王志鈞，梅元貴

(蘭州交通大學(xué) 甘肅省軌道交通力學(xué)應(yīng)用工程實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070)

0 引言

在高速列車(chē)通過(guò)隧道過(guò)程中，誘發(fā)了車(chē)外劇烈的壓力波動(dòng)。車(chē)外壓力通過(guò)車(chē)輛結(jié)構(gòu)中的不規(guī)則縫隙傳入車(chē)內(nèi)，產(chǎn)生車(chē)內(nèi)壓力波動(dòng)，帶來(lái)了車(chē)內(nèi)乘務(wù)人員和旅客耳感壓力舒適性問(wèn)題[1-2]。為保證高速列車(chē)車(chē)內(nèi)人員壓力舒適性，國(guó)外學(xué)者研究提出了單一性和復(fù)合型的舒適性標(biāo)準(zhǔn)[3-4]，為隧道凈空面積合理選擇[5]和列車(chē)密封設(shè)計(jì)提供了依據(jù)[6]。在國(guó)內(nèi)外壓力舒適性標(biāo)準(zhǔn)中，采用了對(duì)不同時(shí)間間隔內(nèi)最大壓力變化量進(jìn)行限值的方法，考核高速列車(chē)是否滿足壓力舒適性要求。

高速列車(chē)隧道壓力波及相關(guān)舒適性問(wèn)題研究方法主要有實(shí)車(chē)試驗(yàn)、縮尺動(dòng)模型試驗(yàn)、壓力艙試驗(yàn)和數(shù)值模擬等研究方法[7-9]。Gawthorpe等[4]采用壓力艙試驗(yàn)方法，根據(jù)耳咽管平衡作用機(jī)理提出車(chē)內(nèi)升壓時(shí)比降壓時(shí)更容易發(fā)生耳鳴現(xiàn)象，并總結(jié)了不同情況下的舒適性標(biāo)準(zhǔn)和七級(jí)舒適度調(diào)查問(wèn)卷方法。Schwanitz等[10]采用實(shí)車(chē)試驗(yàn)、壓力艙試驗(yàn)方法，研究了車(chē)內(nèi)志愿人員的耳部不舒適性，得出列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)乘客耳感不舒適性顯著增強(qiáng)且其和壓力變化的持續(xù)時(shí)間密切相關(guān)。King[11]等對(duì)環(huán)境壓力變化下的機(jī)艙人員耳部氣壓創(chuàng)傷進(jìn)行研究，指出由于海拔變化引起大氣壓力的持續(xù)變化將引發(fā)人耳不適甚至?xí)a(chǎn)生耳部氣壓創(chuàng)傷，且指出耳部的氣壓創(chuàng)傷與壓力變化速度有關(guān)。Rocchi等[12]以意大利ETR1000高速列車(chē)為對(duì)象，進(jìn)行實(shí)車(chē)試驗(yàn)研究，得到了車(chē)輛不同位置處的車(chē)內(nèi)外壓力分布特征。劉堂紅等以實(shí)車(chē)為對(duì)象測(cè)試研究了國(guó)內(nèi)遂渝線隧道壓力波和微氣壓波的變化規(guī)律[13]，并根據(jù)合武線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了隧道長(zhǎng)度對(duì)CRH2A動(dòng)車(chē)組車(chē)內(nèi)壓力和每3 s壓力變化量的影響特征[14]。王建宇等[15]根據(jù)遂渝線實(shí)車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究了車(chē)外壓力向車(chē)內(nèi)傳遞的規(guī)律，提出了在較長(zhǎng)隧道下車(chē)輛密封性對(duì)壓力傳遞“衰減”作用變差的特征，給出了“折減系數(shù)”的估算方法。馬偉斌等[16]總結(jié)了國(guó)內(nèi)多條高速鐵路線路上隧道內(nèi)壓力波等測(cè)試數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，得出了每3 s內(nèi)最大壓力變化量單一型限值標(biāo)準(zhǔn)不適用長(zhǎng)大隧道的結(jié)論，建議采用多時(shí)間間隔復(fù)合型的舒適性標(biāo)準(zhǔn)。何德華等[17]采用舒適性事后5級(jí)調(diào)查問(wèn)卷方法，根據(jù)實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果探討了基于每1 s和每3 s內(nèi)最大壓力變化量組合的舒適性判據(jù)。此外，德國(guó)學(xué)者Berlitz等[18]采用一維流動(dòng)模型特征線法數(shù)值模擬方法，研究了氣密指數(shù)和隧道長(zhǎng)度對(duì)車(chē)內(nèi)外壓力變化的影響特征，提出了密封車(chē)輛的“氣密效率”的概念。梅元貴等[19]采用一維流動(dòng)模型特征線法和基于氣密指數(shù)的車(chē)內(nèi)壓力計(jì)算模型，研究了單列車(chē)通過(guò)不同長(zhǎng)度隧道特別是特長(zhǎng)隧道下車(chē)內(nèi)外壓力變化的特征，給出了國(guó)內(nèi)外不同舒適性標(biāo)準(zhǔn)的適用性特征和相關(guān)建議。

