亢文祥，陳春棉，熊小慧

(1.中南大學(xué)機電工程學(xué)院，湖南長沙 410083;2.南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111;3.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲 4120013;4.中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南長沙 410075)

CRH2動車組新風(fēng)換氣裝置對車內(nèi)壓力波動影響試驗研究＊

亢文祥1，2，陳春棉3，熊小慧4

(1.中南大學(xué)機電工程學(xué)院，湖南長沙 410083;2.南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111;3.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲 4120013;4.中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南長沙 410075)

采用實車試驗方法對CRH2動車組通過隧道時新風(fēng)換氣裝置影響車內(nèi)壓力波動的規(guī)律進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明:新風(fēng)風(fēng)機開啟能夠明顯降低車內(nèi)氣壓變化，列車通過二巖隧道時車內(nèi)壓力變化幅值關(guān)閉狀態(tài)比開啟狀態(tài)大43%，車內(nèi)3 s空氣壓力變化率關(guān)閉狀態(tài)比開啟狀態(tài)大52%，車內(nèi)1 s空氣壓力變化率關(guān)閉狀態(tài)比開啟狀態(tài)大43%;風(fēng)機處于開啟狀態(tài)，CRH2動車組220 km/h通過遂渝線沿線隧道時，車內(nèi)3 s最大壓力幅值為554 Pa，滿足我國現(xiàn)行人體舒適性要求標(biāo)準(zhǔn);風(fēng)機處于關(guān)閉狀態(tài)時，CRH2動車組車內(nèi)最大壓力幅值變化為1 291 Pa，車內(nèi)3 s最大壓力幅值為854 Pa、車內(nèi)1 s最大壓力幅值為401 Pa，超過了我國現(xiàn)行人體舒適性標(biāo)準(zhǔn)及日本新干線人體舒適性標(biāo)準(zhǔn);風(fēng)機處于開啟狀態(tài)時，CRH2動車組車內(nèi)壓力變化幅值與列車運行速度的n次方成正比，其中n值范圍為1.0～1.2。

新風(fēng)換氣裝置;實車試驗;人體舒適性;CRH2動車組;車內(nèi)壓力變化

列車通過隧道和在隧道內(nèi)交會時，會產(chǎn)生較大的車外空氣壓力波動，此壓力波動傳入車廂會引起車內(nèi)的壓力波動，從而沖擊司乘人員的耳膜，造成耳鳴、耳痛等癥狀，影響乘坐舒適度。隨著列車速度不斷提高，壓力波動幅度會隨之增大，造成的不良反應(yīng)也加劇，嚴(yán)重者會惡心、嘔吐。國外高速列車發(fā)達(dá)國家對高速列車車廂氣密性做出了非常嚴(yán)格的要求，致使車輛制造成本大幅度提高，盡管如此，這一問題并沒有得到有效解決［1－4］。經(jīng)實地考察［4］，法國的TGV高速列車在通過地下隧道進(jìn)入巴黎車站過程中，車廂內(nèi)的氣壓變化非常明顯，由12人組成的考察團(tuán)成員均有不同程度的耳鳴和惡心感覺，有兩人出現(xiàn)了輕度嘔吐。日本新干線列車也有類似現(xiàn)象［2，5－7］。2003 年在我國西南地區(qū)列車提速試驗中，盡管列車最高運行速度不高(如南昆線僅為100 km/h)，且試驗列車由氣密性較好的提速客車組成，但大部分參試人員在列車過隧道過程中均感到由氣壓變化造成的明顯不適。

控制車內(nèi)壓力較大波動，除了保證車體密封性以外，必須在列車的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)上進(jìn)行改善。防止車外的空氣壓力波從空氣的進(jìn)氣孔進(jìn)入車廂，原則上有以下3種解決方法:

①壓力保護(hù)閥:在客室進(jìn)、排氣風(fēng)口各安裝一個壓力保護(hù)閥，當(dāng)車內(nèi)外空氣壓力差超過一定的限界值時，進(jìn)排氣壓力保護(hù)閥同時關(guān)閉，空調(diào)機組只在車內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)通風(fēng)工作，不從車外引進(jìn)新風(fēng)。當(dāng)車內(nèi)外壓差低于限界值時，進(jìn)排氣閥重新打開，恢復(fù)車廂正常進(jìn)排風(fēng)。此方法的問題是當(dāng)通過隧道時，長時間的關(guān)閉新風(fēng)口，會降低車廂內(nèi)空氣清新度。

②帶有節(jié)氣閥的通風(fēng)機:在排氣風(fēng)道安裝帶有節(jié)氣閥的排風(fēng)機，用調(diào)節(jié)進(jìn)、排風(fēng)口的空氣流量來調(diào)節(jié)補償出現(xiàn)的車內(nèi)外壓力差。

③過壓保護(hù)風(fēng)機:過壓保護(hù)風(fēng)機的特性曲線坡度很大，即需要輸送到空氣流量不受壓差的影響。在理想的情況下，每臺進(jìn)、出風(fēng)機輸送到空氣流量是一個常數(shù)，保持不變。因此車外進(jìn)入車內(nèi)的空氣流量與車內(nèi)排除車外的流量也是一個常數(shù)。

CRH2動車組為解決由于隧道區(qū)間增大而引起換氣質(zhì)量降低、防止客室外壓力變化影響客室內(nèi)旅客乘坐舒適性的問題，采用了機外靜壓較大的換氣裝置，并采用逆變器進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。

CRH2動車組換氣裝置采用雙向風(fēng)機原理，由一臺變頻控制的雙軸電機帶動2臺高壓的高速離心風(fēng)機進(jìn)行動車組客室的進(jìn)、排氣。車外新風(fēng)經(jīng)過裝有風(fēng)量調(diào)節(jié)板的給風(fēng)側(cè)，被高壓送風(fēng)風(fēng)機吸入，分別送到2臺空調(diào)機組中，再由空調(diào)送至車廂內(nèi);客室內(nèi)廢排回風(fēng)被高壓排風(fēng)風(fēng)機吸入，進(jìn)入裝有電動機的換氣裝置的內(nèi)部通道，再由裝有調(diào)節(jié)板的廢排風(fēng)口排出車外。正常運行時，它可以保證從室內(nèi)排出的風(fēng)量與補充的新風(fēng)風(fēng)量相等，從而保證客室內(nèi)空氣壓力恒定。圖1為換氣裝置風(fēng)機特性圖，圖2為換氣裝置工作時車內(nèi)外壓力波動對比示意圖。

圖1 不同風(fēng)機特性曲線Fig.1 Characteristic curve of different fans

圖2 換氣裝置工作時車內(nèi)外壓力波動對比示意圖Fig.2 Comparison diagram of the pressure fluctuations inside and outside the car

采用主動式空氣壓力波動控制系統(tǒng)后，車內(nèi)壓力變化明顯小于車外壓力變化，該系統(tǒng)對抑制壓力波動起了有效作用。CRH2動車組運營情況也表明換氣裝置具有有效地控制車內(nèi)壓力變化的作用，滿足乘座舒適性要求。本文采用實車試驗方法研究了換氣裝置對CRH2動車組車內(nèi)壓力波動影響規(guī)律。

1 試驗工況和測點布置

為對比換氣裝置正常工作和關(guān)閉情況下，CRH2動車組車內(nèi)外氣壓變化情況。具體試驗工況如下:

(1)換氣裝置關(guān)閉，CRH2動車組通過隧道，試驗速度為220 km/h，進(jìn)行了1個往返。

(2)換氣裝置正常工作，CRH2動車組通過隧道，試驗速度分別為 160，180，190，200，210 和 220 km/h，每個速度檔運行3個往返。

CRH2動車組車體表面共布置了13個動態(tài)壓力測點，具體測點布置見參考文獻(xiàn)［8］。車廂內(nèi)部空氣壓力變化直接影響旅客的舒適性，也反映出車廂氣密性的優(yōu)劣。CRH2動車組車廂內(nèi)部測點布置了1個三維傳感器、2個一維傳感器，共10個測點。三維傳感器安裝在列車下行方向的第2節(jié)車廂中部，圖3為其安裝后的實物照片，6個測點編的定義如下:縱向，SWJ朝向井口站，SWH朝向合川站;垂向，SWS指向車頂，SWX指向地板;橫向，SWC指向車窗，SWN指向室內(nèi)。

