郭俊飛，吳立仁

（1.山西機電職業(yè)技術學院汽車工程系，山西長治 046000；2.河南理工大學機械與動力工程學院，河南焦作 454002）

高速列車進入隧道引起的微壓波現(xiàn)象可以分為3 個階段［1-4］：第1 階段為隧道壓縮波的產生；第2階段為隧道壓縮波的傳播；第3 階段為微壓波的發(fā)射。為緩解由微壓波產生的噪聲和振動，人們已經嘗試了各種研究。

目前，在全球范圍內大多數(shù)研究機構都在使用時速200～500 km/h 的高速列車發(fā)射試驗臺［5-6］進行微壓波分析的模型試驗。由于此類試驗臺的造價非常昂貴，所以使用它們的研究人員并不多，而且需要相當大的場地、人力資源來運營和維護該設施。此外，此類試驗臺的數(shù)據(jù)生產率不是很高。在第1 階段的模型試驗中，此類試驗臺是必要的。然而，對于第2 階段和第3 階段來說，則不是必需的。例如，Tebbutt 等［7］提出利用亥姆霍茲共振器陣列來減少高速鐵路隧道系統(tǒng)中微壓波，大幅降低了試驗成本。類似地，可以用波長和幅度與隧道壓縮波相似的壓縮波來研究這兩個階段的現(xiàn)象。

從廣義上講，高速列車發(fā)射試驗臺可視為一種壓縮波或沖擊波試驗裝置。Wang 等［8］利用基于分布式聲學原理的壓縮波模擬試驗進行空氣中孤子波的實驗。Yao等［9］利用激波管進行了沖擊波衰減補償研究，與試驗臺相比，激波管更簡單而實用。然而，使用激波管產生隧道壓縮波具有一定的挑戰(zhàn)性。例如，與使用隔膜的傳統(tǒng)激波管［10］相比，隧道壓縮波模擬試驗所需的壓力范圍和波長分別很大和很小。如果使用高速電磁閥，則需要一個高壓腔室才能在隧道模型中產生所需的升壓，因為此類閥門的有效截面積很小，這將導致通過電磁閥中孔口的質量流量非常小［11-12］，而傳統(tǒng)的腔室在如此大的壓力值下會產生氣密性不足的情況。

本研究開發(fā)了一種基于氣動電磁閥的新型隧道壓縮波模擬試驗裝置。該試驗裝置由多個小型氣動電磁閥并聯(lián)組成，與傳統(tǒng)高速列車發(fā)射試驗臺相比，設備構建和運行價格較低，結構緊湊，具有較高的數(shù)據(jù)生產率。

1 隧道壓縮波模擬試驗裝置

1.1 壓縮波原理

列車進入隧道時，隧道壓縮波的升壓Δp為

式中：ρ為大氣密度；U為列車速度；M為列車馬赫數(shù)，R為列車與隧道的阻塞比。

為了避免微壓波（micro-pressure waves，MPW）的嚴重噪聲問題，要求壓縮波的壓力梯度小于10～20 kPa/s。因此，在隧道入口安裝緩沖結構，以將壓力梯度減小到該目標值。對于國內高鐵列車來說，U約為300 km/h，R約為0.2 kPa，Δp約為2 kPa。使用1∶127 比例模型的列車發(fā)射試驗臺（時速300 km/h），測量得到的隧道壓縮波典型波形如圖1所示。

圖1 隧道壓縮波典型波形Fig.1 Typical waveform of tunnel compression wave

如圖1 所示，因為使用了緩沖結構，升壓Δp約為3 kPa，壓力梯度從3 MPa/s 降至1 MPa/s。當沒有緩沖結構時，壓力梯度波形為單峰，而當緩沖結構存在時，壓力梯度波形為多峰。

1.2 模擬試驗裝置的設計

本模擬試驗裝置的主要目的不是模擬列車頭部形狀與隧道壓縮波之間的關系，而是產生類似于典型隧道壓縮波的壓縮波。這些波在隧道入口處的升壓Δp約為2 kPa，最大壓力梯度為10～20 kPa/s，Δt=0.1～0.2 s，其中，Δt為300 km/h 真實高速列車壓縮波的波長。當隧道模型的直徑?為100 mm 時，其相對于真實隧道的比例尺約為1∶127，則目標值必須滿足Δp=2 kPa，最大壓力梯度為10～20 kPa/s，Δt約為1 ms。當采用電磁閥而不是激波管隔膜時，波義耳定律粗略估計出