我國(guó)時(shí)速350 km標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組采用不同時(shí)間間隔內(nèi)最大壓力變化量的復(fù)合型壓力舒適性標(biāo)準(zhǔn)來(lái)考核車(chē)內(nèi)人員壓力舒適性環(huán)境[20]。但是在列車(chē)設(shè)計(jì)和制造時(shí)，只能通過(guò)單節(jié)整車(chē)靜態(tài)試驗(yàn)指標(biāo)來(lái)控制舒適性[6]，在實(shí)際線路上通過(guò)測(cè)試車(chē)內(nèi)外壓力驗(yàn)證是否滿足舒適性標(biāo)準(zhǔn)限值。針對(duì)高速列車(chē)線路上運(yùn)行特別是通過(guò)隧道時(shí)，有關(guān)車(chē)內(nèi)壓力舒適性環(huán)境變化特征及其主要參數(shù)的影響特征的系統(tǒng)研究，公開(kāi)報(bào)道的研究成果較少。

本文采用實(shí)車(chē)試驗(yàn)方法，在分析車(chē)內(nèi)外壓力測(cè)試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將車(chē)內(nèi)每1 s、3 s、10 s和60 s內(nèi)最大壓力變化量的大小來(lái)定義列車(chē)通過(guò)隧道或明線時(shí)的車(chē)內(nèi)壓力舒適性環(huán)境特征，研究車(chē)內(nèi)外壓力變化與不同時(shí)間間隔內(nèi)最大壓力變化量時(shí)間歷程的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且分別研究車(chē)內(nèi)不同時(shí)間間隔內(nèi)最大壓力變化量正負(fù)值，得出明線或隧道線路坡度、隧道長(zhǎng)度、列車(chē)速度和隧道群對(duì)車(chē)內(nèi)舒適性環(huán)境參數(shù)的影響特征，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果歸納整車(chē)氣密效率的分布特征并探討其和壓力舒適性環(huán)境參數(shù)之間的關(guān)系。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)概況

本文實(shí)車(chē)試驗(yàn)在大西科學(xué)試驗(yàn)段上進(jìn)行，試驗(yàn)進(jìn)行于2016年10月底到11月初，當(dāng)?shù)貧鉁亟橛?5 ℃～9 ℃之間，空氣較為干燥，風(fēng)力較小。試驗(yàn)列車(chē)為我國(guó)某型8節(jié)時(shí)速350 km標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組。試驗(yàn)區(qū)段內(nèi)共有隧道8座，均為雙線隧道。隧道長(zhǎng)度分布特征具體為：短隧道1座（100 m）；中長(zhǎng)隧道4座（565 m、1467 m、1506 m和2742 m）；長(zhǎng) 隧 道3座（3083 m、5456 m和6008 m）。1467 m隧道與2742 m隧道間距為55 m，具備“隧道群”特征。試驗(yàn)區(qū)段最大坡度為30‰，隧道內(nèi)最大坡度為19‰。全線海拔高度位于750～1100 m之間。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)組成。車(chē)外和車(chē)內(nèi)壓力傳感器采用ENDEVCO公司生產(chǎn)的8515C-15型紐扣式壓力傳感器和德魯克PTX5072型壓力傳感器。全車(chē)共布置14個(gè)車(chē)外測(cè)點(diǎn)和10個(gè)車(chē)內(nèi)測(cè)點(diǎn)，其中中間車(chē)外兩側(cè)上、中、下各布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，其余測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示，藍(lán)色和紅色塊分別表示車(chē)內(nèi)外壓力傳感器。車(chē)外和車(chē)內(nèi)壓力測(cè)點(diǎn)布置分別如圖2（a）和圖2（b）所示。

圖1 壓力測(cè)點(diǎn)及數(shù)采系統(tǒng)布置圖Fig. 1 Pressure sensor and data acquisition system layout

圖2 車(chē)內(nèi)外壓力測(cè)點(diǎn)布置Fig. 2 External and internal pressure sensor layout

