CRH2动车组新风换气装置对车内压力波动影响试验研究＊

亢文祥，陈春棉，熊小慧

(1.中南大学机电工程学院，湖南长沙 410083;2.南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111;3.湖南铁道职业技术学院，湖南株洲 4120013;4.中南大学轨道交通安全教育部重点实验室，湖南长沙 410075)

CRH2动车组新风换气装置对车内压力波动影响试验研究＊

亢文祥1，2，陈春棉3，熊小慧4

(1.中南大学机电工程学院，湖南长沙 410083;2.南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111;3.湖南铁道职业技术学院，湖南株洲 4120013;4.中南大学轨道交通安全教育部重点实验室，湖南长沙 410075)

采用实车试验方法对CRH2动车组通过隧道时新风换气装置影响车内压力波动的规律进行研究，研究结果表明:新风风机开启能够明显降低车内气压变化，列车通过二岩隧道时车内压力变化幅值关闭状态比开启状态大43%，车内3 s空气压力变化率关闭状态比开启状态大52%，车内1 s空气压力变化率关闭状态比开启状态大43%;风机处于开启状态，CRH2动车组220 km/h通过遂渝线沿线隧道时，车内3 s最大压力幅值为554 Pa，满足我国现行人体舒适性要求标准;风机处于关闭状态时，CRH2动车组车内最大压力幅值变化为1 291 Pa，车内3 s最大压力幅值为854 Pa、车内1 s最大压力幅值为401 Pa，超过了我国现行人体舒适性标准及日本新干线人体舒适性标准;风机处于开启状态时，CRH2动车组车内压力变化幅值与列车运行速度的n次方成正比，其中n值范围为1.0～1.2。

新风换气装置;实车试验;人体舒适性;CRH2动车组;车内压力变化

列车通过隧道和在隧道内交会时，会产生较大的车外空气压力波动，此压力波动传入车厢会引起车内的压力波动，从而冲击司乘人员的耳膜，造成耳鸣、耳痛等症状，影响乘坐舒适度。随着列车速度不断提高，压力波动幅度会随之增大，造成的不良反应也加剧，严重者会恶心、呕吐。国外高速列车发达国家对高速列车车厢气密性做出了非常严格的要求，致使车辆制造成本大幅度提高，尽管如此，这一问题并没有得到有效解决［1－4］。经实地考察［4］，法国的TGV高速列车在通过地下隧道进入巴黎车站过程中，车厢内的气压变化非常明显，由12人组成的考察团成员均有不同程度的耳鸣和恶心感觉，有两人出现了轻度呕吐。日本新干线列车也有类似现象［2，5－7］。2003 年在我国西南地区列车提速试验中，尽管列车最高运行速度不高(如南昆线仅为100 km/h)，且试验列车由气密性较好的提速客车组成，但大部分参试人员在列车过隧道过程中均感到由气压变化造成的明显不适。

控制车内压力较大波动，除了保证车体密封性以外，必须在列车的空调通风系统上进行改善。防止车外的空气压力波从空气的进气孔进入车厢，原则上有以下3种解决方法:

①压力保护阀:在客室进、排气风口各安装一个压力保护阀，当车内外空气压力差超过一定的限界值时，进排气压力保护阀同时关闭，空调机组只在车内系统内循环通风工作，不从车外引进新风。当车内外压差低于限界值时，进排气阀重新打开，恢复车厢正常进排风。此方法的问题是当通过隧道时，长时间的关闭新风口，会降低车厢内空气清新度。

②带有节气阀的通风机:在排气风道安装带有节气阀的排风机，用调节进、排风口的空气流量来调节补偿出现的车内外压力差。

③过压保护风机:过压保护风机的特性曲线坡度很大，即需要输送到空气流量不受压差的影响。在理想的情况下，每台进、出风机输送到空气流量是一个常数，保持不变。因此车外进入车内的空气流量与车内排除车外的流量也是一个常数。

CRH2动车组为解决由于隧道区间增大而引起换气质量降低、防止客室外压力变化影响客室内旅客乘坐舒适性的问题，采用了机外静压较大的换气装置，并采用逆变器进行转速控制。

CRH2动车组换气装置采用双向风机原理，由一台变频控制的双轴电机带动2台高压的高速离心风机进行动车组客室的进、排气。车外新风经过装有风量调节板的给风侧，被高压送风风机吸入，分别送到2台空调机组中，再由空调送至车厢内;客室内废排回风被高压排风风机吸入，进入装有电动机的换气装置的内部通道，再由装有调节板的废排风口排出车外。正常运行时，它可以保证从室内排出的风量与补充的新风风量相等，从而保证客室内空气压力恒定。图1为换气装置风机特性图，图2为换气装置工作时车内外压力波动对比示意图。

