列車穿越隧道氣動規(guī)律的重要手段.然而,我們國家高速鐵路發(fā)展起步較晚,相關(guān)的試驗(yàn)研究比較有限,需要針對國內(nèi)實(shí)際線路繼續(xù)開展相應(yīng)的實(shí)車試驗(yàn)研究.另外,前人對于隧道氣動壓力的研究通常只集中在列車通過隧道階段,而對列車駛出隧道后的壓力持續(xù)變化的研究較少.本文基于國內(nèi)某客運(yùn)專線鐵路隧道實(shí)車試驗(yàn),對我國高速列車通過雙線隧道引發(fā)瞬變壓力的整個變化過程進(jìn)行測試,對隧道壁面不同位置所受氣動壓力的周期、衰減等幅值特性展開分析,研究結(jié)果可為進(jìn)一步研究車隧氣動壓力對于襯砌結(jié)構(gòu)的影響提供載荷依據(jù).

1 試驗(yàn)概況

該試驗(yàn)所選隧道位于京滬高速鐵路德州至棗莊段,隧道全長1 005 m,坡度為3‰,曲率半徑為7 000 m,進(jìn)、出兩端均為頂部開口的斜切式洞門緩沖結(jié)構(gòu).隧道凈空面積為100 m2,內(nèi)部鋪設(shè)無砟軌道,可以滿足高速列車雙線運(yùn)行,線路間距為5 m.所選試驗(yàn)列車為8輛編組的CRH高速動車組,車體全長201.4 m,鼻尖長度為9.55 m,車身橫截面積為11.2 m2,試驗(yàn)車速由220 km/h逐級提速到350 km/h.測試當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)為1.02×105Pa,平均溫度為8.9 ℃.

2 測試方法

試驗(yàn)測試系統(tǒng)由壓力傳感器、IMC集成測控?cái)?shù)采系統(tǒng)、無線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和筆記本電腦等部分組成.根據(jù)《高速鐵路工程動態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》(TB10761-2013)第7.0.5條的相關(guān)規(guī)定,試驗(yàn)選取1 kHz為采樣頻率,濾波頻率采用250 Hz.試驗(yàn)動車組通過隧道全程中,列車速度的偏差保持在1%以內(nèi).為了不影響測點(diǎn)周圍表面壓力的流場,試驗(yàn)采用ENDEVCO公司生產(chǎn)的8510B-1壓阻傳感器,量程為6.90 kPa,正式試驗(yàn)前對壓力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn),測量誤差小于1%.如圖1所示為該試驗(yàn)壓力傳感器的安裝.

根據(jù)不確定度指南中的相關(guān)說明,對試驗(yàn)測量的不確定度進(jìn)行評估,分析測量不確定度主要來自于試驗(yàn)重復(fù)性、傳感器誤差以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差.本文試驗(yàn)測量不確定度小于2%,保證了試驗(yàn)結(jié)果的可靠性.由于列車通過隧道時,除洞口附近外,隧道內(nèi)部壁面受到的氣動壓力具有較強(qiáng)的一維特征[16].本文對不同位置測點(diǎn)的研究主要關(guān)注隧道內(nèi)縱向位置的變化,因此選擇靠近車體一側(cè)的隧道壁面不同縱向位置布置多個動態(tài)壓力測點(diǎn),測點(diǎn)距軌面高度均為1.5 m.

圖1 隧道壁面壓力傳感器Fig.1 Pressure sensor installed in tunnel wall

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 瞬變壓力時間歷程分析

當(dāng)列車穿越隧道時,隧道壁面所受氣動載荷不會馬上消失,而會持續(xù)到車尾駛出隧道的數(shù)分鐘以后；根據(jù)氣動載荷表現(xiàn)形式的不同,將整個壓力變化過程分成3個階段：列車通過階段、周期衰減階段和小幅波動階段.

