CRH3A型城际动车组动模型试验研究

邢海英，李国良，刘青波，许鹏

(中国北车集团 长春轨道客车股份有限公司 技术中心，吉林 长春 130062)*

0 引言

中国铁路已经进入高铁时代，在线运营的动车组最高时速达350 km/h，随着列车速度的不断提高，列车运行阻力急剧增加，能耗过大，同时由于我国既有干线存在着线间距小、车况差等与国外不同的情况，列车提速出现了因负压过大将道渣吸起来砸坏列车设备，列车尾流影将周围物体的卷起，将交会列车车窗吸出来，震碎车窗玻璃等危及行车安全事件;还出现空调无新风进入，粉尘及杂物吸入车内的降低旅客舒适度，以及影响列车周围环境等一系列列车空气动力学问题，所以列车空气动力学性能的研究已成为列车提速的重中之重［1］;国内外铁路以改善列车空气空力学性能为基点，用各种方法从各个方面对其进行研究，并将研究成果应用在高速列车车头的研制上［2］.

高速动车组受空气动力学影响显著，空气动力学除了空气阻力、表面压力等常规项点外，动模型试验也是一项重要内容，动模型试验主要验证动车组明线交会、隧道交会过程中，对两列城际动车组等速度和不等速度明线交会压力波特性［3］，以及城际动车组穿越隧道和隧道内交会过程中的列车表面与隧道表面压力波传播规律、隧道洞口微气压波进行测试分析，为城际动车组的设计和运营提供科学依据［4］.

1 试验装置

中南大学是我国开展动车组动模型试验较早的单位，中南大学轨道交通安全教育部重点实验室自主研制了模型比例与速度处于国际领先水平的高速列车气动特性动模型试验系统，根据流动相似原理，通过弹射方式使模型列车在模型线路上无动力高速运行(即动模型)，真实再现高速列车交会与过隧道等空气三维非定常非对称流动现象，能够模拟两交会列车之间和列车与周围环境(地面、隧道、道旁建筑等)之间的相对运动，真实地反映地面效应.目前，世界上同类型的动模型试验系统还有另外一套建造于英国(动模型试验设备见图1)，两者的主要区别为中南大学的动模型试验线长度为164 m，比英国的试验线长32 m;最大模型比例为1∶16，而英国的最大模型比例为1∶25;中南大学的动模型试验速度可达350 km/h，而英国的只有 200 km/h［5］.

动模型试验系统由试验台、动力系统、加速系统、控制系统、测试系统、制动系统、数据处理系统和试验模型构成.

(1)试验台 试验台分上下两层，上层为动模型动车组运行试验线，下层为动力传递小车运行轨道.试验线为复线，铺设在轨道基础中部.试验线全长164 m，分为三段:发射段，试验段和减速段.在试验段上可安装各类隧道模型，用于动车组交会和动车组过隧道试验，如图2(a)所示;试验用模型动车组由2～3节车组成，缩比为1∶16～1∶25.2，如图2(b)所示，以适应不同线间距试验的需要.

图2 动模型试验试验台及模型车

(2)加速系统 为了实现动模型动车组的高速度，自主研制了二级动滑轮增速机构的加速系统，能使模型动车组从静止加速到500 km/h.

(3)控制系统 控制系统能可靠地控制动模型试验的整个运动过程，即控制弹射力加载(通过对弹射力进行检测，返回信号到控制系统)、安全预警、单端发射、单端车载系统与地面系统同步采样、双端同步发射、两交会动车组的车载系统和地面系统同步采样等，以确保在试验时获得时间和空间上一致的试验数据.可控弹射速度0～500 km/h.

(4)测试系统 由车载测试系统和地面测试系统两大部分组成.两个独立的子系统在控制系统的同步控制信号作用下协调工作，完成试验过程各参量的动态测量、数据采集及预处理.

车载测试系统:用于实时测量、采集、存储、传输动车组交会空气压力波、动车组表面压力分布、模型动车组运行速度等有关信息.由固化在一起的软件和硬件组成，软件包括实时采集、预处理、联机通讯与调试软件，硬件包括数据采集主板、传感器和适配器、串行通讯接口.

地面测试系统:用于实时测量试验段出入口的模型动车组运行速度、动车组过隧道时隧道内的空气压力变化以及环境参数等.包括瞬态压力传感器、低通滤波放大器、数据采集与分析系统.

(5)制动系统 由于动模型动车组内装有车载测试系统，若用电磁制动或涡流制动，为防止制动系统对车载测试系统产生电磁干扰，需要采取有效的抗干扰措施，但这样作将大大增加车载系统的质量，并且使测控系统变得极为复杂，因此，动模型试验装置采用机械制动方式.模型车在整个制动段的平均冲击力很大，如果制动措施不当，冲击力将急剧增加，为避免制动时动模型动车组冲击力和减速度过大，损坏车载测试系统和动模型动车组，在试验线制动段采用分级逐步减速停车，通过摩擦制动、活塞制动及其后的制动盘制动，使高速运行的模型动车组能在从500 km/h减速到最终停车.

2 动模型试验

2.1 试验内容

动模型试验研究主要包括明线列车风、明线交会、单车过隧道、隧道内交会等工况的测试和分析.

