孔繁冰，劉斌，霍文彪，夏玉濤

(1.中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 063035；2.中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410075)

安全、快捷、舒適是現(xiàn)代高速列車追求的三大目標，但是隨著列車運行速度的提升，高速列車受到的外部氣動激擾愈發(fā)劇烈，尤其是當高速列車通過隧道或在隧道內交會時，由于隧道壁面對列車周圍空氣流動的限制和擠壓，在隧道內形成了一系列壓縮波和膨脹波，從而誘發(fā)了列車外部流場的壓力瞬變[1]。同時，由于列車車體的不完全密封性，列車外部劇烈的瞬變壓力會通過車體表面潛在的泄漏路徑和空調通風系統(tǒng)等傳入車廂內部，引起車廂內部壓力短時明顯波動。此壓力波動作用在人耳鼓膜等結構上，會引起司乘人員耳悶、耳鳴、耳痛甚至耳膜破裂等耳感不適和醫(yī)學安全健康問題[2-5]。國際上將上述問題歸結為列車車輛密封性問題，為了探究高速列車密封特性，保證乘客舒適性，國內外圍繞高速列車過隧道時車廂內部壓力瞬變特征、車廂動態(tài)密封指數(shù)以及乘客舒適性等問題，展開了一系列相關研究。JOHNSON 等[6]較為系統(tǒng)地介紹了時間常數(shù)和當量泄漏面積模型的理論推導過程，給出了氣密性良好條件下，兩者靜態(tài)值的轉換關系，并完整地提出了動態(tài)時間常數(shù)的定義。王瀟芹等[7]利用一維數(shù)值仿真方法得到高速列車過隧道及隧道內交會時車外的壓力波動數(shù)據(jù)，基于車輛密封指數(shù)定義中的內外壓傳遞關系，計算得到了車內壓力變化，并分析了編組中車廂位置以及編組長度變化對車內外壓力波變化的影響規(guī)律。張運良等[8]基于三維不可壓非定常數(shù)值模擬得到高速列車隧道內等速交會的壓力變化，依據(jù)內外壓力線性傳遞模型得到了車廂內部壓力變化規(guī)律。吳劍等[9-10]分別采用數(shù)值模擬研究了不同動態(tài)密封指數(shù)的城際列車和時速400 km 的高速列車通過不同凈空面積隧道時的車外壓力瞬變，同時依據(jù)動態(tài)密封指數(shù)概念計算得到了相應車廂內部壓力瞬變特征參數(shù)，并對具有不同密封指數(shù)的列車以不同速度等級通過隧道時，滿足乘客舒適性的隧道凈空面積值給出參考建議。張芯茹等[11-12]以高速列車通過特定隧道時外部壓力瞬變的一維仿真數(shù)據(jù)為基礎，結合動態(tài)密封指數(shù)的定義得到相應車廂內部壓力變化，進一步分析了隧道長度、列車運行速度和編組位置等對滿足乘客舒適度的車廂動態(tài)密封指數(shù)閾值的影響規(guī)律。綜上可以看出，目前圍繞高速列車密封性的研究主要依據(jù)列車過隧道時車廂外部壓力的數(shù)值仿真結果和動態(tài)密封指數(shù)相關模型函數(shù)，計算得到具有特定動態(tài)密封指數(shù)列車的內部壓力特征參數(shù)。相比數(shù)值仿真，實車試驗更能反映實際運營的高速列車密封特性，但受制于試驗條件的限制，關于列車氣密性實車試驗的研究開展較少，雖然部分學者也展開了相關實車試驗，但僅局限于利用試驗數(shù)據(jù)分析高速列車通過隧道時車廂內外壓力變化的相關特征參數(shù)，而結合高速列車氣密性實車試驗數(shù)據(jù)計算得到車廂實際動態(tài)密封指數(shù)，并進一步分析不同因素對車廂動態(tài)密封指數(shù)影響規(guī)律的研究很少[13-15]。因此，本文基于系列高速列車氣密性實車試驗，測得高速列車通過不同隧道時不同車廂內外壓力變化數(shù)據(jù)，計算得到相應工況下各車廂動態(tài)密封指數(shù)，并進一步探究高速列車車廂編組位置對不同車廂動態(tài)密封指數(shù)的影響規(guī)律。本文研究結果將為系統(tǒng)掌握實際高速列車車廂動態(tài)密封指數(shù)在不同編組位置的分布情況奠定基礎，并為后續(xù)提高列車氣密性方案設計提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 實車試驗概述

