李 梁，劉家棟，孫 瑤，虞鴻基

（1. 中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南株洲 412005；2. 北方國際合作股份有限公司，北京 100040）

隨著國家城鎮(zhèn)化率的不斷提高、人口向城市流動(dòng)的加快，城市的發(fā)展范圍越來越大，呈現(xiàn)向周邊延伸的趨勢(shì)。城市在進(jìn)行軌道交通規(guī)劃及建設(shè)時(shí)，無論是對(duì)線網(wǎng)規(guī)劃還是對(duì)時(shí)空距離等方面的要求都發(fā)生了變化，如線路更長、乘坐時(shí)間更短等，這給城市快速軌道交通，如最高運(yùn)行速度為120 km/h 的地鐵迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。隨著城市快速軌道交通的逐步普及，以及車速的不斷提升，在這些項(xiàng)目的建設(shè)中也相繼出現(xiàn)了一些技術(shù)問題，如車輛氣密性問題。對(duì)于已經(jīng)運(yùn)營的多數(shù)地鐵而言，最高速度不大于 80 km/h 車輛的氣密性問題可不用考慮，但當(dāng)列車速度超過 80 km/h 時(shí)，由于隧道內(nèi)空氣壓力變化，車輛會(huì)出現(xiàn)一些氣密性問題，例如，列車運(yùn)行速度為120 km/h 或以上，在線路上的部分區(qū)間或路段會(huì)導(dǎo)致司機(jī)、乘客出現(xiàn)耳鳴、耳痛等不適癥狀。

1 車輛氣密性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)整車氣密性的定義，當(dāng)乘客乘坐車輛時(shí)，對(duì)車輛氣密性好壞最直接的感受是車內(nèi)的壓力變化，而車輛密封性能的好壞主要取決于車輛動(dòng)態(tài)密封指數(shù)和靜態(tài)密封性能2 個(gè)方面。目前，針對(duì)地鐵車輛氣密性評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)很少，但在市域車輛標(biāo)準(zhǔn)或相關(guān)規(guī)范中進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，其中涉及120 km/h 速度等級(jí)氣密性的主要標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 37532-2019《城市軌道交通市域快線120 km/h ～160 km/h 車輛通用技術(shù)條件》、T/CCES 2-2017《市域快速軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范》和T/CRS C0101-2017《市域鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》。

通過對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)的分析可知，針對(duì)有氣密性要求的車輛，其動(dòng)態(tài)密封指數(shù)都要求大于5 s，而靜態(tài)密封性能指標(biāo)可為120 km/h 的地鐵車輛提供參考的有以下2 種規(guī)定：①車廂內(nèi)空氣壓力由2 100 Pa 降至1 000 Pa 的時(shí)間不小于12 s；②列車通過隧道時(shí)產(chǎn)生的車內(nèi)瞬變壓力應(yīng)小于800 Pa / 3 s。另外，根據(jù)國內(nèi)外對(duì)壓力舒適性的研究可知，人耳對(duì)壓力的反應(yīng)時(shí)間為3 ～4 s；目前，我國高速列車通過隧道時(shí)的人體舒適性標(biāo)準(zhǔn)也采用800 Pa / 3 s作為車內(nèi)壓力變化幅值的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

綜合上述分析，120 km/h 的地鐵車輛可采用800 Pa /3 s 或車廂內(nèi)空氣壓力由2 100 Pa 降至1 000 Pa的時(shí)間不小于12 s 作為車內(nèi)壓力變化幅值的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2 車輛氣密性評(píng)價(jià)方法

評(píng)價(jià)車輛氣密性的方法主要有時(shí)間常數(shù)法和等效泄漏孔面積法2 種，目前在運(yùn)用過程中通常將2 種方法結(jié)合使用。

2.1 時(shí)間常數(shù)法

時(shí)間常數(shù)法采用時(shí)間常數(shù)τ 定義車輛及零部件的壓力密封性，其計(jì)算公式為：

式（1）中，ΔP 為車內(nèi)外壓力差；dP/dt 為車內(nèi)壓力變化梯度。

一輛地鐵車輛開始時(shí)的車內(nèi)外壓力差為ΔP1，經(jīng)t （s）后的車內(nèi)外壓力差為ΔP2，則式（1）可改為：

一輛地鐵車輛有i（i = 1，2，…，n）個(gè)部位，其氣密性時(shí)間常數(shù)分別為τi，而整車的氣密性時(shí)間常數(shù)為τ，則τi與τ 的關(guān)系類似物理學(xué)電阻并聯(lián)的阻抗規(guī)律，其關(guān)系式為：

