高速铁路线间距对列车交会压力波的影响研究

乔英俊 何德华 陈厚嫦 张 超

(中国铁道科学研究院机车车辆研究所, 北京 100081)

高速铁路线间距对列车交会压力波的影响研究

乔英俊 何德华 陈厚嫦 张 超

(中国铁道科学研究院机车车辆研究所, 北京 100081)

文章对高速铁路固定设施的线间距与列车交会压力波之间关系理论进行了阐述，并以线间距和列车交会压力波关系为理论依据，实际测试不同线间距下列车交会压力波数据，另外采用仿真计算的方法对典型动车组不同线间距下列车交会压力波进行了计算。根据实测和数值仿真数据分析了线间距对列车交会压力波的影响关系，得出交会压力波与线间距关系拟合曲线。研究表明，交会压力波与线间距近似呈负指数关系。最后分别对250km/h和350km/h速度等级线路下列车交会压力波进行了预测分析，在实测数据的基础上获得列车更高速度级下交会压力波变化情况。结果表明，现有线间距满足列车以更高速度运行的交会压力波要求，且有较大的安全裕度。

高速铁路； 线间距； 交会压力波

高速铁路固定设施是承载高速铁路运输生产的重要基础，正确选择线桥隧等设计参数，是保证高速铁路取得良好经济、社会和环境效益的关键。当前世界高速铁路固定设施在诸多方面已取得了显著的进步，设计施工水平的提高助推了高速铁路向更高速度、更高安全和舒适性、更高标准方向发展，相应地开展更高速度铁路固定设施技术标准研究显得必要而意义深远。线间距是指复线铁路相邻两股道线路中心线之间的最短距离，是高速铁路固定设施最核心的参数之一，其参数确定直接影响到铁路建设的成本。在动车组运行性能方面，线间距与复线运行的高速列车(车速达200km/h及以上时)空气动力学性能直接相关，动车组交会时引起交会列车之间气流的剧烈扰动，继而影响车辆行驶安全性和舒适性。所以，研究并确定合理的线间距既能保证列车高速运行交会时的安全性，又可以节约工程用地，对减少线路的建设成本具有重要意义。

1 国内外线间距及气动载荷参数标准

理论上，高速铁路线间距越大，列车交会时相互之间的空气动力学性能影响越小，会车压力波则越小，相应的高速列车运行稳定性、平稳性、舒适性等指标随之提高。但是由于高速铁路线间距与高速铁路建设成本直接相关，在很多时候还与地理环境直接相关。确定合理的高速铁路固定设施线间距，是高速铁路系统整体性能提升的重要一方面。从1964年日本建设世界第一条高速铁路——日本新干线以来，高速铁路发展的50年中，高速铁路在世界各国不断出现，各国高速铁路线间距均使用不同的线间距参数。世界各国典型已建及在建的高速铁路线间距参数，如表1所示。

表1 世界各国典型级高速铁路线间距与运营速度关系

我国铁路部门在《铁路技术管理规程》对高速铁路固定设施中双线线间距也做了规定如表2所示。其中新建高速铁路线间距主要采用的参数标准应用较多的有两种，一种是用于250 km/h速度级的线路的4.6 m线间距，另一种是用于350 km/h速度级的5 m线间距。另外还有4.4 m对应200 km/h以及4.8 m对应300 km/h线路，在目前已建成的高速线路中较少应用。

表2 客运专线线间距(摘取)

我国在高速铁路发展过程中，制定了适用于我国动车组运用的一系列标准，并在这些标准中对列车空气动力学性能做出了具体的规定，根据TB10761-2013《高速铁路工程动态验收技术规范》第7.0.2条款规定，参考铁运〔2008〕28号《高速动车组整车试验规范》第24.1.4条款，以及运装客车〔2010〕253号《时速350公里新一代动车组技术条件》中第5.12.1及5.12.5条款中对列车车体承受的气动载荷做出规定：对于350 km/h以下速度级高速列车，车窗玻璃外表面的压力波幅值应小于4 000 Pa；对于350 km/h及以上速度级高速列车，车窗玻璃外表面的压力波幅值应小于6 000 Pa。

2 理论基础

高速行驶的列车会使周围的空气(流场)受到强烈扰动，当两列相对行驶的列车交会时，这一扰动将会加剧，尤其是一列车的头部或者尾部通过另一列车的瞬间，将引起另一列车交会一侧表面的空气压力发生突变，形成瞬态压力冲击，在约几十毫秒之间相继出现正、负压力峰值，这一瞬态压力冲击即为列车交会瞬态压力波。