本研究試驗線路選擇隧道占比較大的武廣線(長沙—廣州段)，如圖1 所示，試驗所采用的車載測試系統(tǒng)由壓力傳感器、IMC 集成測控數(shù)采系統(tǒng)、GPS 及計算機等部分組成。各傳感器將測得的車廂外部和內部瞬變壓力信息經IMC 集成測控數(shù)采系統(tǒng)內的信號放大器放大、再由A/D 轉換器轉換為計算機可識別的信號后傳輸至計算機內進行存儲、顯示及后處理，同時采用GPS 系統(tǒng)確定標準時間以便于精準確定高速列車進出隧道的時間。除壓力傳感器外，測試系統(tǒng)的其他裝置全部放于列車內進行數(shù)據(jù)采集和處理工作。

圖1 實車試驗動態(tài)壓力測試系統(tǒng)Fig.1 Dynamic pressure test system for real vehicle test

考慮到高速列車通過隧道時引起的壓力波具有波系復雜、變化劇烈等特征，因此為精確捕捉列車內外壓力的瞬變信息，本文采用KULITE公司生產的高敏感度、高閾值的紐扣式壓力傳感器，其量程15 psi，靈敏度為9.69 mV/10 kPa。試驗采樣頻率為1 000 Hz，濾波選用截止頻率為100 Hz的低通濾波器，均符合國際標準要求，足夠捕捉車廂內外的壓力峰值和壓力變化率等真實特征。本次試驗測點布置在1 車、2 車和7 車，2 車和7 車測點位置完全相同，詳細測點信息布置圖如圖2(a)所示。由于試驗線路通過的隧道均為雙線隧道，隧道對列車兩側的作用力對稱性較弱，所以車外測點對稱布置在車體兩側，即每節(jié)車在車體中部兩側墻對稱布置2 個測點，3 節(jié)車共布置6 個測點。與車外測點位置相對應，如圖2(b)所示，在每節(jié)車內部兩側墻布置2個測點，圖中R1表示1車右側內部測點，3節(jié)車共布置了6個內部壓力測點。

圖2 實車試驗內外壓測點布置圖Fig.2 Layout diagram of internal and external measuring points in the real vehicle test

1.2 動態(tài)密封指數(shù)定義及計算方法

列車車廂內部乘客壓力不適感的產生受車廂內部壓力環(huán)境的直接影響，而車廂內部壓力環(huán)境是由車廂外壓力變化情況與車廂的密封性共同決定的。目前，在對運營列車車廂密封性進行衡量時所采用的指標主要是動態(tài)密封指數(shù)τdyn，其定義如方程(1)所示：

式中：ΔP(t)為t時刻車廂內外壓差，可表述為,ΔP(t)=Pe-Pi，其中Pe和Pi分別為t時刻車廂外部壓力和內部壓力數(shù)值。因為在列車實際運營中外部壓力Pe隨時間是不斷變化的，此時根據(jù)公式(1)定義計算得到車廂密封指數(shù)即為動態(tài)密封指數(shù)τdyn,而在列車室內靜態(tài)泄露試驗過程中，車廂外部壓力Pe為大氣壓，可視為不隨時間變化的常數(shù)，在這種情況下由式(1)計算所得到的密封指數(shù)即被稱為“靜態(tài)密封指數(shù)”。

