馬春生 王子超

(1.中車長春軌道客車股份有限公司海外業(yè)務(wù)部， 130062， 長春； 2.神州高鐵技術(shù)股份有限公司， 100044， 北京∥第一作者， 高級工程師)

自20世紀(jì)60年代日本新干線投入運行后，日本和西歐等一些國家相繼圍繞列車高速運行對旅客舒適度的影響展開了一系列研究。結(jié)果表明，不合適的車內(nèi)壓力變化會導(dǎo)致旅客產(chǎn)生耳鳴、惡心等不舒適的癥狀[1]。產(chǎn)生上述癥狀的主要原因為：當(dāng)列車在隧道內(nèi)高速運行時，交替出現(xiàn)的壓縮波和膨脹波，使隧道內(nèi)的空氣壓力不斷發(fā)生變化，如果車廂氣密性不良，空氣壓力變化傳入車內(nèi)，導(dǎo)致車內(nèi)空氣壓力劇烈變化，使旅客耳感不適，甚至頭暈、嘔吐等[2]；其次，進風(fēng)口濾網(wǎng)的堵塞，也會導(dǎo)致車內(nèi)壓力的不斷變化，使旅客產(chǎn)生耳鳴等癥狀[3]。

和諧號CRH380動車組列車是我國高速鐵路的主力運輸車型[4]。目前，大量涉及高速列車壓力研究的文獻主要關(guān)注于高速列車壓力變化對列車關(guān)鍵部件疲勞的影響、車外風(fēng)壓對行車安全的影響，以及列車進出隧道時氣壓對列車氣動性能的影響等[5]。目前，針對高速列車車內(nèi)壓力測試，以及壓力變化對旅客舒適性影響的研究相對欠缺，特別是在多種運行工況下對高速列車車內(nèi)壓力的長期跟蹤研究還十分少有。

本研究對和諧號CRH380動車組列車車內(nèi)壓力進行長期的跟蹤監(jiān)測，記錄和分析了線路不同運營狀態(tài)下車內(nèi)壓力的變化趨勢和規(guī)律，為動車組列車車內(nèi)壓力變化對旅客乘坐品質(zhì)影響的研究奠定了一定基礎(chǔ)。本研究中動車組列車車內(nèi)壓力測試分析的最大特點是基于對運營高速列車的長期跟蹤測試，而不是對試驗列車進行短期測試。其測試數(shù)據(jù)更具實用性，且更貼近真實運營工況。

1 和諧號CRH380動車組列車車載無線壓力測試系統(tǒng)介紹

1.1 硬件組成

為長期跟蹤運營高速列車車內(nèi)外壓力變化情況，需要開發(fā)適合在線長期運用的壓力測試系統(tǒng)。為此，開發(fā)了一種遠(yuǎn)程無線的車載壓力測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)由無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、列車級檢測系統(tǒng)、地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及遠(yuǎn)程監(jiān)控中心系統(tǒng)等組成。

列車檢測系統(tǒng)主要由采集器、交換機、車載主控電腦、3G(第三代移動通信)路由器和GPS(全球定位系統(tǒng))測速模塊構(gòu)成。其中，車載主控電腦通過車內(nèi)局域網(wǎng)對整個采集系統(tǒng)進行控制。車載主控電腦安裝在CRH380動車組的頭部和尾部車箱內(nèi)。每節(jié)車箱都有1個獨立的列車級檢測系統(tǒng)，且每節(jié)車箱獨立構(gòu)成1個采集系統(tǒng)。采集系統(tǒng)通過車載主控電腦數(shù)據(jù)采集軟件進行控制，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集和保存。3G路由器用以實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。

1.2 測點布置

在車廂的中部及兩端均勻布置3個空壓差傳感器，以測量客室內(nèi)不同位置的壓力變化。測點布置示意如圖1所示。

圖1 CRH380動車組列車車內(nèi)空壓差傳感器安裝示意圖Fig.1 Installation diagram of air pressure differential sensors in CRH380 EMU train

1.3 測試方法及數(shù)據(jù)處理依據(jù)

測試車內(nèi)壓力采用絕壓傳感器(型號為MPM489)，量程為0.90～0.11 MPa,精度為55 Pa,響應(yīng)時間<1 ms。安裝時將絕壓傳感器直接固定在座架下，車內(nèi)壓力采樣頻率為1 250 Hz，數(shù)據(jù)處理采用20 Hz低通濾波，同時需要考慮海拔對氣壓的影響。針對海拔高度引起的壓力波動，在海拔3 000 m以下，大氣壓按海拔每升高12 m而降低133 Pa處理。

對于人體舒適性，根據(jù)鐵建設(shè)[2007]88號《鐵路隧道設(shè)計施工有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)補充規(guī)定》中“雙線隧道時，車內(nèi)壓力3 s變化率<1.25 kPa”進行評判。

2 動車組列車運行時車內(nèi)壓力分析

2.1 動車組列車通過明線時車內(nèi)壓力分析

統(tǒng)計2013年6月3日、2013年7月3日及2013年9月12日京廣鐵路廣州站—北京西站區(qū)間的動車組列車車內(nèi)壓力波動數(shù)據(jù)，以及2013年9月11日不同工況下車內(nèi)壓力波動數(shù)據(jù)對比。