從式（3）可以看出，整車的氣密性與車輛各個(gè)系統(tǒng)和部件的氣密性密切相關(guān)，只有各個(gè)系統(tǒng)和部件的氣密性指標(biāo)大于整車的氣密性指標(biāo)時(shí)，才能保證整車氣密性指標(biāo)的要求。以上計(jì)算得出的τ 稱為靜態(tài)密封性能指標(biāo)，記為τstat，而動(dòng)態(tài)密封指數(shù)一般需要根據(jù)實(shí)車試驗(yàn)確定，記為τdyn。根據(jù)國內(nèi)外的一系列研究總結(jié)和國際鐵路聯(lián)盟UIC 標(biāo)準(zhǔn)，一般取τdyn≈（1/3 ～1/2）τstat，目前國內(nèi)一般取系數(shù)1/3。

2.2 等效泄漏孔面積法

等效泄漏孔面積法采用等效泄漏孔的面積大小評(píng)價(jià)列車的氣密性能。等效泄漏孔的含義是將車廂的所有縫隙和小孔由一個(gè)泄漏孔表示，它們對(duì)車內(nèi)壓力變化所產(chǎn)生的影響是等效的，從而推導(dǎo)出等效泄漏面積A 的計(jì)算公式為：

式（4）中，V 為車輛內(nèi)部容積；a 為本地聲速；t 為泄漏持續(xù)時(shí)間；ρ 為空氣密度；ΔP0為車廂內(nèi)外泄壓試驗(yàn)初始時(shí)的壓力差；ΔP 為車廂內(nèi)外泄壓試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的壓力差。

3 車輛氣密性影響因素

車輛氣密性的影響因素多且復(fù)雜，國內(nèi)外對(duì)高速鐵路車輛的氣密性、空氣動(dòng)力學(xué)等都有較深的研究，而其與地鐵車輛各系統(tǒng)存在一定的差異，目前對(duì)于120 km/h地鐵車輛的氣密性要求和標(biāo)準(zhǔn)較少，但車輛自身氣密性、隧道阻塞比、供電制式等主要影響因素同樣存在，同時(shí)這些因素也直接或間接地影響車輛客室內(nèi)的壓力變化。

3.1 車輛自身氣密性

地鐵車輛整車由車體、車門、空調(diào)、貫通道、轉(zhuǎn)向架、車鉤等各系統(tǒng)組成，而車輛在運(yùn)行時(shí)，與外界空氣有直接接觸或交換的主要系統(tǒng)有車體、車窗、車門、貫通道、空調(diào)等，因此研究整車的氣密性主要從這些系統(tǒng)著手。地鐵車輛上的泄漏點(diǎn)較多，如每輛車至少有8 ～10 套車門、6 ～8 套車窗，以及司機(jī)室側(cè)門、緊急疏散門等；另外，地鐵車輛載客量多，要求客室的新風(fēng)量大，與外界空氣交換多，這些都會(huì)增加車輛氣密性控制的難度，因此對(duì)于120 km/h 的地鐵車輛，氣密性控制和設(shè)計(jì)具有較大的難度。

當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)，外界的空氣壓力將通過車體傳送到車內(nèi)客室，因此車輛自身的氣密性是影響車內(nèi)壓力變化的重要因素。車輛自身的氣密性越好，列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，車內(nèi)的壓力波動(dòng)或變化則越??；但如果一味地提高車輛氣密性，從技術(shù)實(shí)施角度看無必要，也不可行，而且會(huì)付出更高的車輛成本。高氣密性將帶來列車全壽命周期內(nèi)的高成本，并非越高越好，因此應(yīng)結(jié)合乘客乘坐舒適范圍允許的壓力變化綜合考慮，從而最終確定不同類型車輛的氣密性。本文通過大量的模擬仿真和試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)得出車輛動(dòng)態(tài)密封指數(shù)τdyn對(duì)于車輛壓力變化的影響，如圖1 所示。