當(dāng)列車頭部和尾部依次駛?cè)胨淼罆r,由于隧道口處空氣壓力的改變,對應(yīng)產(chǎn)生的壓縮波、膨脹波會在隧道內(nèi)不斷的傳播和反射,致使車體表面及隧道壁面壓力發(fā)生劇烈變化.當(dāng)車頭、車尾駛出隧道時,在隧道出口處會產(chǎn)生相應(yīng)的變化[17].為了區(qū)分,可將車頭、車尾駛?cè)胨淼揽跁r產(chǎn)生的壓力波稱為入口壓縮波和入口膨脹波；將車頭、車尾駛出隧道口時產(chǎn)生的壓力波稱為出口壓縮波和出口膨脹波.

圖2 距隧道入口140 m測點(diǎn)壓力變化與波系傳播圖Fig.2 Pressure change of measuring point 140 m far from tunnel portal and wave spread

3.2 第一階段壓力幅值分析

對于隧道壁面不同位置測點(diǎn),在第一階段由于壓力波傳播以及列車經(jīng)過的時刻不同,使得測點(diǎn)壓力隨著隧道縱向位置的變化而改變.以試驗(yàn)動車組300 km/h通過隧道為例,如圖3所示為部分測點(diǎn)在第一階段的壓力變化曲線.可以看出,在隧道的入口和出口處,測點(diǎn)壓力峰值較小,而在隧道中部的測點(diǎn)壓力峰值較大.如圖4所示為第一階段壓力正峰值、負(fù)峰值及峰峰值隨測點(diǎn)位置的變化曲線.圖中,Δp為壓力峰值,l為測點(diǎn)距隧道入口的距離.可以看出,從隧道入口附近開始,隨著l的逐漸增加,測點(diǎn)壓力峰峰值迅速增加；40 m至200 m增加變緩；400 m附近達(dá)到最大；605 m到925 m變化不大；925 m以后迅速減小.

圖3 第一階段不同位置測點(diǎn)的壓力變化曲線Fig.3 Curves of pressure for measuring points of different positions in first stage

如圖5所示為試驗(yàn)動車組以不同速度通過隧道時,隧道壁面測點(diǎn)第一階段壓力峰峰值與列車運(yùn)行速度的關(guān)系曲線.圖中,v為列車速度.可以看出,隨著速度的增加,測點(diǎn)壓力峰峰值迅速增大.對隧道壁面壓力峰峰值與運(yùn)行速度之間的關(guān)系用乘冪擬合,得到擬合關(guān)系式和相關(guān)系數(shù),如表1所示.分析表1的擬合關(guān)系式可以看出,乘冪擬合時,相關(guān)系數(shù)R2約等于1,列車運(yùn)行速度v的冪次約為2,擬合系數(shù)均為正數(shù).可以得出,列車高速通過隧道的第一階段壓力峰峰值與列車運(yùn)行速度近似成平方關(guān)系.

圖4 第一階段壓力峰值與測點(diǎn)縱向位置的關(guān)系Fig.4 Peak values of pressure with longitudinal position of measured points in first stage

圖5 第一階段測點(diǎn)壓力峰峰值與列車速度的關(guān)系Fig.5 Peak to peak values of pressure with speed of train in first stage

Tab.1 Peak to peak values of pressure with speed of train in first stage

測點(diǎn)位置擬合關(guān)系式相關(guān)系數(shù)R280mΔp=9×10-5v2.32980.992200mΔp=6×10-4v1.97370.990400mΔp=3×10-4v2.17520.990500mΔp=10-4v2.38350.990805mΔp=2×10-4v2.2310.990