描述列车交会空气压力波大小的量是列车交会空气压力波幅值，也称为全波，用ΔP表示，其值等于空气压力波正波幅值ΔP+和ΔP-的绝对值之和，即：

ΔP=|ΔP+|+|ΔP-|

(1)

式中：ΔP——列车交会压力波幅值(Pa)； ΔP+——列车交会压力波正波幅值(Pa)； ΔP-——列车交会压力波负波幅值(Pa)。

等速交会时，列车交会速度与压力波幅值之间服从如下关系：

(2)

式中:a——压力波、等速交会时列车速度有关的系数；V——交会列车相对速度。

列车交会压力波大小与交会时两车之间的车间距有直接的关系，线间距D1和车间距Dt差一个车辆宽度B，即

D1=Dt+B

(3)

我国线路上运行的各型号动车组车体宽度均不相同，但受铁路限界所限，车体宽度均相差不大，目前我国高速铁路运行的主力高速动车组车体宽度如表3所示。由表可以看出，车间距相差最大的为CRH2和CRH5型车，两者车体宽度最大相差为180 mm。

表3 我国各型高速动车组的车体宽度(部分)

为研究线间距对交会压力波的影响，本文取交会列车车体宽度一致，忽略车体宽度不同对交会压力波带来的影响，现有文献研究有列车交会压力波与线间距服从以下关系式：

(4)

式中：a、b、c——分别是与压力波、线间距、车体宽度有关的系数；

D——线间距(m)。

目前复线上运行的列车全部是相向而行，在区间影响线间距的主要因素是列车交会时产生的会车压力波。高速列车的交会工况通常有明线上交会和隧道内交会两种情况，对线间距列车在隧道内交会，由于两列车分别从隧道两端进出隧道的瞬间，都会产生压缩波和膨胀波，再加上列车交会引发的空气压力冲击波，各种波在隧道内的传播过程中不断发射并相互叠加，其空气动力压力变化形成的波系比单列车过隧道更为复杂，对列车整体空气动力学性能造成更复杂的影响，不能直观的反映列车在不同线间距下交会压力波的变化规律，本文仅讨论明线交会下的交会压力波和线间距之间的关系。

3 交会压力波实车测试及分析

本节通过线路实测的空气动力学交会压力波数据来研究线间距对交会压力波的影响。选取了最具有代表性的实测明线交会列车空气动力学性能数据进行分析。

图1 不同线间距下列车交会压力波波形

实车测试在头车中部位置布置测点，试验线路线间距分别为4.3 m、4.4 m、4.6 m、4.8 m和5.0 m，测试系统实时采集动车组交会压力波数据，图1为不同线间距下动车组以250 km/h进行交会试验的实测交会压力波形，图2为实测列车交会压力波幅值随线间距变化情况。

图2 实测交会压力波随线间距变化关系

由实测交会压力波最大幅值变化趋势，可以明显看出列车空气压力波幅值随线间距增加而减小。对各线间距下的空气压力波变化进行指数拟合，得到拟合公式如下:

P=64 556e-0.94D，R2=0.923

(5)

式中：P——交会压力波幅值(Pa)；D——线间距(m)；R——相关系数。

由交会压力波幅值的指数拟合曲线，可以看出列车交会压力波与线间距呈较高置信度的负指数关系。

4 交会压力波仿真计算及分析

为了深入探究交会压力波随线间距的变化规律，采用仿真计算的方式进行不同线间距下列车交会压力波的研究计算。采用简化的3辆车计算模型，交会计算采用地面不动，两动车组以真实速度相对运行的方式设定计算条件。动车组为无滑移壁面，并以车速相向运行，地面为固定无滑移壁面，明线交会外场为压力出口。计算网格均采用ICEM划分，除动车组周围小部分区域由于结构复杂使用非结构网格外，其他空间全部采用结构化网格，以提高网格质量和效率。建立明线交会动车组网格如图3所示，头车附近网格如图4所示。

图3 明线交会动车组附近网格

图4 头车附近网格

本文为验证交会压力波随线间距变化关系，对建立的三辆动车组计算模型进行明线交会下的空气动力学性能仿真计算，计算选取交会侧的头、中、尾车窗中部三个位置作为监控点如图5所示。

图5 动车组明线交会监控点位置示意图

监控点进行压力时域变化数据的输出，计算线间距分别为4.4 m、4.6 m、4.8 m和5.0 m。图6为计算中间过程的压力云图。

通过计算得到各监控点的交会压力波数据，选取头车中间位置监控点的数据进行分析。图7绘出了该监控点在不同线间距明线交会时的气压变化情况。图8为压力波变化幅值随线间距变化曲线，图中给出了压力波幅值随线间距变化的负指数拟合曲线。