根據(jù)車廂內外線性壓力傳遞模型[8]，通過對此內外壓力線性傳遞模型的微分方程進行積分和數(shù)值求解，最終可得到通過車廂外部壓力數(shù)據(jù)和特定動態(tài)密封指數(shù)值來計算車廂內部壓力的差分迭代公式(2)：

式中：Pe和Pi分別為t時刻車廂外部和內部壓力值，Pe(t+Δt)和Pi(t+Δt)分別為(t+Δt)時刻車廂外部和內部壓力值。Δt為一個較小的時間間隔，在本研究中實車試驗數(shù)據(jù)采樣時間步長為0.001 s。

目前測量動態(tài)密封指數(shù)有2種方法：1)通過現(xiàn)場測試列車車外、車內氣壓變化后計算得到；2) 通過室內泄漏試驗計算列車靜態(tài)密封指數(shù)，然后根據(jù)靜態(tài)密封指數(shù)和動態(tài)密封指數(shù)之間的關系估算得到。本文采用第1 種方法，基于MATLAB平臺開發(fā)的動態(tài)密封指數(shù)計算算法，通過室外壓力換算得到車廂內部壓力。所用到的動態(tài)密封指數(shù)算法包括以下主要步驟：

1) 算法程序根據(jù)壓力數(shù)據(jù)初始特征自動生成一系列初始動態(tài)密封指數(shù)，之后依據(jù)實測外壓數(shù)據(jù)和公式(2)自動生成相應的內壓變化序列。

2) 采用動態(tài)時間規(guī)整(DTW)算法計算與各個初始動態(tài)密封指數(shù)相對應的內壓序列與實測車廂內壓數(shù)據(jù)之間的相似度距離指標。DTW 算法主要基于動態(tài)規(guī)劃(Dynamic Programing,DP)的思想，其所涉及的具體原理如圖3所示。

圖3 動態(tài)時間規(guī)整(DTW)原理圖Fig.3 Schematic diagram of DTW

將計算內壓序列包含的所有點(簡稱幀)n=1～N都標注在二維直角坐標系的橫軸上，將實車試驗測得內壓序列包含的所有點m=1～M標注到縱軸上，根據(jù)所有幀對應的整數(shù)坐標繪制相應的縱橫線，最后能夠得到相應的網格，網格包含的所有交叉點均為2 種信號所包含的各幀出現(xiàn)交叉的位置。算法運行期間對2組數(shù)據(jù)所包含的數(shù)據(jù)幀間存在的距離進行計算，得出幀匹配距離矩陣，并基于得到的矩陣尋找最佳路徑，該路徑距離的積累值如式(3)所示：

根據(jù)式(3)開展遞推過程，能夠到達(N,M)便找到了最優(yōu)路徑，且與D(N,M)相匹配的最佳路徑對應的距離也是最短的。

3) 自動識別與實測內壓序列相似度指標最高的，即DTW 距離最小的計算內壓序列所對應的動態(tài)密封指數(shù)值，并將其確定為該車廂實際動態(tài)密封指數(shù)數(shù)值。同時，該動態(tài)密封指數(shù)計算算法能夠根據(jù)實際研究需要確定動態(tài)密封指數(shù)的計算精度，本研究中動態(tài)密封指數(shù)精確到0.1。

2 動車組動態(tài)氣密性分析

試驗線路區(qū)段全長707 km，共有143 座隧道。車內外瞬變壓力數(shù)據(jù)測試是動態(tài)氣密性分析的基礎工作，其中窯頭嶺隧道(1 067 m)的長度最接近時速300 km 下的最不利隧道長度(1 037 m)，本文選擇該隧道內的測試數(shù)據(jù)分析不同車廂內外壓力及動態(tài)密封指數(shù)的變化規(guī)律。

