城市快速轨道交通车辆废气排放异响问题分析

胡佳乔

(中车南京浦镇车辆有限公司，210031，南京//第一作者，高级工程师)

废气排放(以下简为“废排”)装置是城市轨道交通车辆空调系统的重要组成部分之一。轨道交通车辆通常采用自然排风式废排，应用非常成熟。但随着轨道交通车辆的最高运行速度由80 km/h提升至100～120 km/h，原有的废排装置在使用中出现了新的问题。

本文针对某120 km/h速度等级的轨道交通线路,其车辆在采用自然排风式废排装置遇到的异响问题，对异响的原因进行了分析和试验，并通过有限元分析手段，对原有方案和改进方案进行了分析，提出了相应的改进措施。

1 废排装置的布置和结构

1. 1 废排装置的布置

本项目为6节编组车辆，配置了4节动车和2节拖车。每节车布置有4个废排装置，安装在车顶的中间区域，动车和拖车中的布置位置相同。图1为动车车顶上废排装置布置示意图。

图1 轨道交通车辆废气排放装置布置图(动车车顶)

1. 2 废排装置的功能

轨道交通车辆空调系统正常工作时，为了维持车内空气的新鲜度，经空调机组处理后的空气由送风道送入客室内，排出的空气一部分由空调机组底部回风口回到机组，另一部分则从车顶废排口排出。

1. 3 自然排风式废排装置的结构形式

废排装置主要分为强迫式废排装置和自然排风式废排装置两种。前者通常由风机驱动，将车内空气强行排出；后者无外部驱动，以空调系统建立的正压为驱动力，将车内空气排出。本项目所用的废排装置为自然排风式，其结构如图2所示。该废排装置的核心结构是金属挡板和转轴。当轨道交通车辆空调机组工作时，在室内正压的作用下，客室内空气克服重力推动金属挡板绕转轴旋转，打开废排通道。

图2 废排装置结构剖面图

2 废排装置布置异响情况调查

2. 1 废排异响问题的确认

在本项目开通运营后，频繁出现了废排装置发出异响的情况。异响集中发生在列车的第3、4节车厢，而头部2节和尾部2节车并没有发生异响。为查找出问题所在，需要进行一系列的确认工作：

1) 对本项目的所有列车进行普查，确定了异响主要大部分发生在第3、4节车，其他车辆偶有发生。

2) 异响在进出隧道口处发生较频繁，但与列车是否在隧道内没有直接关系。列车在露天线路上运行时也会发生异响。

3) 为排除废排质量问题，采用换件法测试后发现，异响并未随废排装置的更换而转移，仍然集中发生在第3、4节车上。

2. 2 废排装置异响问题分析

1) 经过观察，猜测异响是由于废排挡板发生震颤或产生晃动后，与废排结构碰撞产生。因此，尝试将风口处四周胶条改为更加软质发泡胶条，并在挡风板上贴吸声材料，但此方法未能彻底解决问题。

2) 异响仅在第3、4节车集中出现，且故障不随部件更换转移，可以排除废排设施部件的质量问题因素。该废排装置在80 km/h速度等级的轨道交通系统中大量且长时间使用，均并未出现异响的类似问题。查阅相关文献资料后发现，列车速度提高后，车外的负压随速度增加而增大[1]，与80 km/h的速度相比，120 km/h速度下列车的车外负压增大近一倍；废排的排风性能也随着车外负压的增大而下降[2]；同时，根据一些研究的结果，列车车速达到90 km/h后，车外的压力波动最大幅值、3 s内压力波动幅值都将明显增大[3]。根据以上研究结果，推断本项目的废排装置异响问题是由于上述因素共同作用，废排挡板在外部压力快速变化的情况下产生了震颤和晃动，从而导致了异响的发生。