由圖1 可得，隨著τdyn的提高，車輛客室內(nèi)部的壓力變化逐漸減小，尤其當(dāng)τdyn接近2.5 s 時(shí)，車內(nèi)的壓力變化越來越小，因此，車輛自身的密封性能對(duì)于改善車內(nèi)的壓力變化具有非常大的影響。圖1 顯示，當(dāng)τdyn= 2.5 s 時(shí)，車輛客室內(nèi)部的壓力變化小于500 Pa/s；當(dāng)τdyn= 3 s 時(shí)，車輛客室內(nèi)部的壓力變化開始小于400 Pa/s。

通過圖1 分析，對(duì)于120 km/h 的地鐵車輛，如有氣密性要求，可以考慮設(shè)置τdyn大于2.5 s，此時(shí)車輛客室內(nèi)部的壓力變化小于500 Pa/s，該值能滿足TB/T 3503.3-2018《鐵路應(yīng)用-空氣動(dòng)力學(xué)標(biāo)準(zhǔn) 第1 部分：符號(hào)與單位》中的要求，即列車通過隧道時(shí)產(chǎn)生的車內(nèi)壓力應(yīng)小于500 Pa/s 的要求。

圖1 車輛動(dòng)態(tài)密封指數(shù)τdyn 對(duì)車內(nèi)壓力變化的影響

在整車氣密性確定之后，車輛各部件的指標(biāo)也需要根據(jù)整車進(jìn)行合理的分配，如根據(jù)T/CRS C0101-2017《市域鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，在整備狀態(tài)下，單節(jié)車輛關(guān)閉門窗及空調(diào)設(shè)備的對(duì)外開口時(shí)，車廂內(nèi)的空氣壓力由2 100 Pa 降至1 000 Pa 的時(shí)間不小于12 s，則根據(jù)式（2）可得：當(dāng)整車動(dòng)態(tài)密封指數(shù)的系數(shù)取1/3 時(shí)，則τdyn= 5.39 s。各個(gè)部件在進(jìn)行車輛靜態(tài)密封試驗(yàn)時(shí)，至少應(yīng)保證大于2 100 Pa，一般打壓到3 000 Pa，然后從2 100 Pa 開始統(tǒng)計(jì)泄漏時(shí)間。由于每個(gè)部件打壓的試驗(yàn)體積并非裝車時(shí)真正的受壓體積，因此還需要根據(jù)等效泄漏孔面積公式進(jìn)行換算。各個(gè)部件的指標(biāo)τi可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

式（5）中，V "為部件氣密試驗(yàn)密封腔容積；V 為車輛容積；Δp1為整車氣密試驗(yàn)初始時(shí)的內(nèi)外壓力差；Δp2為整車氣密試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的內(nèi)外壓力差；為部件氣密試驗(yàn)初始時(shí)的內(nèi)外壓力差；為部件氣密試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的內(nèi)外壓力差；為部件氣密試驗(yàn)時(shí)降到所需的時(shí)間。

在計(jì)算出各個(gè)部件的τi值之后，可得出整車的靜態(tài)密封性能指標(biāo)τ。

3.2 隧道阻塞比

當(dāng)列車運(yùn)行至隧道或在隧道內(nèi)相遇時(shí)，隧道內(nèi)的空氣壓縮形成壓力波動(dòng)，進(jìn)而引起車內(nèi)壓力發(fā)生變化，影響車內(nèi)乘坐的舒適度。隧道直徑不同，列車通過時(shí)客室內(nèi)的壓力變化率也不同。通過在深圳地鐵11 號(hào)線中對(duì)直徑為5.4 m 和6.0 m 2 種隧道進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，車輛在直徑為6.0 m 的隧道中運(yùn)行時(shí)，其壓力波動(dòng)要明顯小于在直徑為5.4 m 的隧道，且其值小于800 Pa /3 s。具體測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

車輛阻塞比β 可以通過車輛在隧道內(nèi)的投影面積A車輛與隧道截面凈空面積A隧道之比獲得，即

如果隧道截面積越大，阻塞比則越小，車輛在隧道內(nèi)運(yùn)行的氣動(dòng)阻力也越小。但過大的隧道面積會(huì)增加工程建設(shè)成本，因此需要合理選取。