2.1 不同車廂內外壓力變化

動車組以300 km/h 速度從長沙至廣州方向通過窯頭嶺隧道時，1 車為頭車、8 車為尾車，不同車廂車內、外壓力變化時程曲線如圖4 和圖5 所示。由圖4 可知，在膨脹波和壓縮波的交替作用下，導致7 車車外具有最大負峰值，1 車具有最小負峰值。由圖5可知，不同車廂車內壓力隨時間變化的趨勢相同，在列車進入隧道后車廂內壓力都出現(xiàn)短暫的小幅上升，然后開始下降，在下降過程中出現(xiàn)波動，最后列車駛出隧道時，車內壓力出現(xiàn)小幅度上升。

圖4 車外壓力變化時程曲線Fig.4 Time history curves of external pressure changes

圖5 車內壓力變化時程曲線Fig.5 Time history curves of internal pressure changes

表1給出了不同車廂車內外壓力最大幅值及車內壓力1 s 和3 s 內壓力變化幅值。由表1 可知，車外壓力變化從頭車到尾車有逐漸增加的趨勢，而車內壓力變化差異相對較小，但2車車廂內部壓力變化相對其他車廂最小，壓力變化幅值為189.38 Pa。3 s車內壓力變化最大值和1 s壓力變化最大值與車廂內部壓力幅值變化規(guī)律相同，都在2車出現(xiàn)最小值，這可能與2號車廂的新風壓力控制系統(tǒng)有關。

表1 不同車廂車內外壓力最值及車內壓力變化率Table 1 Maximum value of internal and external pressure and the change rate of internal pressure in different carriages

2.2 不同車廂動態(tài)密封指數(shù)

如圖6～7所示，采用2.2節(jié)中介紹的動態(tài)密封指數(shù)方法得到1 車、2 車以及7 車的動態(tài)密封指數(shù)。從圖6中可以看出，不同動態(tài)密封指數(shù)下?lián)Q算的壓力曲線在車內真實壓力曲線(黑色曲線)上下兩側，動態(tài)密封指數(shù)越小，對應換算后的車內壓力曲線波動越劇烈，整體走勢更加陡峭；動態(tài)密封指數(shù)越大，對應換算后的車內壓力曲線波動越微弱，整體變化趨勢更加平緩。這也表明較大的動態(tài)密封指數(shù)能夠對外壓的劇烈波動起到明顯的衰減作用，對車廂內部壓力的影響也更小。圖7為不同車廂動態(tài)密封指數(shù)計算過程得到的DTW 距離隨著動態(tài)密封指數(shù)的變化曲線，其中各曲線中紅點標記即為DTW 距離的最小值拐點，其所對應的動態(tài)密封指數(shù)值，即為反映實際列車的動態(tài)密封指數(shù)值。因此，根據(jù)圖7中的動態(tài)密封指數(shù)計算結果，可以得到列車通過窯頭嶺隧道時1 車、2 車以及7 車的動態(tài)密封指數(shù)分別為52.2，66.6和91.4 s。

圖6 不同車廂動態(tài)密封指數(shù)對比Fig.6 Comparison of dynamic airtightness indexes of different carriages

圖7 DTW距離隨密封指數(shù)變化曲線Fig.7 DTW distance with the change of the dynamic airtightness index