2個一維傳感器分別安裝在端車的司機室和第2節(jié)車廂車門處。各測點編定義如下:司機室部位，指向司機室側(cè)窗，指向室內(nèi);車門部位，指向車窗，指向室內(nèi)。

圖3 傳感器安裝實物圖Fig.3 Sensor installation photo

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗重復(fù)性分析

為了分析系統(tǒng)的可靠性，對同一個速度檔次下同一測點的多次測試結(jié)果進(jìn)行了重復(fù)性分析。下面以CRH2動車組200 km/h通過二巖隧道時，對動車組車體5號測點和車廂內(nèi)中部正對車窗測點的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，表1為其測試結(jié)果，圖4～圖5為測試波形。從測試結(jié)果可知:重復(fù)性誤差在2%以內(nèi)，可以認(rèn)為本次試驗采用的測試系統(tǒng)具有較高的可靠性，測試結(jié)果重復(fù)性較好。

表1 CRH2動車組200 km/h運行重復(fù)性測量結(jié)果Table 1 Repeatability of the measured results when CRH2 EMU running on the speed of 200 km/h

圖4 CRH2動車組200 km/h過二巖隧道時，車體5號測點測量結(jié)果Fig.4 Test curve of the fifth test point outside the car when CRH2 EMU pass through Eryan Tunnel on 200 km/h

2.2 換氣裝置運行和關(guān)閉時，車內(nèi)壓力變化比較

列車運行速度為220 km/h時，通過實車試驗比較了換氣裝置正常運行和關(guān)閉情況時車內(nèi)氣壓變化情況。表2給出了換氣裝置正常運行和關(guān)閉情況下，CRH2動車組220 km/h通過二巖隧道時，車內(nèi)壓力變化情況。圖6給出了CRH2動車組以不同速度通過二巖無碴單線隧道時，換氣裝置開機和關(guān)閉時的CRH2動車組車內(nèi)外壓力變化情況。

圖5 CRH2動車組200 km/h過二巖隧道時，車內(nèi)正對車窗測點測量結(jié)果Fig.5 Test curve of the test point inside car toward the window when CRH2 EMU pass through Eryan Tunnel on 200 km/h

由表2和圖6可以看出:列車通過二巖隧道時，換氣裝置開啟時的車內(nèi)壓力變化幅值明顯小于換氣裝置關(guān)閉時的車內(nèi)壓力變化幅值。由此可見，CRH2動車組換氣裝置在列車通過隧道時，能夠明顯降低車內(nèi)氣壓變化，有效提高了列車過隧道時的旅客舒適性。因此，為保證旅客乘坐舒適性，列車通過隧道時換氣裝置須在開啟狀態(tài)。列車通過二巖隧道時，換氣裝置開啟與關(guān)閉狀態(tài)，車內(nèi)壓力變化幅值分別為903，1 292 Pa，關(guān)閉狀態(tài)比開啟狀態(tài)大43%;車內(nèi)3 s空氣壓力變化率分別為554，842 Pa，關(guān)閉狀態(tài)比開啟狀態(tài)大52%;車內(nèi)1 s空氣壓力變化率分別為281，401 Pa，關(guān)閉狀態(tài)比開啟狀態(tài)大43%。

2.3 換氣裝置開啟狀態(tài)，車內(nèi)外壓力變化規(guī)律及與列車運行速度的關(guān)系

分別以CRH2動車組車廂內(nèi)部SWC測點(室內(nèi)三維傳感器中正對車窗的測點)、車體外表面5號測點(下行方向第2輛客車車體中部)為例，分析列車過無碴軌道隧道時壓力變化幅值與列車運行速度的關(guān)系。