數(shù)據(jù)采集器采用DH-5929型數(shù)據(jù)采集儀，布置于頭車(chē)、中間車(chē)和尾車(chē)客室內(nèi)部；不同車(chē)廂的壓力測(cè)點(diǎn)連入各車(chē)廂的數(shù)采儀器之后，再由長(zhǎng)距離光纖接入放置在中間車(chē)車(chē)客室內(nèi)的交換機(jī)，之后通過(guò)網(wǎng)線接入放置在中間車(chē)客室內(nèi)的計(jì)算機(jī)中，由計(jì)算機(jī)統(tǒng)一控制數(shù)據(jù)開(kāi)始采集與終止。

1.3 數(shù)據(jù)處理及重復(fù)性驗(yàn)證

根據(jù)文獻(xiàn)[21]要求，采樣頻率應(yīng)不低于5倍的車(chē)速和列車(chē)鼻長(zhǎng)的比值，濾波器截止頻率應(yīng)小于采樣頻率的1/4[21]。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，先將初始1000 Hz采樣頻率降低為200 Hz，后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行截止頻率為5 Hz的濾波處理，消除對(duì)數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生影響的高頻干擾。

本試驗(yàn)在250～350 km/h范圍內(nèi)進(jìn)行。圖3表示列車(chē)以330 km/h兩次通過(guò)1506 m隧道頭、中、尾車(chē)車(chē)內(nèi)外壓力時(shí)間歷程曲線對(duì)比。頭車(chē)的車(chē)外和車(chē)內(nèi)最大壓力峰峰值分別相差5.59%和7.48%，曲線相關(guān)性系數(shù)分別為0.896和0.988；中間車(chē)的車(chē)外和車(chē)內(nèi)最大壓力峰峰值分別相差6.37%和6.34%，曲線相關(guān)性系數(shù)分別為0.922和0.991；尾車(chē)的車(chē)外和車(chē)內(nèi)最大壓力峰峰值分別相差8.67%和2.61%，曲線相關(guān)性系數(shù)分別為0.921和0.988。由試驗(yàn)結(jié)果可知，兩次測(cè)試中頭尾車(chē)車(chē)內(nèi)外壓力的波形一致，重復(fù)性良好，說(shuō)明試驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

圖3 單列車(chē)通過(guò)1506 m隧道兩次試驗(yàn)結(jié)果比較Fig. 3 Comparison of two experimental results of a single train passing through a 1506 m long tunnel

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)壓力時(shí)間歷程特征

圖4表示列車(chē)以約340 km/h通過(guò)長(zhǎng)度為5456 m的隧道時(shí)，車(chē)內(nèi)壓力舒適性環(huán)境變化特征。其中圖4（a）為隧道壓力波傳播軌跡圖；圖4（b）和圖4（c）分別為列車(chē)頭車(chē)內(nèi)外壓力時(shí)間歷程曲線和頭車(chē)車(chē)內(nèi)Δp/1s、Δp/3s、Δp/10s和Δp/60s時(shí)間歷程曲線。由圖4可知：

圖4 列車(chē)通過(guò)5456 m隧道車(chē)內(nèi)壓力舒適性環(huán)境變化特征Fig. 4 Characteristics of internal comfort environment change for the train passing through a 5456 m long tunnel

1）頭車(chē)駛?cè)胨淼溃谒淼廊肟诙水a(chǎn)生壓縮波“CN1”；尾車(chē)駛?cè)胨淼罆r(shí)產(chǎn)生膨脹波“ET1”。壓縮波“CN1”和膨脹波“ET1”分別以當(dāng)?shù)芈曀傺厮淼篱L(zhǎng)度方向傳播，并到達(dá)隧道出口時(shí)分別反射回膨脹波“EN1”、壓縮波“CT1”，再次傳播至隧道入口端反射回壓縮波“CN2”和膨脹波“ET2”，循環(huán)往復(fù)。當(dāng)頭尾車(chē)端部駛出隧道時(shí)產(chǎn)生了壓縮波“CN”和膨脹波“ET”并向隧道入口處傳播，反射規(guī)律同上。壓縮波和膨脹波和與列車(chē)相遇時(shí)引起車(chē)外壓力的升高和降低。

2）車(chē)內(nèi)壓力波動(dòng)相比車(chē)外較為緩和，當(dāng)車(chē)內(nèi)壓力上升時(shí)，車(chē)內(nèi)Δp/1s、Δp/3s、Δp/10s和Δp/60s為正值，反之為負(fù)值。當(dāng)列車(chē)在隧道運(yùn)行時(shí)，車(chē)內(nèi)大部分時(shí)段處于壓力的“負(fù)變化”，車(chē)內(nèi)壓力變化越劇烈，車(chē)內(nèi)不同時(shí)間間隔內(nèi)最大壓力變化量越大。