式中：pc為腔壓；dv為電磁閥的有效直徑；d為實際隧道直徑。

電磁閥的有效截面積Av為

可以看出，雖然小型電磁閥具有快速響應的特點（小Δt），但由于dv過小，獲得足夠的Δp所需的pc值非常大。因此，通過電磁閥中孔口的質量流量非常小，而傳統(tǒng)的腔室在如此大的pc值下會出現(xiàn)氣密性不足的情況。

在本設計中，為了克服小型高速電磁閥質量流量不足的問題，采用了多個氣動電磁閥并聯(lián)結構。所開發(fā)的隧道壓縮波模擬試驗裝置的示意圖如圖2所示。

圖2 隧道壓縮波模擬試驗裝置Fig.2 Schematic diagram of tunnel compression package simulation experiment device

本裝置由小型氣動電磁閥、壓力腔、壓縮機、供電系統(tǒng)和隧道模型組成，Lt為閥門和隧道之間管道的長度，Lc為閥門和壓力腔之間管道的長度。10根內徑為8 mm的管道連接壓力腔和隧道。每根管道都有1個電磁閥，每個電磁閥產生的壓縮波在到達隧道模型之前，都會通過每根管道和法蘭傳播。

高速列車發(fā)射試驗臺需要控制壓縮波的Δp和Δt，以模擬隧道壓縮波與列車橫截面積和速度相關的變化。對于本研究開發(fā)的裝置，分別通過調節(jié)腔壓和閥門開啟速度即可輕松控制Δp和Δt。然而，高速列車發(fā)射試驗臺需要反復試驗才能控制這2個參數(shù)。

1.3 壓縮波控制方法

首先，采用調節(jié)閥門開啟速度的方法來控制Δt，而對于本裝置中的閥門來說，閥門開啟速度會根據(jù)施加的電壓Vin而變化。為此，開發(fā)了一種由電池、半導體繼電器、可變電阻和觸發(fā)器組成的電源裝置。施加到電磁閥的電壓Vin可以使用可變電阻或通過調整電池數(shù)量來調節(jié)。為了防止電磁閥異常過熱，在電源裝置中使用了定時器。定時器使電路在輸入觸發(fā)信號之后的一段時間后自動停用。雖然閥門的耗電量很小，但需要10 V 的100 A 電流來同時打開所有的閥門。

其次，采用調節(jié)腔壓的方法來控制Δp，需要精確分析Δp與pc之間的關系。假設在大氣溫度T0下，腔室內的溫度是恒定的，則通過電磁閥中孔口的質量流量m為

式中：γ為空氣絕熱指數(shù)，γ=1.4；c0為聲速。

此外，根據(jù)激波方程［13］，壓縮波在管道中引起的流速mt為

式中：ρt為壓縮波在管內的密度；ut為壓縮波在管內的速度；At為連接閥門和隧道的管道的橫截面面積；Δpt為壓縮波在管內的升壓。

將式（4）代入式（5）得

式中：p0為大氣壓力。

從聲學理論得到了管道內壓力與隧道模型之間的關系如下［14］：

式中：n為管道的個數(shù)。

將式（6）代入式（7）得

當壓縮波在管內傳播過程中由于摩擦而衰減［15-16］，并產生其他壓力損失時，將式（6）修正為以下經驗形式如下：

式中：k為經驗參數(shù)，0＜k＜1。

當根據(jù)實驗數(shù)據(jù)確定k的值時，式（9）給出了pc與Δp之間關系的經驗公式。由于式（9）不包括溫度或密度，p0的變化可以忽略，因此，幾乎可以通過只控制pc來精確地再現(xiàn)Δp。

2 試驗結果與分析

2.1 裝置制備

為了驗證所設計隧道壓縮波模擬試驗裝置的有效性，按照圖2所示對本裝置進行了具體實現(xiàn)。隧道由聚氯乙烯制成，直徑為100 mm，相對于實際隧道的比例為1∶127。直流電源為雷克迪DC-12 V，光敏金屬氧化物半導體繼電器型號為Panasonic AQZ262，小型氣動電磁閥型號為SMC MHZL2-6D，Lt=4 mm，Lc=8 mm。隧道壓縮波模擬試驗裝置實物圖如圖3所示。

圖3 隧道壓縮波模擬試驗裝置實物Fig.3 Physical drawing of tunnel compression package simulation experiment device

2.2 產生的壓縮波

從法蘭1 m處獲得的壓縮波形如圖4所示。

圖4 法蘭1 m處的壓縮波形Fig.4 Compression waveform at 1 m of flange

第一次升壓是由模擬隧道壓縮波的第一次壓縮波引起的。可以看出，本裝置能夠提供與高速列車發(fā)射試驗臺幾乎相同的隧道壓縮波，且壓縮波的升壓和波長均可控。壓縮波的x-t圖如圖5所示。