3.3 第二階段壓力幅值分析

如圖6所示為試驗(yàn)動車組以300 km/h的速度通過隧道時,部分測點(diǎn)在第二階段初期的壓力變化曲線.可以看出,這一階段各個測點(diǎn)的壓力波動均呈現(xiàn)出周期性的變化,且第一個周期內(nèi)出現(xiàn)的壓力峰峰值最大,往后依次衰減.分析圖2可知,在第二階段,測點(diǎn)僅受到隧道中往復(fù)傳播的壓縮波和膨脹波的影響,測點(diǎn)壓力變化的周期應(yīng)該與波系的傳播周期相同,而壓縮波和膨脹波是以聲速在隧道中往復(fù)傳播的,傳播周期T=2×隧道長度/波速.本文測試隧道長度為1 005 m,聲速按照在1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和10 ℃條件下的336 m/s,可得T約為5.98 s.圖7展示了測點(diǎn)壓力出現(xiàn)正峰值的時間間隔.圖中,Δt為時間間隔,n為周期數(shù).可以看出,壓力正峰值出現(xiàn)的周期在5.9 s到6 s之間,與理論分析基本吻合.

圖6 第二階段不同位置測點(diǎn)的壓力變化曲線Fig.6 Curves of pressure for measuring points of different positions in second stage

圖7 不同位置測點(diǎn)壓力正峰值出現(xiàn)的時間間隔Fig.7 Time interval between positive peak values of pressure for different measuring points

圖8 第二階段壓力峰值與測點(diǎn)縱向位置的關(guān)系Fig.8 Peak values of pressure with longitudinal position of measured points in second stage

如圖8所示為測點(diǎn)在第二階段第一個周期內(nèi)的壓力正峰值、負(fù)峰值和峰峰值隨距離的變化曲線.可以看出,由隧道入口附近開始,測點(diǎn)壓力峰峰值逐漸增大,到隧道中部達(dá)到最大,500 m以后開始逐漸減小.這是由于第二階段隧道壁面主要受到列車進(jìn)、出隧道所產(chǎn)生的兩組壓力波的影響,靠近隧道中部的測點(diǎn)受到的同類型壓力波較集中,即受壓縮波作用和受膨脹波作用的時間間隔較長,壓力波形發(fā)展得更充分；對于靠近隧道洞口的測點(diǎn),壓縮波和膨脹波的作用時刻較接近,彼此間發(fā)生干涉作用,致使測點(diǎn)壓力峰峰值較小.

陳東柱[18]指出,氣動壓力會促使隧道襯砌已有裂縫的應(yīng)力強(qiáng)度因子突然增大,進(jìn)而引發(fā)襯砌發(fā)生失穩(wěn)斷裂,而裂縫應(yīng)力強(qiáng)度因子隨氣動壓力峰峰值的增大呈現(xiàn)線性增大規(guī)律.如表2所示為一、二階段測試測點(diǎn)的壓力峰值比較.可以看出,對于隧道內(nèi)不同位置的測點(diǎn),最大壓力峰峰值可能發(fā)生在第一階段列車通過過程中,也可能發(fā)生在第二階段列車駛出隧道后；加上隧道內(nèi)氣動壓力在第二階段頻繁波動,持續(xù)時間較長,因此在分析氣動壓力對于襯砌結(jié)構(gòu)的影響時,不能忽略第二階段氣動載荷帶來的影響.

表2 一、二階段測點(diǎn)壓力峰值對比

Tab.2 Comparison for peak values of pressure between first stage and second stage

測點(diǎn)位置 第一階段壓力/Pa 第二階段壓力/Pa 正峰負(fù)峰峰峰正峰負(fù)峰峰峰20m723-6691392314-36868280m1268-11292396870-8351705500m1663-227639392211-20284239805m1305-215034551656-13012957965m758-126320211003-4671469