3）車(chē)內(nèi)Δp/1s和Δp/3s受到車(chē)內(nèi)壓力短時(shí)間內(nèi)波動(dòng)影響較大，如車(chē)內(nèi)壓力急劇增大時(shí)，車(chē)內(nèi)每1 s和3 s內(nèi)最大壓力變化量從0 kPa或負(fù)值變?yōu)檎登也粩嘣龃?；?chē)內(nèi)壓力在較大短時(shí)間變化后發(fā)生周期較小、但振幅較大的微小波動(dòng)，如在t= 4 s時(shí)刻，引發(fā)車(chē)內(nèi)Δp/1s和Δp/3s在正負(fù)值之間交替變化，車(chē)內(nèi)Δp/1s和Δp/3s在該處分別取得最大正負(fù)值，并且車(chē)內(nèi)Δp/10s也受到該壓力波動(dòng)的影響在約10 s后時(shí)刻取得正極值；同理可分析約t= 30 s時(shí)刻。

4）車(chē)內(nèi)Δp/10s和Δp/60s受車(chē)內(nèi)壓力的極值和變化趨勢(shì)的影響較大。列車(chē)通過(guò)隧道全程車(chē)內(nèi)壓力整體為下降趨勢(shì)，故車(chē)內(nèi)Δp/10s和Δp/60s在大部分時(shí)間內(nèi)保持為負(fù)值。列車(chē)在約t= 57 s時(shí)刻駛出隧道，車(chē)外壓力恢復(fù)為大氣壓力，車(chē)內(nèi)壓力在該時(shí)刻到達(dá)負(fù)峰值后逐漸上升，車(chē)內(nèi)Δp/10s到達(dá)負(fù)級(jí)值后立即變?yōu)檎?，?chē)內(nèi)Δp/60s取到最大負(fù)值后逐漸減小。

5）由以上分析可知，由較短時(shí)間（1 s、3 s）內(nèi)壓力變化量引起的車(chē)內(nèi)人員不適感可能會(huì)在列車(chē)每次受到隧道壓力波動(dòng)影響之后的一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)，由于隧道壁面和列車(chē)表面摩擦作用使得壓力波能量不斷衰減，故該時(shí)段可能位于列車(chē)剛剛進(jìn)入隧道后；由較長(zhǎng)時(shí)間（10 s、60 s）內(nèi)壓力變化量引起的舒適性環(huán)境惡化則可能會(huì)在列車(chē)駛出隧道后出現(xiàn)。

2.2 線路坡度對(duì)壓力舒適性環(huán)境影響特征

在試驗(yàn)段內(nèi)，線路海拔高度范圍約為750～1100 m，根據(jù)文獻(xiàn)[22]中大氣壓計(jì)算方法，可知在試驗(yàn)段內(nèi)海拔每升高1 m，大氣壓力約下降11 Pa[22]，在線路坡度較大時(shí)，車(chē)內(nèi)人員可能會(huì)由于環(huán)境壓力的持續(xù)下降或上升產(chǎn)生耳部不適感，本小節(jié)以線路實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析研究較大坡度明線和隧道對(duì)車(chē)內(nèi)壓力舒適性環(huán)境的影響特征。

圖5（a）表示試驗(yàn)段全程線路海拔變化和列車(chē)速度變化，且典型路段的坡度（‰）已在圖中標(biāo)出；圖5（b）表示列車(chē)通過(guò)圖5（a）中路段時(shí)頭車(chē)車(chē)內(nèi)外的壓力變化；圖5（c）表示列車(chē)通過(guò)該路段頭車(chē)車(chē)內(nèi)車(chē)內(nèi)Δp/1s、Δp/3s、Δp/10s和Δp/60s時(shí)間歷程曲線。

圖5 列車(chē)通過(guò)試驗(yàn)段全程車(chē)內(nèi)外壓力和車(chē)內(nèi)壓力舒適性特征Fig. 5 Characteristics of the inside/outside pressure and internal comfort for the train passing through the entire test line

由圖5可得出列車(chē)車(chē)內(nèi)壓力在線路存在坡度時(shí)的變化特征：

1）結(jié)合列車(chē)所采用的被動(dòng)式壓力保護(hù)方式特點(diǎn)與車(chē)內(nèi)外壓力變化特征，可得出壓力截止閥于B、D、F時(shí)刻關(guān)閉，于C、E、G時(shí)刻開(kāi)啟。由圖5（c）可知，在壓力截止閥開(kāi)啟時(shí)刻，車(chē)內(nèi)壓力發(fā)生了明顯的折轉(zhuǎn)，車(chē)內(nèi)Δp/1s、Δp/3s和Δp/10s均明顯增大。在壓力截止閥關(guān)閉狀態(tài)下，如D-E時(shí)段，由于車(chē)體氣密性相對(duì)較好，車(chē)內(nèi)外壓力差較大，車(chē)內(nèi)壓力受到坡度的影響較??；壓力截止閥開(kāi)啟狀態(tài)下，如A-B時(shí)段，車(chē)內(nèi)外壓力均隨海拔高度變化而變化，線路坡度對(duì)車(chē)內(nèi)壓力的影響較顯著。