图1 不同风机特性曲线Fig.1 Characteristic curve of different fans

图2 换气装置工作时车内外压力波动对比示意图Fig.2 Comparison diagram of the pressure fluctuations inside and outside the car

采用主动式空气压力波动控制系统后，车内压力变化明显小于车外压力变化，该系统对抑制压力波动起了有效作用。CRH2动车组运营情况也表明换气装置具有有效地控制车内压力变化的作用，满足乘座舒适性要求。本文采用实车试验方法研究了换气装置对CRH2动车组车内压力波动影响规律。

1 试验工况和测点布置

为对比换气装置正常工作和关闭情况下，CRH2动车组车内外气压变化情况。具体试验工况如下:

(1)换气装置关闭，CRH2动车组通过隧道，试验速度为220 km/h，进行了1个往返。

(2)换气装置正常工作，CRH2动车组通过隧道，试验速度分别为 160，180，190，200，210 和 220 km/h，每个速度档运行3个往返。

CRH2动车组车体表面共布置了13个动态压力测点，具体测点布置见参考文献［8］。车厢内部空气压力变化直接影响旅客的舒适性，也反映出车厢气密性的优劣。CRH2动车组车厢内部测点布置了1个三维传感器、2个一维传感器，共10个测点。三维传感器安装在列车下行方向的第2节车厢中部，图3为其安装后的实物照片，6个测点编的定义如下:纵向，SWJ朝向井口站，SWH朝向合川站;垂向，SWS指向车顶，SWX指向地板;横向，SWC指向车窗，SWN指向室内。

2个一维传感器分别安装在端车的司机室和第2节车厢车门处。各测点编定义如下:司机室部位，指向司机室侧窗，指向室内;车门部位，指向车窗，指向室内。

图3 传感器安装实物图Fig.3 Sensor installation photo

2 试验结果与分析

2.1 试验重复性分析

为了分析系统的可靠性，对同一个速度档次下同一测点的多次测试结果进行了重复性分析。下面以CRH2动车组200 km/h通过二岩隧道时，对动车组车体5号测点和车厢内中部正对车窗测点的数据进行分析，表1为其测试结果，图4～图5为测试波形。从测试结果可知:重复性误差在2%以内，可以认为本次试验采用的测试系统具有较高的可靠性，测试结果重复性较好。

表1 CRH2动车组200 km/h运行重复性测量结果Table 1 Repeatability of the measured results when CRH2 EMU running on the speed of 200 km/h

图4 CRH2动车组200 km/h过二岩隧道时，车体5号测点测量结果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 换气装置运行和关闭时，车内压力变化比较

列车运行速度为220 km/h时，通过实车试验比较了换气装置正常运行和关闭情况时车内气压变化情况。表2给出了换气装置正常运行和关闭情况下，CRH2动车组220 km/h通过二岩隧道时，车内压力变化情况。图6给出了CRH2动车组以不同速度通过二岩无碴单线隧道时，换气装置开机和关闭时的CRH2动车组车内外压力变化情况。

图5 CRH2动车组200 km/h过二岩隧道时，车内正对车窗测点测量结果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和图6可以看出:列车通过二岩隧道时，换气装置开启时的车内压力变化幅值明显小于换气装置关闭时的车内压力变化幅值。由此可见，CRH2动车组换气装置在列车通过隧道时，能够明显降低车内气压变化，有效提高了列车过隧道时的旅客舒适性。因此，为保证旅客乘坐舒适性，列车通过隧道时换气装置须在开启状态。列车通过二岩隧道时，换气装置开启与关闭状态，车内压力变化幅值分别为903，1 292 Pa，关闭状态比开启状态大43%;车内3 s空气压力变化率分别为554，842 Pa，关闭状态比开启状态大52%;车内1 s空气压力变化率分别为281，401 Pa，关闭状态比开启状态大43%。

2.3 换气装置开启状态，车内外压力变化规律及与列车运行速度的关系

分别以CRH2动车组车厢内部SWC测点(室内三维传感器中正对车窗的测点)、车体外表面5号测点(下行方向第2辆客车车体中部)为例，分析列车过无碴轨道隧道时压力变化幅值与列车运行速度的关系。