壓力波在隧道中傳播和反射的過程中,由于摩擦耗能及波系疊加等原因,不可避免地會發(fā)生能量衰減,致使隧道壁面所受壓力波動幅值逐漸減小[19].將壓力波動的第二階段中,前一周期壓力峰峰值減去后一周期壓力峰峰值之差與前一周期壓力峰峰值的比值定義為壓力衰減率.如圖9所示為試驗(yàn)動車組以300 km/h的速度通過隧道時,部分測點(diǎn)在第二階段前10個周期的衰減情況.圖中,η為衰減率.可以看出,隨著波動周期的增加,隧道壁面測點(diǎn)壓力峰峰值逐漸衰減,衰減率基本為10%～16%；隧道入口處測點(diǎn)壓力衰減率較大,出口處次之,隧道中部較??；同一測點(diǎn)的衰減率隨著周期數(shù)的增加呈下降趨勢,但變化的幅度不大.

圖9 第2階段不同測點(diǎn)的壓力衰減率Fig.9 Decay rates of pressure for different measuring points in second stage

高速鐵路隧道洞口設(shè)置帶開口緩沖結(jié)構(gòu),可以明顯降低首波的壓力梯度,進(jìn)而改善隧道出口微氣壓波的影響[20].本文測試隧道進(jìn)、出兩端均為斜切洞門,緩沖結(jié)構(gòu)頂部各分布了1個空氣動力學(xué)開口.對開口打開、關(guān)閉狀態(tài)下,測點(diǎn)第二階段的壓力衰減率及峰峰值進(jìn)行對比,得出斜切洞門緩沖結(jié)構(gòu)頂部開口對降低第一周期內(nèi)壓力峰峰值的效果不明顯,但可以明顯降低多個周期后的壓力峰峰值.如圖10、11所示分別為試驗(yàn)動車組以300 km/h的速度通過隧道時,測試測點(diǎn)在隧道出口緩沖結(jié)構(gòu)開口打開、關(guān)閉狀態(tài)下第二階段的壓力衰減率及峰峰值.

圖10 緩沖結(jié)構(gòu)開、閉口下壓力衰減率對比Fig.10 Comparison for decay rates of pressure between hole of hood open and closed

圖11 緩沖結(jié)構(gòu)開、閉口下壓力峰峰值對比Fig.11 Comparison for peak to peak values of pressure between hole of hood open and closed

可以看出,在第二階段各個周期內(nèi),開口打開時測點(diǎn)壓力衰減率均大于開口關(guān)閉；隨著周期數(shù)的增加,兩種狀態(tài)下測點(diǎn)壓力峰峰值之差逐漸增大,到第10周期兩者峰峰值相差15%以上.

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)列車穿越隧道時,隧道壁面壓力變化過程可以分為3個階段：列車通過階段、周期衰減階段和小幅波動階段；對于隧道內(nèi)不同位置測點(diǎn),壓力最大峰峰值可能發(fā)生在列車通過階段,也可能發(fā)生在列車駛出隧道后的壓力衰減階段；測點(diǎn)壓力峰峰值在洞口附近較小,在隧道中部較大；第一階段壓力峰峰值隨著車速的增加而迅速增大,幅值與車速的平方成正比.

(2)在列車駛出隧道后,隧道壁面測點(diǎn)壓力峰峰值開始周期性衰減,衰減周期主要由隧道長度決定；同一測點(diǎn)的壓力衰減率隨著周期數(shù)的增加呈下降趨勢,但變化幅度不大；在同一周期內(nèi),隧道入口處測點(diǎn)壓力衰減率較大,出口次之,隧道中部最??；斜切洞門緩沖結(jié)構(gòu)頂部開口對降低第一周期壓力峰峰值的效果不明顯,但可以明顯降低多個周期后的壓力峰峰值.

(3)車隧氣動壓力是一種特殊的載荷形式,壓力波動的幅值、周期以及衰減率受到車型、車速、測點(diǎn)位置、隧道長度、洞口結(jié)構(gòu)以及隧道表面粗糙度等多個因素的影響,然而由于試驗(yàn)條件的限制,本文的研究只是針對特定的車型和隧道展開,研究結(jié)果可為進(jìn)一步分析車隧氣動壓力載荷特性以及氣動載荷對于襯砌結(jié)構(gòu)的影響提供參考.