(1)明线运行 明线运行各速度下，距轨道中心3.0 m，轨面上方0.2、1.44 m 处列车风风速;

(2)明线交会 动车组交会压力波特性测试分析;

(3)单车过单线隧道 动车组表面压力波传播规律测试;动车组表面压力变化分析;隧道表面压力压力变化分析;隧道洞口微气压波测试分析;

(4)单车过双线隧道 动车组表面压力变化分析;隧道表面压力压力变化分析;隧道洞口微气压波测试分析;

(5)隧道内交会 动车组表面压力波传播规律测试;动车组表面压力变化分析;隧道表面压力压力变化分析;

2.2 试验工况

根据试验内容与要求，动模型试验工况如表1、表2所示，其中明线运行列车风工况(模型比例为1∶16.8)及单车过隧道工况(隧道断面为59 m2和线间距为42 m、隧道断面为80m2)均适用于表1;明线交会工况(线间距为4.2 m，模型比例为1∶16.8)及隧道交会工况(线间距4.2 m，隧道断面为80 m2)适用于表2.

表1 城际动车组明线运行、单车过隧道工况

表2 城际动车组明线、隧道交会工况

2.3 模型实际布置情况

动模型试验中，隧道模型与动车组模型的实际布置情况以及各种结构的模型见图3所示，在轨道和隧道模型设计时，严格控制模型阻塞比(动车组横截面和隧道净空面积比)和实际动车组过隧道的阻塞比相等.

图3 隧道断面尺寸分布图

2.4 模型测压点布置

图4为隧道壁面上的测压点布置示意图，试验中在隧道壁面上共布置有23个测点，图中可见的(即距隧道右端口进入的单动车组壁面较近的)隧道壁面测点数为15个，另一侧壁面的测点数为2个;另外，在出隧道口对应没缩比前10、20和30 m的位置分别布置了3个测点，用于检测隧道出口处的微气压波.

图4 隧道模型测压点布置示意图

动车组模型测点布置如图5所示:

T1～T16为动车组头车测点，其中:T1为头车鼻尖测点;T3为头车曲线部分顶部测点，T11为头车直线段顶部测点;交会侧测点:T2、T4、T7、T12、T14、T15、T16;靠近隧道壁测点:T5、T6、T8、T9、T10、T13.

Z1～Z13为动车组中间车测点，其中Z6为顶部测点;交会侧测点:Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z7、Z8 靠近隧道壁测点:Z9、Z10、Z11、Z12、Z13.

W1～W16为动车组尾车测点，其中:W3为头车曲线部分顶部测点，W11为头车直线段顶部测点，交会侧测点:W2、W4、W7、W12、W14、W15、W16，靠近隧道壁测点:W5、W6、W8、W9、W10、W13.

图5 动模型试验布点图

3 结果与分析

3.1 明线交会结果分析

(1)动车组交会压力波头波先出现正波，然后迅速变成负波，头波的正、负峰值在另一交会动车组头部鼻尖到达时产生;尾波则先负波后正波，尾波的负、正峰值在另一交会动车组尾车鼻尖点到达时产生;

(2)动车组最大交会压力波幅值如表3所示;

(3)动车组明线交会时，交会侧测点交会压力波幅值远大于非交会侧测点，且非交会侧受另一交会动车组影响小，交会压力波波形没有交会侧测点明显;

表3 最大交会压力波幅值

(4)比较不同交会速度下，相同测点的压力波幅值，可以发现速度对交会压力波的幅值影响非常大，交会速度越大，测点交会压力波的幅值越大.对于不等速交会，交会车的速度对测点交会压力波幅值影响比较大，但是，测试车本身的速度变化对测点交会压力波幅值影响比较小.

3.2 单车过59 m2单线隧道结果分析

(1)动车组表面鼻尖点位置处测点1压力正压峰值最大，幅值亦最大;其它测点幅值相对要小一些;

(2)由于单线隧道轨道位于隧道中心，流场具有较好的对称性，动车组表面两侧对称测点压力变化相差比较小;

(3)随着动车组运行速度的提高，动车组表面测点、隧道表面压力变化峰值增大，各速度下，最大压力变化幅值如表4所示.

表4 最大压力变化幅值(59 m2)

(4)微气压波幅值基本和距隧道出口距离成反比，200 km/h通过隧道时，离隧道出口10 m和20 m处的微气压波幅值为24.2 Pa和10.4 Pa.

3.3 单车过80 m2双线隧道结果分析

(1)动车组表面鼻尖点位置处测点压力变化幅值亦最大;其它测点幅值相对要小一些;

表5 最大压力变化幅值(80 m2)

(2)随着动车组运行速度的提高，动车组表面测点、隧道表面压力变化峰值增大，各速度下，最大压力变化幅值如表5所示;

(3)微气压波幅值基本和距隧道出口距离成反比，200 km/h通过隧道时，离隧道出口10 m和20 m处的微气压波幅值为18.8 Pa和8.8 Pa.

3.4 动车组80 m2隧道内交会结果分析

(1)动车组表面鼻尖点位置处测点压力变化幅值亦最大;其它测点幅值相对要小一些;

(2)各速度下，动车组表面测点、隧道表面最大压力变化幅值如表6所示.

表6 最大压力变化幅值

［1］Sockes H.The aerodynamics of trains［M］.New York:［s.n.］:2005.

［2］张经强，梁习锋.高速列车外形的气动性能数值计算和头部外形的改进［J］.计算力学学报，2003，20(5):631-635.

［3］田红旗，粱习锋，许平.列车空气动力性能研究及外形、结构设计方法［M］.北京:中国铁道科学，2002.

［4］余南阳，梅元贵.高速铁路隧道压力波动主要影响参数研究［M］.北京:中国铁道科学，2003.

［5］董锡明.现代高速列车技术［M］.北京:中国铁道出版社，2006.