通過國內(nèi)多個(gè)項(xiàng)目工程的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，目前大多數(shù)項(xiàng)目的取值不一，部分120 km/h 地鐵車輛的阻塞比和隧道內(nèi)徑如表2 所示。

在T/CCES 2-2017《市域快速軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范》中涉及到120 km/h、140 km/h 和160 km/h 3 種速度等級(jí)的最大阻塞比，結(jié)合既有項(xiàng)目的實(shí)際數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)分析，適用于120 km/h 速度等級(jí)的阻塞比建議應(yīng)不大于0.4，隧道內(nèi)徑不小于6 m。

表1 深圳地鐵11 號(hào)線不同隧道直徑的壓力變化情況

表2 國內(nèi)部分120 km/h 地鐵車輛的阻塞比與隧道內(nèi)徑

3.3 供電制式

地鐵車輛大多數(shù)采用DC1500V 供電，動(dòng)車組或速度在160 km/h 及以上的車輛多數(shù)采用AC25kV 供電。采用DC1500V 供電時(shí)，接觸網(wǎng)洞內(nèi)的高度一般為4 040 mm 左右；采用AC25kV 供電時(shí)，由于絕緣間隙增大，以及大多數(shù)采用柔性接觸網(wǎng)，其接觸網(wǎng)洞內(nèi)高度一般為4 400～5 300 mm。接觸網(wǎng)洞內(nèi)高度增加，車輛隧道截面則增大，因此如果采用AC25kV 供電，其隧道截面積增大，阻塞比減小，車輛在隧道內(nèi)運(yùn)行的氣動(dòng)阻力也將減小。

對(duì)于地鐵車輛在隧道中運(yùn)行，還存在其他的影響因素，如隧道中間的通風(fēng)風(fēng)井、線間距、隧道入口等都會(huì)對(duì)車輛的空氣動(dòng)力學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響，從而影響車輛的氣密性。

4 提升車輛自身氣密性的應(yīng)對(duì)措施

對(duì)于車輛本身的氣密性，應(yīng)從加強(qiáng)其密封性著手，即各個(gè)系統(tǒng)在車輛設(shè)計(jì)階段開始確定應(yīng)對(duì)措施，然后根據(jù)整車要求對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行合理分配。

4.1 車體

車體建議采用鋁合金鼓型車體，結(jié)構(gòu)采用長縱連續(xù)焊縫，以保證車體的密封。生產(chǎn)的首列列車車體大部件的所有焊縫應(yīng)進(jìn)行著色滲透探傷檢查，如有問題焊縫，須去除問題焊縫，重新焊接后再探傷。對(duì)于首列列車，所有外部設(shè)備在車體上的開口，在焊接時(shí)采用滿焊保證密封，并做滲透探傷檢查。對(duì)于后續(xù)生產(chǎn)的車體，按照一定比例對(duì)該類型焊縫進(jìn)行探傷檢查。對(duì)于車內(nèi)的焊接工藝孔，在組焊完成后須焊接填充，并進(jìn)行滲透探傷。

4.2 車窗及車門

針對(duì)車窗氣密性，一般在車窗與車體之間采取密封圈涂密封膠的方式密封。地鐵車輛的車門數(shù)量多，對(duì)保證車輛的氣密性非常關(guān)鍵，隨著速度的提高，車輛在隧道內(nèi)的氣動(dòng)阻力增大，車內(nèi)外壓力差也隨之增大，因此傳遞到車門的壓力則增加。目前，對(duì)于車門的氣密性，一般采用增加車門輔助鎖閉裝置、車門厚度及密封等措施密封。當(dāng)速度從80 km/h 增加到120 km/h 時(shí)，壓力將增加2 倍左右，因此車輛門扇的抗壓能力需要提高。80 km/h 地鐵車輛的門扇厚度一般為32 mm，而對(duì)于120 km/h 的地鐵車輛，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，建議其門扇厚度為43 mm。根據(jù)單個(gè)部件氣密性試驗(yàn)要求，43 mm 厚的門扇，氣壓由4 000 Pa 下降到1 000 Pa 時(shí)的保壓時(shí)間將達(dá)到210 s 以上，為整車的氣密性提供了更多保障。