2）車(chē)內(nèi)Δp/1s和Δp/3s僅在隧道內(nèi)取值較大，而在列車(chē)駛出隧道后車(chē)內(nèi)Δp/1s和Δp/3s則減小為0 kPa左右；車(chē)內(nèi)Δp/10s和Δp/60s在隧道內(nèi)和大坡度明線上均有較明顯的變化。在明線坡度較大時(shí)，如A-B時(shí)段，坡度對(duì)Δp/1s、Δp/3s、Δp/10s和Δp/60s的影響依次增大，上坡時(shí)海拔升高，車(chē)內(nèi)外壓力降低，車(chē)內(nèi)壓力變化均為負(fù)值，其取值大小隨著坡度的增大而增大。

3）短時(shí)間間隔內(nèi)（1 s、3 s）的最大壓力變化量引起的車(chē)內(nèi)人員不適感更多受到隧道壓力波或壓力截止閥開(kāi)啟導(dǎo)致的小周期壓力波動(dòng)的影響，而較長(zhǎng)時(shí)間間隔內(nèi)（10 s、60 s）的最大壓力變化量引起的車(chē)內(nèi)人員不適感受到線路坡度的影響較大。

2.3 隧道長(zhǎng)度對(duì)壓力舒適性環(huán)境的影響特征

本小節(jié)選取列車(chē)以相近速度通過(guò)六種不同長(zhǎng)度隧道，研究隧道長(zhǎng)度對(duì)車(chē)內(nèi)壓力舒適性環(huán)境的影響特征，圖6表示列車(chē)以250 km/h和300 km/h速度等級(jí)通過(guò)不同長(zhǎng)度隧道，車(chē)內(nèi)Δp/1s、Δp/3s、Δp/10s和Δp/60s最大正負(fù)值隨隧道長(zhǎng)度變化規(guī)律。

由圖6可得如下規(guī)律：

圖6 不同隧道長(zhǎng)度下車(chē)內(nèi)Δp/1s、Δp/3s、Δp/10s和Δp/60s最大值變化規(guī)律Fig. 6 Variation of the maximum values of Δp/1s,Δp/3s,Δp/10s and Δp/60s inside the train with the different tunnel length

1）在不同速度等級(jí)下，車(chē)內(nèi)Δp/1s、Δp/3s、Δp/10s的最大正負(fù)值和Δp/60s最大正值變化趨勢(shì)相似，先隨隧道長(zhǎng)度增大而增大，到隧道長(zhǎng)度為565 m時(shí)，增大到最大正極值和最大負(fù)極值，之后均隨著隧道長(zhǎng)度的增大先減小后增大；車(chē)內(nèi)Δp/60s最大負(fù)值隨隧道長(zhǎng)度增大呈現(xiàn)不斷增大趨勢(shì)。

2）短時(shí)間內(nèi)壓力變化引起的不適感先隨隧道長(zhǎng)度增大而更加明顯，500 m左右為車(chē)內(nèi)人員感到最不舒適的隧道長(zhǎng)度區(qū)間，隧道長(zhǎng)度繼續(xù)增大，由較短時(shí)間內(nèi)壓力變化引起的車(chē)內(nèi)人員不舒適感有所緩解。不同速度等級(jí)下車(chē)內(nèi)Δp/60s的最大負(fù)值隨著隧道長(zhǎng)度的增大而不斷增大，引起長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)壓力持續(xù)變化，并導(dǎo)致的更明顯的耳感不適問(wèn)題。

3）短時(shí)間間隔內(nèi)的壓力限制僅適用于長(zhǎng)度較短的隧道，而隧道長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，車(chē)內(nèi)Δp/60s可能引起車(chē)內(nèi)人員的耳部不適，所以還需采用較長(zhǎng)時(shí)間間隔的壓力變化量的限值，進(jìn)行壓力舒適性的分析和判斷。

2.4 列車(chē)速度對(duì)壓力舒適性環(huán)境的影響特征

列車(chē)以不同速度通過(guò)不同長(zhǎng)度隧道時(shí)，對(duì)不同速度下車(chē)內(nèi)Δp/1s、Δp/3s、Δp/10s和Δp/60s的最大正負(fù)值使用式（1）函數(shù)形式進(jìn)行擬合，得出列車(chē)速度對(duì)車(chē)內(nèi)壓力舒適性環(huán)境的影響規(guī)律。