表2 CRH2动车组220 km/h速度过二岩隧道时车内测点压力变化结果Table 2 Test results inside the car when CRH2 EMU passes through the Eryan Tunnel on the speed of 220 km/h

图7给出了CRH2动车组以不同速度、上下行方向通过二岩隧道时，压力变化幅值与列车速度的关系曲线，图中公式由幂函数曲线拟合得到。从图7曲线可以看出:随列车运行速度增加，测点压力变化幅值迅速增加，与列车运行速度的n次方成正比，其中车厢内部测点n值范围为1.0～1.2，车体外表面压力测点n值近似为1.9。

2.4 人体舒适性调查研究

气压变化环境下，人体舒适性不但与压力变化幅值和压力变化率有关，还与民族、国民习俗和对铁路的期望值等因素有关。英国、德国和日本等国对气压变化环境下人体舒适性标准各不相同。英国标准中不但考虑了压力变化幅值和压力变化率，还考虑了人体完成耳膜压力调节所需的时间，所考虑的因素较为全面、合理，这一点也得到了本次试验的验证，但从试验结果看，其标准值过于宽松。

从本次试验结果和对乘员舒适性调查，列车通过二岩无碴轨道隧道引起的乘客不舒适感最强，当列车以220 km/h速度通过二岩无碴轨道隧道时，车厢内3 s压力变化值最大达到842 Pa(风机关闭)，此时部分受访乘员有不同程度的不舒适感，有轻微耳痛感和明显耳痛感人数比例分别为39.3%和5.4%。当列车以200 km/h速度通过二岩无碴轨道隧道时，车厢内3 s压力变化最大为484 Pa，此时受访乘员中有轻微耳痛感、可以接受占11.1%;无明显耳痛感、乘坐舒适占88.9%。

图6 风机关闭和风机开启时，CRH2动车组车内外压力比较Fig.6 Test curve inside and outside the CRH2 EMU car when the fan are on the open and closed ondition

图7 车内、外压力变化幅值随列车运行速度的变化规律Fig.7 Change rule of inside and outside pressure variation amplitude with the speed of trains

(1)国内评价标准评判:CRH2动车组以200 km/h速度在遂渝线运行时，车厢内3 s最大压力变化幅值为484 Pa，满足人体舒适性要求。

(2)日本新干线人体舒适度标准评判:列车运行速度达到180 km/h时，车内最大负向压力变化幅值为514 Pa，对应的1 s压力变化率为208 Pa;列车运行速度达到200 km/h时，车内最大负向压力变化幅值为535 Pa，1 s压力变化率为242 Pa。列车以200 km/h速度运行时，压力变化幅值和1 s压力变化率与人体舒适性标准曲线的相对位置关系如图8所示，从图中可以看出，压力变化测试结果在人体舒适性标准中舒适范围内，满足人体舒适性要求。

图8 列车速度v=200 km/h时，测试结果与人体舒适性标准曲线相对位置关系图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 结论

(1)换气装置能够明显降低车内气压变化，列车通过二岩隧道时，换气装置开启与关闭状态，车内压力变化幅值分别为903，1 292 Pa，关闭状态比开启状态大43%;车内3 s空气压力变化率分别为554，842 Pa，关闭状态比开启状态大52%;车内1 s空气压力变化率分别为281，401 Pa，关闭状态闭开启状态大43%。

(2)换气装置处于开启状态时，CRH2动车组200 km/h通过遂渝线沿线隧道时，车厢内3 s最大压力变化幅值为484 Pa;CRH2动车组220 km/h通过遂渝线沿线隧道时，车厢内3 s最大压力变化幅值为554 Pa;均满足我国现行人体舒适性要求标准(800 Pa/3 s)。

(3)换气装置处于关闭状态时，CRH2动车组220 km/h通过遂渝线沿线隧道时，车厢内最大压力变化为1 291 Pa、车厢内3 s最大压力变化幅值为854 Pa、车厢内1 s最大压力变化幅值为401 Pa;超过了我国现行人体舒适性要求标准(800 Pa/3 s)及日本新干线人体舒适性要求。

(4)换气装置处于开启状态时，CRH2动车组车内、外压力变化幅值随列车通过隧道速度的增加而迅速增加，与列车运行速度的n次方成正比，其中车厢内部测点n值范围为1.0～1.2，车体外表面压力测点n值近似为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

铁道部科技开发计划项目(Z2007－057)

亢文祥(1961－)，男，山东青岛人，高级工程师，硕士研究生，从事动车组设计研究