葉彩娟

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

我國(guó)新疆煙墩風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)及達(dá)坂城是我國(guó)乃至世界上鐵路風(fēng)災(zāi)最嚴(yán)重的地區(qū)之一[1]，其中百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)的風(fēng)力最為強(qiáng)勁，多次威脅既有蘭新鐵路、南疆鐵路的行車安全[2]。高速鐵路穿越大風(fēng)區(qū)地段時(shí)，列車運(yùn)營(yíng)面臨車體傾覆[3]、軌道積沙、沙石擊碎玻璃、接觸網(wǎng)受流不穩(wěn)、列車停運(yùn)、限速天數(shù)多等問(wèn)題，路基防風(fēng)工程作為國(guó)內(nèi)外鐵路建設(shè)工程領(lǐng)域的課題，對(duì)區(qū)域內(nèi)高速鐵路項(xiàng)目的建設(shè)有著重大的意義[4]。

在強(qiáng)大的橫風(fēng)作用下，列車存在傾覆的風(fēng)險(xiǎn)，有可能發(fā)生翻車事故[5]。通過(guò)大風(fēng)區(qū)資料分析，在無(wú)防風(fēng)措施的情況下列車可能出現(xiàn)停運(yùn)的天數(shù)為25～77 d，可能限速的天數(shù)為70～127 d。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)，地表將會(huì)失穩(wěn)，大量小沙粒及碎石開始飛躍，造成較強(qiáng)的風(fēng)沙流，軌道積沙及沙石擊打玻璃容易造成安全事故，必須采取有效的路基防風(fēng)措施才能保證列車安全運(yùn)營(yíng)[6-7]。

1 半封閉防風(fēng)走廊結(jié)構(gòu)動(dòng)模型試驗(yàn)

本次高速鐵路半封閉防風(fēng)走廊結(jié)構(gòu)動(dòng)模型試驗(yàn)利用中南大學(xué)的列車氣動(dòng)性能模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬試驗(yàn)與列車實(shí)際運(yùn)行時(shí)的空氣流動(dòng)狀態(tài)必須滿足相似條件，以保證試驗(yàn)結(jié)果的正確性[8-10]。

1.1 結(jié)構(gòu)動(dòng)模型及工況

動(dòng)模型試驗(yàn)采用1∶20縮比模型,CRH3動(dòng)車組模型采用頭車+尾車的兩車編組，車體全尺寸高3.89 m，長(zhǎng)51.7 m；半封閉防風(fēng)走廊長(zhǎng)500 m，軌道線間距 5 m。按1∶20縮比后，動(dòng)車組模型長(zhǎng) 2 585 mm，高194.5 mm；半封閉防風(fēng)走廊模型長(zhǎng)25 m，線間距0.25 m。防風(fēng)走廊結(jié)構(gòu)動(dòng)模型試驗(yàn)各工況下參數(shù)見表1。

表1 防風(fēng)走廊結(jié)構(gòu)動(dòng)模型試驗(yàn)工況

圖1 CRH3動(dòng)車組模型測(cè)點(diǎn)布置示意(單位：cm)

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾?/h3>

CRH3動(dòng)車組(2車編組)模型共布置了3個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中車頭布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)、中間車身兩側(cè)布置2個(gè)對(duì)稱測(cè)點(diǎn)，見圖1。半封閉防風(fēng)走廊模型結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)布置了18個(gè)測(cè)點(diǎn)，外側(cè)布置了9個(gè)測(cè)點(diǎn)，合計(jì)27個(gè)測(cè)點(diǎn)，見圖2。

圖2 半封閉防風(fēng)走廊模型測(cè)點(diǎn)布置示意(單位：mm)

2 半封閉防風(fēng)走廊模型試驗(yàn)結(jié)果

2.1 動(dòng)車組單車通過(guò)半封閉防風(fēng)走廊模型

2.1.1 半封閉防風(fēng)走廊模型表面壓力變化

CRH3動(dòng)車組以200～350 km/h速度通過(guò)時(shí)，半封閉防風(fēng)走廊模型內(nèi)側(cè)和外側(cè)測(cè)點(diǎn)表面壓力分別見表2、表3。其中,Pmax,Pmin,ΔP分別為壓力最大值、壓力最小值，壓力變化值。

由表2可知：半封閉防風(fēng)走廊模型內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)Pmax,Pmin,ΔP的絕對(duì)值沿半封閉防風(fēng)走廊自內(nèi)壁向開口方向降低。單車車速為350 km/h時(shí)，內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)Pmax,Pmin,ΔP的極值分別為394，-423，817 Pa；單車車速為300 km/h時(shí)，內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)Pmax,Pmin,ΔP的極值分別為284，-295，579 Pa。列車運(yùn)行速度越高，半封閉防風(fēng)走廊模型內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)壓力變化越大。