圖5 壓縮波的x-tFig.5 x-t diagram of compressional wave

圖5 中，虛線為壓縮波，實線為膨脹波。當電磁閥打開時，產生壓縮波XC1 和膨脹波YE1。YE1的一部分在腔室連接處反射為壓縮波YC1。然后，YC1 通過電磁閥傳播并到達測量部分。然而，孔口很小，因此YC1的影響幾乎可以忽略不計。XC1的一部分在法蘭處反射，并作為膨脹波ZE1向電磁閥方向傳播。然后，ZE1 幾乎全部反射到電磁閥口處，到達測量點為膨脹波ZE2。

2.3 Δp與pc關系的驗證

如1.3節(jié)所述，通過式（9）可以通過只控制pc來精確地再現(xiàn)Δp。本裝置產生的壓縮波波形如圖6所示。

圖6 本裝置產生的壓縮波波形Fig.6 Compressed wave waveform generated by this device

圖6 還顯示了高速列車發(fā)射試驗臺產生的壓縮波波形，該壓縮波由時速300 km/h 的1∶127比例列車模型產生?？梢杂^察到，本裝置可以模擬列車進站產生的隧道壓縮波。本裝置非常有效，因為它可以每3 min 產生一次壓縮波，而試驗臺每15 min才能產生一次壓縮波。

此外圖6 還證實，當電磁閥電壓Vin值較高時，閥門打開得更快。但要注意的是，在小Vin的情況下，壓力梯度波形有多個峰值。當電磁閥的Vin低于極限電壓Vlim時，閥門不能穩(wěn)定地打開，并產生顫振，因為電磁閥是利用腔壓pc關閉的。因此，Vlim的數(shù)值取決于pc。例如，當pc=400 kPa 時，Vlim=9 V；當pc=200 kPa 時，Vlim＜7 V。Δp與pc之間的關系如圖7所示。

圖7 pc與Δp之間的關系Fig.7 Relationship between pc and Δp

圖7 中，k=0.77，式（9）與實驗數(shù)據(jù)吻合較好。Vin與升壓Δp、最大壓力梯度(?p/?t)max之間的關系如圖8所示。

圖8 Vin與升壓、最大壓力梯度之間的關系Fig.8 Relationship between pressure rise，the maximum pressure gradient and Vin

從圖8 可以看出，本裝置的目標值已經成功實現(xiàn)。如前所述，壓縮波的Δp和Δt分別由pc和Vin控制。當Vin與(?p/?t)max之間需要不同的關系時，還可以改變n來控制Δp和(?p/?t)max。

2.4 模擬試驗裝置與試驗臺的比較

本模擬試驗裝置與高速列車發(fā)射試驗臺之間的比較見表1。

表1 本裝置與試驗臺之間的比較Tab.1 Comparison between this device and test bench

高速列車發(fā)射試驗臺的建設成本超過300 萬元人民幣，通常需要多個人員共同操作，每次運行至少需要3 個工序：清潔列車模型、準備制動系統(tǒng)、在發(fā)射器處重置列車模型。每道工序大約需要5 min。因此，每隔15 min才能運行一次。然而，本模擬試驗裝置可以由一個人操作，建造、操作和維護成本更低廉，可以輕松快速地安裝或拆卸，并對測試場地無特殊要求。只有裝置的腔室需要充氣，而且只需要3 min 的時間，因為腔室中需要的空氣量很小。因此，本裝置每產生一次壓縮波所需的時間減少了80%，且每次運行的成本顯著降低。

盡管本裝置的好處包括成本效益和高數(shù)據(jù)生產率，但仍存在不足之處。本裝置在此階段僅產生單峰壓力梯度波形，這意味著只能模擬無緩沖結構隧道中產生的壓縮波。

3 結論

本研究開發(fā)了一種低成本的高速列車隧道壓縮波模擬試驗裝置。采用了多個小型氣動電磁閥并聯(lián)，來解決高速電磁閥有效橫截面積不足的問題。與高速列車發(fā)射試驗臺相比，本裝置非常緊湊，每產生一次壓縮波所需的時間減少了80%。研究結果表明：①針對無緩沖結構隧道，本裝置能夠提供與高速列車發(fā)射試驗臺幾乎相同的隧道壓縮波，且壓縮波的升壓和波長均可控；②可以通過改變腔壓來控制壓縮波的升壓，并提出了一個估算壓縮波升壓與腔壓之間關系的經驗公式；③可以通過改變施加在電磁閥上的電壓來控制壓縮波的波長。后續(xù)研究將嘗試對本裝置進行改進，以便產生和控制多峰壓力梯度波形。