图6 动车组云线交会仿真计算压力云图

图7 不同线间距下列车交会压力波波形图(仿真)

图8 计算交会压力波幅值随线间距变化关系

由图7可见，在仿真计算中，监控点的交会压力波形状基本相同，随着线间距的增加，压力最大值随之减小。

对仿真计算的交会压力波幅值与线间距进行负指数拟合，得到仿真计算下的交会压力波幅值与线间距拟合曲线如下：

P2=49 998e-0.87D，R2=0.982

(6)

式中：P2——交会压力波幅值(Pa)；D——线间距(m)；R——相关系数。

图8可以看出：随着线间距的增加，压力波幅值随之减小，变化趋势明显，且整体变化趋势呈较高置信度的负指数变化。仿真计算的交会压力波与实际测试的压力波幅值大小相接近，仿真效果良好。

5 更高速度下交会压力波适应性分析

为分析当前线间距对高速列车运行的适应性，分别对250 km/h(4.6 m线间距)和350 km/h(5.0 m线间距)两种等级线路下的动车组交会数据进行数值计算，并根据计算结果采用适合列车空气动力学与速度关系的二项式拟合，得出更高速度时交会压力波的理论幅值，绘制其随速度变化趋势。

(1)250 km/h等级线路(4.6 m线间距)下列车分别以不同速度进行交会时计算。得到在250 km/h等级线路下列车交会压力波随速度变化关系如图9所示。其中250 km/h及以下速度级为实测数据结果，250 km/h以上为根据变化趋势而得到的理论结果。

图9 250 km/h等级线路下(4.6 m线间距)列车交会压力波随速度变化关系(预测)

(2)350 km/h等级线路下5.0 m线间距列车分别以不同速度进行交会时计算。得到在350 km/h等级线路下列车交会压力波随速度变化关系如图10所示。其中350 km/h及以下为实际测试结果，350 km/h以上为根据变化趋势预测结果。

图10 350 km/h等级线路下(5.0 m线间距)列车交会压力波随速度变化关系(预测)

由预测数据可以看出，在250 km/h和350 km/h等级线路条件下，列车交会压力波最大幅值满足现有标准要求，且有较大的安全裕度。由此也可以看出，目前两种速度等级的高速铁路仅从交会压力波影响方面来看，具备列车以更高速度运行的条件。

6 结论和建议

本文从列车空气动力学的角度，对高速铁路线间距对列车交会压力波的影响进行了研究，得到如下结论：

(1)列车交会压力波幅值随线间距变化明显，压力波幅值随着线间距增大而减小，近似呈高置信度的负指数关系。

(2)在线路实测和仿真计算两种情况下进行交会压力波幅值与线间距关系的分析研究，仿真与实测结果趋势一致。

(3)目前250 km/h和350 km/h速度等级线路下列车产生的交会压力波幅值能够满足列车高速运行时气动安全性要求，且有较大的裕度。单纯从明线交会工况来看，现有线间距满足以更高速度运行的交会压力波要求。

随着我国高速铁路的不断发展和完善，深入探究列车高速运行时产生的空气动力学效应对提升现有高速铁路技术水平具有深远的意义。在现有研究的基础上，继续开展对复杂路况下，如隧道、明洞、挡风结构下列车运行及交会压力波的研究十分必要。

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(编辑：赵立红 张红英)

Study on Influence of Line Spacing of High Speed Railway on Pressure Wave Due to Meeting of Two Oncoming trains

QIAO Yingjun HE Dehua CHEN Houchang ZHANG Chao

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences，Beijing 10081,China)

The theory of relationship between line spacing of fixed facilities and pressure wave due to meeting of two oncoming trains is expounded in this paper and based on it, the pressure wave data due to meeting of two oncoming trains under the conditions of different line spacing is practically tested, moreover, the pressure wave due to meeting of two typical oncoming EMUs under the conditions of different line spacing is calculated by simulation calculation method. The fitted curve of relationship between pressure wave and line spacing is got by analyzing the influence of line spacing on pressure wave according to actual measurement and numerical simulation data. The research result shows that it is negative exponent relationship between pressure wave and line spacing. Finally, the regression analysis is made respectively on pressure waves due to meeting of two oncoming trains at a speed of 250 km/h and 350 km/h. On the basis of the measured data, the change of the pressure wave under higher speed level is got. The result shows that the existing line spacing meets meeting pressure wave requirements under higher running speed and it has a large safety margin.

high speed railway; line spacing; meeting pressure wave

2016-08-04

乔英俊(1986-)，男，工程师。

1674—8247(2016)06—0007—05

U

A