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TBM刀盤驅(qū)動系統(tǒng)單神經(jīng)元模糊同步控制

劉 統(tǒng), 龔國芳, 石 卓, 彭 左, 吳偉強(qiáng)

(浙江大學(xué) 流體動力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027)

摘 要: 針對全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)刀盤多電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)在惡劣施工環(huán)境下由于外在載荷突變沖擊和內(nèi)部傳動系統(tǒng)磨耗所引起的電機(jī)偏載甚至過載,提出針對齒輪齒圈傳動的基于單神經(jīng)元模糊自適應(yīng)PI速度調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)矩主從控制策略.搭建單個電機(jī)基于轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和磁鏈閉環(huán)的矢量控制模型,推導(dǎo)了多齒輪齒圈并聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型.使用S函數(shù)進(jìn)行描述，在Simulink環(huán)境下將兩者連接，對比并分析轉(zhuǎn)速并聯(lián)和轉(zhuǎn)矩主從控制策略下，電機(jī)對外在載荷和傳動參數(shù)磨耗的黏性和剛性嚙合響應(yīng)及機(jī)理，將單神經(jīng)元模糊PI速度調(diào)節(jié)器應(yīng)用于轉(zhuǎn)矩主從策略，消除了扭矩超調(diào).仿真結(jié)果表明，基于單神經(jīng)元模糊PI速度調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)矩主從控制策略能夠適應(yīng)傳動系統(tǒng)的參數(shù)變化，消除電機(jī)在負(fù)載變化時的扭矩超調(diào)和偏載，并能提高系統(tǒng)的精度和響應(yīng)速度.

關(guān)鍵詞： TBM刀盤驅(qū)動系統(tǒng);矢量控制;同步控制;轉(zhuǎn)速并聯(lián)控制;轉(zhuǎn)矩主從控制;單神經(jīng)元模糊PI控制

Analysis on aerodynamic pressure of tunnel wall of high-speed railways by full-scale train test

LIU Feng, YAO Song, LIU Tang-hong, ZHANG Jie

(KeyLaboratoryofTrafficSafetyonTrackofMinistryofEducation,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China)

The transient aerodynamic pressure was measured when a high-speed train passed a double track tunnel based on full-scale train test. The peak values of pressure at different measuring points were analyzed during the periods of passing through the tunnel and running out of the tunnel. Results showed that there appeared the maximum peak to peak (positive peak - negative peak) values of pressure at the measuring points when the train was passing through the tunnel or at the stage of pressure decayed when the train was running out of the tunnel. The peak to peak values were smaller at the measuring point near the tunnel entrance, but were larger at the measuring point in the middle of tunnel. When the train passed through the tunnel, the peak to peak values increased with the increase of the speed of the train. After the train ran out of the tunnel, the peak to peak values presented a periodic attenuation with double time of travelling in the tunnel with sound speed. During the same cycle, the pressure decay rate decreased in order of the entrance, the exit and the middle. The hole of the Bamboo-truncating portal hood can not reduce the peak to peak values of the pressure in the first cycle, but can obviously reduce the peak to peak values after several cycles.

high-speed train; tunnel; full-scale train test; aerodynamic pressure

2015-09-27.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11372360, U1134203, 51205418, 51575538)；中南大學(xué)研究生自主探索創(chuàng)新資助項(xiàng)目(2014zzts038).

劉峰(1986—), 男, 博士生,從事列車空氣動力學(xué)研究. ORCID: 0000-0002-3760-1665. E-mail: lf198187@163.com

姚松, 男, 副教授. ORCID: 0000-0003-0775-2814. E-mail: song_yao@csu.edu.cn

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.10.024

U 271；U 25

A

1008-973X(2016)10-2018-07

浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)網(wǎng)址： www.zjujournals.com/eng