表2 CRH2動車組220 km/h速度過二巖隧道時車內(nèi)測點壓力變化結(jié)果Table 2 Test results inside the car when CRH2 EMU passes through the Eryan Tunnel on the speed of 220 km/h

圖7給出了CRH2動車組以不同速度、上下行方向通過二巖隧道時，壓力變化幅值與列車速度的關(guān)系曲線，圖中公式由冪函數(shù)曲線擬合得到。從圖7曲線可以看出:隨列車運行速度增加，測點壓力變化幅值迅速增加，與列車運行速度的n次方成正比，其中車廂內(nèi)部測點n值范圍為1.0～1.2，車體外表面壓力測點n值近似為1.9。

2.4 人體舒適性調(diào)查研究

氣壓變化環(huán)境下，人體舒適性不但與壓力變化幅值和壓力變化率有關(guān)，還與民族、國民習(xí)俗和對鐵路的期望值等因素有關(guān)。英國、德國和日本等國對氣壓變化環(huán)境下人體舒適性標(biāo)準(zhǔn)各不相同。英國標(biāo)準(zhǔn)中不但考慮了壓力變化幅值和壓力變化率，還考慮了人體完成耳膜壓力調(diào)節(jié)所需的時間，所考慮的因素較為全面、合理，這一點也得到了本次試驗的驗證，但從試驗結(jié)果看，其標(biāo)準(zhǔn)值過于寬松。

從本次試驗結(jié)果和對乘員舒適性調(diào)查，列車通過二巖無碴軌道隧道引起的乘客不舒適感最強，當(dāng)列車以220 km/h速度通過二巖無碴軌道隧道時，車廂內(nèi)3 s壓力變化值最大達(dá)到842 Pa(風(fēng)機關(guān)閉)，此時部分受訪乘員有不同程度的不舒適感，有輕微耳痛感和明顯耳痛感人數(shù)比例分別為39.3%和5.4%。當(dāng)列車以200 km/h速度通過二巖無碴軌道隧道時，車廂內(nèi)3 s壓力變化最大為484 Pa，此時受訪乘員中有輕微耳痛感、可以接受占11.1%;無明顯耳痛感、乘坐舒適占88.9%。

圖6 風(fēng)機關(guān)閉和風(fēng)機開啟時，CRH2動車組車內(nèi)外壓力比較Fig.6 Test curve inside and outside the CRH2 EMU car when the fan are on the open and closed ondition

圖7 車內(nèi)、外壓力變化幅值隨列車運行速度的變化規(guī)律Fig.7 Change rule of inside and outside pressure variation amplitude with the speed of trains

(1)國內(nèi)評價標(biāo)準(zhǔn)評判:CRH2動車組以200 km/h速度在遂渝線運行時，車廂內(nèi)3 s最大壓力變化幅值為484 Pa，滿足人體舒適性要求。

(2)日本新干線人體舒適度標(biāo)準(zhǔn)評判:列車運行速度達(dá)到180 km/h時，車內(nèi)最大負(fù)向壓力變化幅值為514 Pa，對應(yīng)的1 s壓力變化率為208 Pa;列車運行速度達(dá)到200 km/h時，車內(nèi)最大負(fù)向壓力變化幅值為535 Pa，1 s壓力變化率為242 Pa。列車以200 km/h速度運行時，壓力變化幅值和1 s壓力變化率與人體舒適性標(biāo)準(zhǔn)曲線的相對位置關(guān)系如圖8所示，從圖中可以看出，壓力變化測試結(jié)果在人體舒適性標(biāo)準(zhǔn)中舒適范圍內(nèi)，滿足人體舒適性要求。

圖8 列車速度v=200 km/h時，測試結(jié)果與人體舒適性標(biāo)準(zhǔn)曲線相對位置關(guān)系圖Fig.8 Relative position chart of the test results and human comfort standard curve when train pass through the tunnels on 200 km/h