式中，Δpmax/n表示車(chē)內(nèi)不同時(shí)間間隔內(nèi)最大壓力變化量的最大值（n= 1、3、10、60），Pa；v為列車(chē)速度，m/s；A和B分別為擬合系數(shù)和指數(shù)。

圖7和圖8分別表示列車(chē)以不同速度通過(guò)1506 m、3083 m和5456 m隧道時(shí)車(chē)內(nèi)Δp/1s、Δp/3s、Δp/10s和Δp/60s的最大正負(fù)值及其隨速度變化的擬合曲線，其中在圖8（c）中，同一速度下的車(chē)內(nèi)Δp/1s、Δp/3s實(shí)測(cè)值及擬合曲線均互相重合；表1表示擬合函數(shù)相關(guān)參數(shù)及平均擬合誤差，表中P和N分別表示正值和負(fù)值。由圖和表可知：

圖7 列車(chē)速度對(duì)車(chē)內(nèi)每1 s、3 s、10 s和60 s最大壓力變化量最大正值的影響Fig. 7 Influence of train speed on the maximum positive values of Δp/1s,Δp/3s,Δp/10s and Δp/60s inside the train

圖8 列車(chē)速度對(duì)車(chē)內(nèi)每1 s、3 s、10 s和60 s最大壓力變化量最大負(fù)值的影響Fig. 8 Influence of train speed on the maximum negative values of Δp/1s,Δp/3s,Δp/10s and Δp/60s inside the train

表1 擬合函數(shù)相關(guān)參數(shù)Table 1 Parameters of the fitting function

1）相同隧道長(zhǎng)度同一速度下的車(chē)內(nèi)Δp/60s最大正值小于Δp/1s、Δp/3s和Δp/10s最大正值；而Δp/1s、Δp/3s、Δp/10s和Δp/60s最大負(fù)值依次增大。表明列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)車(chē)內(nèi)壓力整體呈下降趨勢(shì)，隧道內(nèi)壓力波動(dòng)帶來(lái)的車(chē)內(nèi)壓力突增對(duì)車(chē)內(nèi)Δp/60s影響較小。

2）車(chē)內(nèi)Δp/1s、Δp/3s、Δp/10s和Δp/60s最大正負(fù)值在不同隧道長(zhǎng)度下均隨速度增大呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，且其與列車(chē)速度的冪近似成正比，比例系數(shù)較小，多為10?1～10?4數(shù)量級(jí)，指數(shù)多為1.5～2.9之間。

3）車(chē)內(nèi)Δp/1s、Δp/3s和Δp/10s的擬合相關(guān)性系數(shù)R2整體大于車(chē)內(nèi)Δp/60s，且隧道長(zhǎng)度為1506 m和3083 m時(shí)車(chē)內(nèi)Δp/1s、Δp/3s和Δp/10s擬合相關(guān)性系數(shù)R2相比隧道長(zhǎng)度為5456 m時(shí)整體較大。擬合相關(guān)性系數(shù)R2大于98%時(shí)，可認(rèn)為實(shí)測(cè)值和擬合曲線吻合度較高，對(duì)應(yīng)的指數(shù)B分布范圍為1.8～2.9，平均值約為2.26，可以認(rèn)為車(chē)內(nèi)Δp/1s、Δp/3s和Δp/10s近似與列車(chē)速度的平方成正比。

4）車(chē)內(nèi)人員耳部不適感隨列車(chē)速度增大而更加明顯。由較短時(shí)間內(nèi)壓力變化導(dǎo)致的車(chē)內(nèi)人員耳部不適感隨列車(chē)速度增大呈指數(shù)關(guān)系增加，由長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)壓力持續(xù)下降導(dǎo)致的車(chē)內(nèi)人員耳部不適感也隨列車(chē)速度增大而嚴(yán)重，但其變化與列車(chē)速度函數(shù)關(guān)聯(lián)性較差。

2.5 “隧道群”對(duì)壓力舒適性環(huán)境的影響特征

1467m和2742m隧道的間距為55 m，遠(yuǎn)小于動(dòng)車(chē)組長(zhǎng)度（約200 m），將其看作隧道群。本小節(jié)通過(guò)對(duì)獨(dú)立隧道和“隧道群”中長(zhǎng)度相近隧道的車(chē)內(nèi)外壓力及車(chē)內(nèi)壓力變化分析，得出并比較隧道群對(duì)車(chē)內(nèi)壓力舒適性環(huán)境的影響特征。圖9表示列車(chē)由2742 m隧道駛?cè)?467 m隧道的方向通過(guò)隧道群和通過(guò)1506 m獨(dú)立隧道時(shí)的頭、中、尾車(chē)的車(chē)內(nèi)外壓力比較。列車(chē)速度約為335 km/h；圖10表示在圖9情形下頭車(chē)車(chē)內(nèi)Δp/1s、Δp/3s、Δp/10s和Δp/60s時(shí)間歷程曲線比較。圖中Nexit和Nentry時(shí)刻分別表示列車(chē)車(chē)頭端駛出隧道群第一座隧道和駛?cè)氲诙淼赖臅r(shí)刻。