表2 半封閉防風(fēng)走廊模型內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)表面壓力 Pa

表3 半封閉防風(fēng)走廊模型外側(cè)測(cè)點(diǎn)表面壓力 Pa

由表3可知：對(duì)同一高度的外側(cè)測(cè)點(diǎn)而言，其壓力變化值近似與列車運(yùn)行速度的平方成正比，變化規(guī)律與內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)相同，但與內(nèi)側(cè)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)壓力值相比，外側(cè)測(cè)點(diǎn)壓力值較小。與內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)變化情況相反，模型外側(cè)面同一截面上其測(cè)點(diǎn)壓力值(Pmax,Pmin,ΔP)沿模型底部向開口方向有所增加。

此外，試驗(yàn)還測(cè)得了防風(fēng)走廊模型內(nèi)側(cè)及外側(cè)測(cè)點(diǎn)壓力變化時(shí)程曲線，動(dòng)車組通過(guò)防風(fēng)走廊模型時(shí)側(cè)面測(cè)點(diǎn)會(huì)存在與前類似的空氣壓力波，即列車頭部通過(guò)會(huì)產(chǎn)生頭波和列車尾部通過(guò)產(chǎn)生尾波，但不同測(cè)點(diǎn)波形變化較大，規(guī)律較復(fù)雜。

半封閉防風(fēng)走廊內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)12#的壓力變化值ΔP與車速的關(guān)系曲線見圖3?？芍瑝毫ψ兓?ΔP)近似與列車運(yùn)行速度的平方成正比。

圖3 測(cè)點(diǎn)12#壓力變化值ΔP與車速的關(guān)系曲線

單車車速350 km/h、測(cè)點(diǎn)高度75 mm時(shí)半封閉防風(fēng)走廊模型內(nèi)側(cè)不同測(cè)點(diǎn)壓力變化曲線見圖4。可知，半封閉防風(fēng)走廊模型內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)壓力最大值(Pmax)、壓力最小值(Pmin)和壓力變化值(ΔP)的絕對(duì)值在模型入口處略大，中間各截面測(cè)點(diǎn)壓力隨測(cè)點(diǎn)水平位置變動(dòng)很小。外側(cè)測(cè)點(diǎn)壓力變化及其隨水平位置的變化規(guī)律與內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)相似。

圖4 同一高度下防風(fēng)走廊內(nèi)側(cè)不同測(cè)點(diǎn)壓力

2.1.2 動(dòng)車組模型表面壓力變化

動(dòng)車組通過(guò)防風(fēng)走廊模型時(shí)，CRH3動(dòng)車組模型車體表面測(cè)點(diǎn)壓力見表4。

表4 CRH3動(dòng)車組模型車體表面測(cè)點(diǎn)壓力 Pa

由表4可知：對(duì)于車體左右兩側(cè)對(duì)稱測(cè)點(diǎn)的壓力變化值，靠近防風(fēng)走廊內(nèi)側(cè)稍大于另一側(cè)，車速越高測(cè)點(diǎn)壓力變化值越大，動(dòng)車組模型同一高度的測(cè)點(diǎn)壓力變化值近似與列車運(yùn)行速度的平方成正比。

2.2 動(dòng)車組在半封閉防風(fēng)走廊中間交會(huì)

2.2.1 半封閉防風(fēng)走廊模型表面壓力變化

CRH3動(dòng)車組以350～300 km/h速度在防風(fēng)走廊模型中間交會(huì)時(shí)，半封閉防風(fēng)走廊模型內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)表面壓力見表5。

表5 半封閉防風(fēng)走廊模型內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)表面壓力 Pa

由表5可知:在模型內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)Pmax,Pmin,ΔP的絕對(duì)值沿半封閉防風(fēng)走廊自內(nèi)壁向開口方向降低，動(dòng)車組交會(huì)350 km/h對(duì)350 km/h測(cè)點(diǎn)Pmax,Pmin,ΔP極值分別為528,-630,1 158 Pa,動(dòng)車組交會(huì)300 km/h對(duì)300 km/h測(cè)點(diǎn)Pmax,Pmin,ΔP的極值分別為330，-449，779 Pa，車速越高其壓力變化越大。

圖5為動(dòng)車組交會(huì)350 km/h對(duì)350 km/h測(cè)點(diǎn)高度75 mm時(shí)半封閉防風(fēng)走廊模型內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)壓力與水平位置關(guān)系曲線?？芍?，半封閉防風(fēng)走廊模型內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)壓力最大值、最小值和變化值的絕對(duì)值在防風(fēng)走廊中間交會(huì)處最大。外側(cè)測(cè)點(diǎn)壓力變化及其隨水平位置的變化規(guī)律與內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)相似。

圖5 動(dòng)車組交會(huì)350 km·h-1對(duì)350 km·h-1同一高度下 防風(fēng)走廊內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)壓力與水平位置關(guān)系曲線