如表2所示，采用同樣的動態(tài)密封指數(shù)計算分析方法對其他隧道的數(shù)據(jù)進行分析，得到列車通過不同長度隧道時不同車廂的動態(tài)密封指數(shù)。由表2 可知，6 組隧道試驗中，每組試驗中最小動態(tài)密封指數(shù)均出現(xiàn)于1 車(頭車)，最大動態(tài)密封指數(shù)均出現(xiàn)于7 車(尾車)。由此可以看出車外壓力峰峰值自車頭向車尾呈現(xiàn)遞增趨勢，而車內壓力峰峰值自車頭向車尾呈現(xiàn)減小的趨勢，從而動態(tài)氣密性自車頭向車尾增加，尾車車廂動態(tài)密封性表現(xiàn)更好。其原因可能與隧道內壓力波的傳遞有關，隧道內主要為負壓，第1次壓力下降主要與尾車進入隧道引發(fā)的膨脹波有關，所以膨脹波對尾車外壓的下降效果最強；膨脹波從尾車傳遞到頭車后，逐漸減弱，頭車對應的車外壓力變化較小；由于車體密封性的作用，由車外傳入車內的壓力較小，不同車廂內的壓力很容易受車內貫通和其他因素影響，不同車廂車內壓力差異很小，從而導致尾車動態(tài)密封指數(shù)升高。

表2 不同隧道長度下不同車廂動態(tài)密封指數(shù)Table 2 Dynamic airtightness indexes of different carriages with different tunnel lengths

同時，由表2中的數(shù)據(jù)可以看出，雖然在不同長度隧道下，車廂動態(tài)密封指數(shù)自1 車至7 車均呈上升趨勢。但是不同長度隧道內動態(tài)密封指數(shù)隨車廂的增加趨勢不盡相同，其中長583 m 隧道中7車較1 車動態(tài)密封指數(shù)上升最快，為103%，長2 203 m 隧道中7 車較1 車動態(tài)密封指數(shù)上升了86%，長3 520 m隧道中7車較1車動態(tài)密封指數(shù)上升了77%。這表明車廂動態(tài)密封指數(shù)隨車廂編組位置的變化趨勢不受隧道長度的影響，但變化幅度和變化率在一定程度上隨隧道長度的變化而有所不同。

為了進一步驗證不同車廂內的動態(tài)密封指數(shù)變化情況，選擇同一隧道(窯頭嶺隧道)相反運行方式的測試結果進行分析，觀察1 車(尾車)、2 車、7車的動態(tài)密封指數(shù)變化情況。通過計算得到列車通過窯頭嶺隧道時，7 車、2 車以及1 車車廂的動態(tài)密封指數(shù)分別為45.4，72.1 和71.9 s。試驗結果表明最小動態(tài)密封指數(shù)均出現(xiàn)于靠近頭車的7 車，最大動態(tài)密封指數(shù)均出現(xiàn)于靠近尾部的2 車或1 車(尾車)。測試數(shù)據(jù)結果再次驗證了動態(tài)密封指數(shù)自車頭向車尾呈現(xiàn)增大的趨勢，靠近尾車的氣密性更好。

3 結論及建議

1) 隧道中由于車外、車內壓力波傳遞的綜合作用，列車正向或反向運行，動態(tài)密封指數(shù)均從運行方向的頭車到尾車逐漸增加，并在尾車或者尾車附近動態(tài)密封指數(shù)達到最大值。如列車正向通過窯頭嶺隧道時1 車、2 車以及7 車的動態(tài)密封指數(shù)分別為52.2，66.6和91.4 s。

2) 對目前已有跟蹤數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在車內變化率均滿足標準要求的情況下，動態(tài)密封指數(shù)主要集中在30～90之間。

3) 動態(tài)密封指數(shù)除了跟車廂位置相關外，還與隧道長度、運行里程等因素相關。本文試驗結果顯示最不利隧道長度并不會發(fā)生最小動態(tài)密封指數(shù)。且隨著隧道長度增加，從頭車到尾車的動態(tài)密封性指數(shù)上升百分比逐漸減小，如583 m 隧道中7 車較1 車動態(tài)密封指數(shù)上升103%，2 203 m 隧道中上升86%，3 520 m隧道上升了77%。

為了更好地改善列車的動態(tài)密封性能，需要深入了解高速列車動態(tài)密封性的衰減過程，建議開展長期的多維度的高速列車氣密性跟蹤測試，從而對列車關鍵密封部件的設計方案和修程修制優(yōu)化提供指導。