4.3 貫通道

對(duì)于貫通道，首先需要加強(qiáng)自身部件的密封性，如折棚，其自身密封性應(yīng)良好，棚布與棚布之間應(yīng)添加膠帶；另外，需確保貫通道與車體連接的密封性，折棚和車體安裝框之間采用橡膠密封膠條密封，膠條的壓縮量依靠四周密封圈鎖閉裝置的壓緊力保證。對(duì)于采用分體式的貫通道，還需要加強(qiáng)對(duì)接框的密封。

4.4 空調(diào)

空調(diào)應(yīng)從空調(diào)機(jī)組與車體密封性安裝及空調(diào)機(jī)組內(nèi)部密封處理兩方面保證，尤其是空調(diào)機(jī)組的對(duì)外接口部分，如新風(fēng)進(jìn)風(fēng)口、廢排排風(fēng)口以及雨水排水口。在新風(fēng)進(jìn)風(fēng)口及廢排排風(fēng)口均設(shè)有氣動(dòng)壓力波保護(hù)閥，當(dāng)需要時(shí)，氣動(dòng)壓力波保護(hù)閥動(dòng)作，關(guān)閉該兩風(fēng)口，可抑制車輛在通過隧道時(shí)外界壓力變化對(duì)客室內(nèi)的影響。雨水排水口采用集中排放的方式，空調(diào)機(jī)組內(nèi)收集的雨水通過車上的排水管統(tǒng)一排出車外，排水系統(tǒng)與車內(nèi)完全隔離。

控制空調(diào)廢排口關(guān)閉的另一種方法是測(cè)試出一條線路中壓力波動(dòng)較大的位置點(diǎn)，當(dāng)車輛行進(jìn)到這些位置點(diǎn)時(shí)，列車控制系統(tǒng)提前關(guān)閉廢排口。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是車輛配置沒有增加，但其測(cè)量方法耗時(shí)長，在前期也不能預(yù)測(cè)到車輛壓力的變化。該方法在深圳地鐵11 號(hào)線進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，在車輛其余部位密封情況良好的條件下，通過測(cè)試得出在壓力變化較大的點(diǎn)對(duì)廢排口未關(guān)閉和關(guān)閉車輛的車內(nèi)壓力變化對(duì)比，如表3 所示。

表3 廢排口未關(guān)閉和關(guān)閉車內(nèi)壓力變化對(duì)比

由表3 可以看出，在車輛其余部位密封情況良好的條件下，由于廢排口直接與車外大氣接觸，通過對(duì)其控制能較好地控制車內(nèi)的壓力變化。

綜上所述，為保證氣密性，車輛需增加許多配置，從而增加其質(zhì)量，具體如表4 所示。

表4 考慮氣密性后車輛主要配置及質(zhì)量變化

以A 型車為例，如每節(jié)車設(shè)置10 個(gè)車門，則每節(jié)車共增加約1 700 kg，軸重相應(yīng)增加0.4 t 左右，因此在車輛設(shè)計(jì)前期，如要求車輛具有良好的氣密性，車輛軸重也應(yīng)在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的增加。若要提高車輛氣密性的要求，建議120 km/h 的B 型地鐵車輛軸重為15 t、A 型地鐵車輛為17 t。

5 結(jié)語

隨著我國城市建設(shè)進(jìn)程的加快，尤其是一線、省會(huì)城市等，城市軌道交通逐步呈現(xiàn)出線路長、速度高的發(fā)展趨勢(shì)。目前國內(nèi)120 km/h 的地鐵車輛項(xiàng)目越來越多，之前絕大多數(shù)地鐵車輛都未考慮車輛的氣密性，因此在實(shí)際運(yùn)行過程中部分項(xiàng)目出現(xiàn)了一些影響乘客乘坐舒適性的問題。對(duì)于120 km/h 的地鐵車輛，氣密性設(shè)計(jì)需綜合考慮多種因素（如車輛成本因素、供電制式、自身的氣密性、外部影響因素等），并結(jié)合線路實(shí)際條件，若必須對(duì)車輛氣密性進(jìn)行規(guī)定，建議車輛價(jià)格應(yīng)高于目前沒有氣密性要求的車輛限價(jià)，供電制式可結(jié)合隧道內(nèi)徑和阻塞比等綜合考慮。