選取動車組列車運行線路中的明線數(shù)據(jù)，統(tǒng)計2013年6月到9月列車以300 km/h的運行速度通過該線路時車內(nèi)的壓力波動情況，包括車內(nèi)壓差最大值和車內(nèi)壓力3 s變化率最大值，分析列車通過明線時車內(nèi)壓力波動的影響。動車組列車通過明線時，車內(nèi)各測點波動壓力特征值如圖2～3所示。由圖2～3可知，列車通過明線時，車內(nèi)壓力波動與運營里程關(guān)系不大；車內(nèi)壓差最大值為188 Pa，3 s壓力變化率最大值為33.6 Pa。圖4繪制了40 s內(nèi)車內(nèi)各測點的壓力變化情況。由圖4可知，車內(nèi)3個測點的壓力波動特征值變化趨勢基本一致。綜上所述，動車組列車勻速通過明線時，車內(nèi)壓差及3 s壓力變化率都很小，滿足相關(guān)車內(nèi)氣壓舒適性標(biāo)準(zhǔn)的要求；車內(nèi)3個測點的波動壓力特征值變化趨勢較為一致。

圖2 動車組列車通過明線時車內(nèi)壓差最大值統(tǒng)計圖Fig.2 Statistical diagram of maximum pressure difference in the train when EMU train passes through the open line

圖3 動車組列車通過明線時車內(nèi)壓力3 s變化率最大值統(tǒng)計圖Fig.3 Statistical diagram of maximum value of 3 s change rate of internal pressure when EMU train passes through the open line

圖4 動車組列車通過明線時車內(nèi)壓力波動圖Fig.4 Pressure fluctuation diagram in the train when the EMU train passes through the open line

2.2 動車組列車通過隧道時車內(nèi)壓力分析

選取京廣鐵路廣州站—北京西站的大瑤山3號隧道、吊鉤嶺隧道及九子仙隧道,隧道基本信息見表1。動車組列車通過上述3座隧道時，車內(nèi)各測點壓力特征值及壓力時域，如圖5～10所示。圖11為 2013年9月11日廣州站—北京西站區(qū)間動車組列車車內(nèi)壓力特征值統(tǒng)計圖。

表1 隧道的基本信息表Tab.1 Basic information table of tunnel

a) 車內(nèi)各測點壓差最大值

由圖5～11可知：

1) 列車通過不同長度的隧道時，隨著隧道長度的增加，3 508 m以內(nèi)壓差明顯增加，且3 s壓力變化率有增大趨勢；3 508 m以后3 s壓力變化率又有回落趨勢；車內(nèi)3個測點壓差和3 s壓力變化率變化趨勢基本一致。

2) 車內(nèi)3個測點壓力特征值變化趨勢基本一致；車內(nèi)壓力波動與運營里程、鏇修周期關(guān)系不大；車內(nèi)壓差最大值為1 344.5 Pa，3 s壓力變化率最大值為247.9 Pa，均小于1.25 kPa，滿足相關(guān)氣壓舒適性標(biāo)準(zhǔn)的要求。

a) 2013年6月3日

a) 車內(nèi)各測點壓差最大值

a) 2013年6月3日

a) 車內(nèi)各測點壓差最大值

2.3 在明線會車時動車組列車車內(nèi)壓力分析

選取2013年6月3日上行明線會車和2013年9月11日下行明線會車數(shù)據(jù)，統(tǒng)計明線會車時動車組列車車內(nèi)壓力波動特征值，包括車內(nèi)壓差和3 s壓力變化率最大值(見圖12～13)，分析明線會車對動車組列車車內(nèi)壓力波動的影響。

a) 2013年6月3日

a) 車內(nèi)各測點壓差最大值

圖12 在上行明線會車時動車組列車車內(nèi)壓力波動時域圖Fig.12 Time domain diagram of pressure fluctuation in EMU train when the upward open line meets

圖13 在下行明線會車時動車組列車車內(nèi)壓力波動時域圖Fig.13 Time domain diagram of pressure fluctuation in EMU train when the downward open line meets

由圖12～13可知，在明線會車對動車組列車車內(nèi)壓力影響較小，且其壓力波動幅值和列車通過明線時在一個壓力水平，壓力差不超過0.4 kPa，且上、下行線路規(guī)律基本一致。

3 結(jié)論

1) 車內(nèi)3個測點壓力波動特征值變化趨勢基本一致，且車內(nèi)壓力波動與運營里程、鏇修周期關(guān)系不大。

2) 動車組列車以相同運行速度通過不同長度的隧道，隧道長度在3 508 m以內(nèi)時，車內(nèi)壓差明顯增加，3 s壓力變化率呈增大趨勢；隧道長度在3 508 m以上時，3 s壓力變化率有回落趨勢，壓差變化不大；車內(nèi)壓差最大值為1 344.5 Pa，3 s壓力變化率最大值為247.9 Pa，均小于1.25 kPa，滿足相關(guān)氣壓舒適性標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3) 在明線會車對動車組列車車內(nèi)壓力影響較小，可忽略不計，說明動車組氣密性較好。