3 結(jié)論

(1)換氣裝置能夠明顯降低車內(nèi)氣壓變化，列車通過二巖隧道時，換氣裝置開啟與關(guān)閉狀態(tài)，車內(nèi)壓力變化幅值分別為903，1 292 Pa，關(guān)閉狀態(tài)比開啟狀態(tài)大43%;車內(nèi)3 s空氣壓力變化率分別為554，842 Pa，關(guān)閉狀態(tài)比開啟狀態(tài)大52%;車內(nèi)1 s空氣壓力變化率分別為281，401 Pa，關(guān)閉狀態(tài)閉開啟狀態(tài)大43%。

(2)換氣裝置處于開啟狀態(tài)時，CRH2動車組200 km/h通過遂渝線沿線隧道時，車廂內(nèi)3 s最大壓力變化幅值為484 Pa;CRH2動車組220 km/h通過遂渝線沿線隧道時，車廂內(nèi)3 s最大壓力變化幅值為554 Pa;均滿足我國現(xiàn)行人體舒適性要求標(biāo)準(zhǔn)(800 Pa/3 s)。

(3)換氣裝置處于關(guān)閉狀態(tài)時，CRH2動車組220 km/h通過遂渝線沿線隧道時，車廂內(nèi)最大壓力變化為1 291 Pa、車廂內(nèi)3 s最大壓力變化幅值為854 Pa、車廂內(nèi)1 s最大壓力變化幅值為401 Pa;超過了我國現(xiàn)行人體舒適性要求標(biāo)準(zhǔn)(800 Pa/3 s)及日本新干線人體舒適性要求。

(4)換氣裝置處于開啟狀態(tài)時，CRH2動車組車內(nèi)、外壓力變化幅值隨列車通過隧道速度的增加而迅速增加，與列車運行速度的n次方成正比，其中車廂內(nèi)部測點n值范圍為1.0～1.2，車體外表面壓力測點n值近似為1.9。

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Experimental research on the pressure variation effect inside the car caused by CRH2 EMU new－wind ventilator

KANG Wen-xiang1，2，CHEN Chun-mian3，XIONG Xiao-hui4

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha 410083，China;2.CSR Qingdao Sifang Locomotive and Rolling Stock Co.Ltd，Qingdao 266111，China;3.Hunan Railway Professional Technology College，Zhuzhou 412001，China;4.Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education，Central South University，Changsha 410075，China)

The laws of pressure variation inside the car was obtained by real train test on the condition of the fresh air ventilation unit in the closed and open case when CRH2 EMU passed through the tunnel.The results show that the fresh air ventilation can significantly reduce the air pressure variation inside the car.The pressure amplitude，the pressure variation ratio per 3 second and the pressure variation ratio per second on the condition of the fresh air ventilation unit in closed case is 43%，52%and 43%which is greater than that on the condition of the fresh air ventilation unit in open case when the train passes through the Eryan tunnel.When the CRH2 EMU passes through all the tunnels in Sui－Yu railway line at the speed of 220 km/h on the condition of the fresh air ventilation unit in open case，the maximum pressure variation ratio per 3 second is 554 Pa，which can meet the requirements of human comfort criteria.When the CRH2 EMU on the condition of the fresh air ventilation in closed unit，the maximum pressure amplitude is 1 291 Pa，the maximum pressure variation ratio per 3 second is 854 Pa and the maximum pressure variation ratio per second is 401 Pa，which can not meet the requirements of human comfort criteria in China railway line and Japanese Shinkansen line.When CRH2 EMU passes through the tunnel on the condition of the fresh air ventilation unit in open case，the pressure variation amplitudes inside the car are proportional to the power of n and the range of n is between 1.0 to 1.2.

new－wind ventilator;real train test;human comfort;CRH2 EMU;pressure variation inside the car

U298.3

A

1672－7029(2011)05－0084－06

2011－08－30

鐵道部科技開發(fā)計劃項目(Z2007－057)

亢文祥(1961－)，男，山東青島人，高級工程師，碩士研究生，從事動車組設(shè)計研究