圖9 隧道群和1506 m獨(dú)立隧道車(chē)內(nèi)外壓力比較Fig. 9 Comparison between internal and external pressure of tunnel group and the 1506 m long single tunnel

由圖可知如下規(guī)律：

1）動(dòng)車(chē)組以相近速度通過(guò)隧道群和長(zhǎng)度相近獨(dú)立隧道時(shí)，頭、中、尾車(chē)外壓力形狀相似，幅值大小相近，隧道群對(duì)車(chē)外壓力無(wú)明顯影響。由于隧道間距較短，列車(chē)駛出隧道群第一座隧道后又立即駛?cè)氲诙淼?，?chē)內(nèi)壓力未完全向車(chē)外大氣壓力平衡則又開(kāi)始下降，在第二座隧道入口處為負(fù)壓；列車(chē)通過(guò)獨(dú)立隧道時(shí)，車(chē)內(nèi)壓力則由大氣壓力開(kāi)始波動(dòng)。

2）列車(chē)通過(guò)1506 m獨(dú)立隧道和隧道群第二個(gè)1467 m隧道時(shí)，車(chē)內(nèi)Δp/1s和Δp/3s時(shí)間歷程曲線形狀相似，最大值也在近似同一位置出現(xiàn)；由于列車(chē)駛?cè)胨淼廊旱诙淼罆r(shí)，車(chē)內(nèi)壓力整體保持為下降趨勢(shì)，車(chē)內(nèi)Δp/10s和Δp/60s均為負(fù)值，且車(chē)內(nèi)Δp/10s在列車(chē)駛出隧道后才逐漸變?yōu)檎?，列?chē)駛?cè)氇?dú)立隧道時(shí)，車(chē)內(nèi)Δp/10s和Δp/60s則經(jīng)歷了先正變化后負(fù)變化的過(guò)程。

3）列車(chē)通過(guò)1506 m獨(dú)立隧道的車(chē)內(nèi)Δp/1s、Δp/3s和Δp/10s最大正值分別小于通過(guò)隧道群中1467 m隧 道28.7%、21.9%和38.6%；車(chē) 內(nèi)Δp/1s、Δp/3s和Δp/60s最大負(fù)值分別小于通過(guò)隧道群時(shí)19.8%、7.3%和56.2%，Δp/10s最大負(fù)值則大于通過(guò)隧道群時(shí)7.8%。故由實(shí)測(cè)結(jié)果分析，可以初步得出列車(chē)在通過(guò)隧道群時(shí)，由于車(chē)內(nèi)壓力的變化更加劇烈而引起更加明顯的車(chē)內(nèi)人員耳部不適問(wèn)題。

2.6 氣密效率與車(chē)內(nèi)人員耳部不適性關(guān)系探討

本小節(jié)引入文獻(xiàn)[18]中的氣密效率，基于實(shí)車(chē)試驗(yàn)對(duì)氣密效率和壓力舒適性環(huán)境的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行研究，氣密效率的定義式如式（2）所示[18]。

式中，η為氣密效率；由于列車(chē)車(chē)內(nèi)不同車(chē)廂相互貫通，故將列車(chē)看作一個(gè)密封氣壓艙，故Δpex,max頭尾車(chē)車(chē)外最大壓力峰峰值的平均值，Δpin,max為頭尾車(chē)車(chē)內(nèi)最大壓力峰峰值的平均值。由該式可知：氣密效率表達(dá)了車(chē)外壓力傳入車(chē)內(nèi)后的峰峰值衰減率，其值越接近1則可以表示車(chē)輛對(duì)車(chē)外壓力傳入車(chē)內(nèi)的阻隔作用更好。

圖11（a）表示Δpex,max、Δpin,max和η隨隧道長(zhǎng)度的變化規(guī)律，選擇隧道長(zhǎng)度為100 m、565 m、1506 m、2742 m、5456 m和6008 m，列車(chē)速度均為約300 km/h；圖11（b）表示列車(chē)以約250 km/h、300 km/h和330 km/h通過(guò)長(zhǎng)度為1506 m、2742 m和5456 m隧道時(shí)η隨列車(chē)速度變化規(guī)律。本文針對(duì)了不同日期試驗(yàn)共31組隧道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了車(chē)內(nèi)不同時(shí)間間隔內(nèi)最大壓力變化量隨氣密效率的變化規(guī)律，如圖12所示。由圖可知：