CRH3動(dòng)車組以350～300 km/h速度在防風(fēng)走廊模型中間交會(huì)時(shí)，防風(fēng)走廊模型外側(cè)測(cè)點(diǎn)表面壓力見表6。

表6 半封閉防風(fēng)走廊模型外側(cè)測(cè)點(diǎn)表面壓力 Pa

由表6可知：與內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)相似，防風(fēng)走廊模型外側(cè)測(cè)點(diǎn)壓力最大值、最小值和變化值的絕對(duì)值在防風(fēng)走廊中間交會(huì)處最大；與內(nèi)側(cè)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)相比，外側(cè)測(cè)點(diǎn)壓力值較小。與內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)變化情況相反，在半封閉防風(fēng)走廊模型外側(cè)同一截面上測(cè)點(diǎn)壓力值(Pmax,Pmin,ΔP)沿模型底部向開口方向有所增加。

另外，試驗(yàn)還測(cè)得了動(dòng)車組交會(huì)防風(fēng)走廊模型內(nèi)側(cè)及外側(cè)測(cè)點(diǎn)壓力變化時(shí)程曲線，由于離防風(fēng)走廊近的一線動(dòng)車組先通過(guò)防風(fēng)走廊測(cè)點(diǎn)，該測(cè)點(diǎn)先受到該動(dòng)車組通過(guò)產(chǎn)生的空氣壓力波(頭波與尾波)，之后從離防風(fēng)走廊遠(yuǎn)的二線反向運(yùn)行的動(dòng)車組通過(guò)該測(cè)點(diǎn)，又使其受到一個(gè)壓力變化較小的與前相似的空氣壓力波。當(dāng)防風(fēng)走廊測(cè)點(diǎn)離動(dòng)車組中間交會(huì)處越近，這2個(gè)空氣壓力波在時(shí)間上相隔越短，甚至可重疊。防風(fēng)走廊模型外側(cè)測(cè)點(diǎn)壓力波的變化與其內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)相似。

2.2.2 動(dòng)車組模型表面壓力變化

動(dòng)車組交會(huì)350 km/h對(duì)350 km/h與動(dòng)車組交會(huì)300 km/h對(duì)300 km/h時(shí)，CRH3動(dòng)車組模型車體表面測(cè)點(diǎn)壓力見表7。

表7 CRH3動(dòng)車組模型車體表面測(cè)點(diǎn)壓力 Pa

由表7可知：對(duì)于車體左右兩側(cè)對(duì)稱測(cè)點(diǎn)的壓力變化值，靠近交會(huì)側(cè)大于另一側(cè);動(dòng)車組交會(huì)350 km/h 對(duì)350 km/h測(cè)點(diǎn)Pmax,Pmin,ΔP的極值分別為485，-1 228，1 713 Pa，動(dòng)車組交會(huì)300 km/h對(duì)300 km/h 測(cè)點(diǎn)Pmax,Pmin,ΔP的極值分別為306，-930，1 235 Pa，列車速度越高其交會(huì)壓力變化越大。

3 結(jié)論

通過(guò)在不同模型試驗(yàn)工況下列車動(dòng)模型試驗(yàn)，研究半封閉防風(fēng)走廊與動(dòng)車組模型表面空氣壓力波傳播規(guī)律、出口壓力波變化，并進(jìn)行分析，得出列車高速運(yùn)行與半封閉防風(fēng)走廊的氣動(dòng)力特性。

1)對(duì)同一高度的內(nèi)外側(cè)測(cè)點(diǎn)壓力變化值(ΔP)近似與動(dòng)車組運(yùn)行速度的平方成正比，且外側(cè)測(cè)點(diǎn)壓力變化值一般比對(duì)稱的內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)小較多，綜合考慮其結(jié)構(gòu)受力影響時(shí)，可主要考慮其內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)壓力變化。

2)動(dòng)車組單車通過(guò)時(shí)，半封閉防風(fēng)走廊模型內(nèi)外側(cè)測(cè)點(diǎn)壓力值(Pmax，Pmin，ΔP)的絕對(duì)值在模型入口處略大，中間各截面測(cè)點(diǎn)壓力值隨測(cè)點(diǎn)水平位置變動(dòng)很小。動(dòng)車組在半封閉防風(fēng)走廊交會(huì)時(shí)，半封閉防風(fēng)走廊內(nèi)外側(cè)測(cè)點(diǎn)壓力最大值、最小值和變化值的絕對(duì)值在防風(fēng)走廊中間交會(huì)處最大。

3)動(dòng)車組單車通過(guò)和交會(huì)時(shí)，在同一橫截面上半封閉防風(fēng)走廊模型內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)壓力值(Pmax，Pmin，ΔP)的絕對(duì)值沿模型內(nèi)壁向開口方向降低。與內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)變化情況相反，其模型外側(cè)測(cè)點(diǎn)壓力值的絕對(duì)值沿模型底部向開口方向有所增加。