圖11 隧道長(zhǎng)度和列車(chē)速度對(duì)氣密效率的影響Fig. 11 Influence of tunnel length and train speed on the sealing efficiency

圖12 車(chē)內(nèi)Δp/1s、Δp/3s、Δp/10s和Δp/60s變化量隨氣密效率變化規(guī)律Fig. 12 Variation of internal Δp/1s,Δp/3s,Δp/10s and Δp/60s with the sealing efficiency

1）Δpex,max隨著隧道長(zhǎng)度先增大后保持穩(wěn)定，最后又增大，Δpin,max則隨著隧道長(zhǎng)度不斷增大，但氣密效率η隨著隧道長(zhǎng)度的變化逐漸減小。表明在所選隧道中，隨著隧道長(zhǎng)度的增大，相同氣密水平的車(chē)輛對(duì)車(chē)外壓力傳入車(chē)內(nèi)的阻隔效果越差。

2）在不同列車(chē)速度下，氣密效率η變化不明顯，始終保持相近水平，可以初步得出車(chē)輛對(duì)車(chē)外壓力傳入車(chē)內(nèi)的阻隔效果與列車(chē)速度無(wú)關(guān)。

3）車(chē)內(nèi)Δp/1s最大正值和Δp/1s、Δp/3s、Δp/60s最大負(fù)值均隨著氣密效率的增大存在減小的趨勢(shì)，Δp/60s最大負(fù)值近似隨氣密效率增大而線性減小，可得出整車(chē)氣密效率增大時(shí)，車(chē)輛氣密性對(duì)車(chē)外壓力傳入車(chē)內(nèi)的阻隔效果越好，車(chē)內(nèi)壓力變化量越小，車(chē)內(nèi)壓力舒適性環(huán)境越好。

3 結(jié)論

基于我國(guó)時(shí)速350 km標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組實(shí)車(chē)試驗(yàn)，本文研究了壓力舒適性環(huán)境的特征，得出如下結(jié)論：

1）列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)，車(chē)內(nèi)壓力波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致車(chē)內(nèi)人員耳部不適，由車(chē)內(nèi)較短時(shí)間內(nèi)壓力變化引起的耳部不適感主要由瞬時(shí)壓力波動(dòng)引起，在列車(chē)剛剛進(jìn)入隧道和壓力截止閥從關(guān)閉到開(kāi)啟時(shí)較明顯；由車(chē)內(nèi)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)壓力變化引發(fā)的耳部不適感受到隧道長(zhǎng)度和線路坡度的影響更加嚴(yán)重，且可能在列車(chē)通過(guò)大坡度線路和剛剛駛出隧道后較明顯。

2）較短時(shí)間內(nèi)壓力變化隨隧道長(zhǎng)度先增大后減小。隧道長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，車(chē)內(nèi)人員耳部不適主要由于車(chē)內(nèi)壓力連續(xù)“負(fù)變化”引起的較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)最大壓力變化導(dǎo)致，且其隨隧道長(zhǎng)度增大，耳部不適感更加明顯。

3）列車(chē)速度增大時(shí)，不同時(shí)間間隔內(nèi)車(chē)內(nèi)壓力變化顯著增大，車(chē)內(nèi)人員耳部不適感更加明顯，且較短時(shí)間內(nèi)車(chē)內(nèi)壓力變化量近似與列車(chē)速度的平方成正比。

4）“隧道群”對(duì)車(chē)外壓力的影響不明顯，而由于列車(chē)連續(xù)通過(guò)隧道，車(chē)內(nèi)壓力的連續(xù)下降引起較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)壓力變化量較大可能導(dǎo)致車(chē)內(nèi)人員耳部不適。

5）氣密效率受到列車(chē)速度的影響較小，主要與隧道長(zhǎng)度、坡度等有關(guān)，部分時(shí)間間隔內(nèi)最大壓力變化量隨氣密效率增大而減小，可得出整車(chē)氣密效率的增大時(shí)，車(chē)內(nèi)壓力舒適性環(huán)境更好。

6）在列車(chē)通過(guò)大坡度線路、長(zhǎng)隧道和隧道群時(shí)，由于車(chē)內(nèi)壓力的連續(xù)單向變化引起車(chē)內(nèi)人員的耳部不適，故在上述情況時(shí)，為了保證車(chē)內(nèi)良好的壓力舒適性環(huán)境，單一時(shí)間間隔的舒適性標(biāo)準(zhǔn)不再適用，需要采用多時(shí)間間隔內(nèi)的復(fù)合型舒適性標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車(chē)內(nèi)壓力變化進(jìn)行約束。