基于以上推断，尝试采用胶带固定废排挡板后，废排装置异响消失，从而确定了废排装置异响问题的原因。

3 120 km/h轨道交通车辆废排口压力仿真

3. 1 计算模型

考虑到列车实际运行时车外的压力变化具有一定的随机性，因此采用建立稳态模型的方式进行仿真，即：建立单节车模型，外部条件为120 km/h露天形式的稳态条件。采用流体动力学计算软件Fluent，对4个废排装置分别编号为1号、2号、3号、4号；为明确区别每个废排装置两侧的排风口，对编号进行再细分。如图3所示，以1号废排装置为例，其2个排风口的编号分别为1-1、1-2。

图3 车辆上废排装置排气口的编号

图4 单车节废排装置仿真模型

在模型中建立3个不同方案，其中图 4 a)为原始方案；图4 b)为方案1，在废排装置四周增加挡风板的导流罩；图4 c)为方案2，在方案1基础上，将废排装置全部包裹，仅在上方留有矩形排风口的导流罩。

3. 2 压力云图

将安装有图4中3种废排装置的列车分别进行稳态计算，车速设定为120 km/h。如图5所示，图5 a)为原始方案时4个废排装置的排气口位置压力云图；图5 b)和c)分别为方案1及方案2废排装置的排气口位置压力云图。

图5 废排装置仿真模型的压力云图

从图5可看出：原始方案中，同一废排装置的排气口压力差异很大；方案1情况与原始方案类似，在3号和4号废排装置中情况比原始方案更恶劣；方案2在同一个废排装置的2个排气口处压力基本保持一致，3号、4号废排装置的平均压力高于前两个方案，但两侧排风口压力保持一致。

3. 3 废排口平均压力计算

考虑到实际工程化的可行性，此研究阶段又增加了2个新的解决方案，如图6所示。

方案3：在方案1的基础上，取消了列车纵向方向挡板，并适当降低了横向挡板的高度；

图6 废排仿真模型2个新增方案的仿真模型

方案4：在方案2的基础上改进了导流罩的流线型设计方案。

通过仿真软件对单节车辆废排装置8个排气口的平均压力进行测算，结果如表1所示。

表1 单节车辆废排装置的排气口压力 Pa

3. 4 废排口压力分析

由表1可知，沿列车前进方向，前面2个废排的4个排气口位置(1-1、1-2、2-1、2-2)的压力情况为：不加导流罩时，4个位置压力差别很大，尤其是同一个废排装置左右2个排气口间的压差很大；安装方案1所示导流罩时，压力差明显减小；安装方案2所示导流罩时，4个位置的压力可认为近似相同，且压力幅值相对较小；安装方案3所示导流罩时，其效果类似于方案1，不同之处在于方案3各个排气口压力的绝对值比方案1各个排气口压力的绝对值小约20 Pa；安装方案4所示导流罩时，每个废排装置左右2个排气口的压差基本为0，且方案4前面2个废排装置上每个排气口位置的压力绝对值明显小于方案2的压力绝对值。

由后面2个废排的4个排气口位置(3-1、3-2、4-1、4-2)的压力情况也可得到上述相似的结论。方案4与前3种方案的另一个区别在于：方案4前后4个废排装置上所有排气口位置的压力均相差不大，且绝对值也较小，而前3种方案前面2个废排装置排气口位置压力绝对值较大，且与后两个废排装置排气口位置的压力有明显差距。因此，方案4的效果最好。

4 结语

列车最高运行速度超过80 km/h的轨道交通项目中，随着速度的增加，由于列车的车外负压增大、车外最大压力波动幅值和3 s内压力波动幅值增大等因素共同作用，导致了车辆废排装置排风性能下降，进而导致废排挡板无法克服重力并产生震颤和晃动，发出异响。因此，自然排风式废排装置的异响是由于其结构特点以及列车速度提高共同导致的，该废排结构不适合应用于速度较高的列车上。

在列车最大运行速度上升至120 km/h及以上时，由于空气动力学对车辆废排装置的影响，建议考虑采用强迫排风式或无挡板转轴结构的废排方式；如果仍然使用自然排风方式，且有类似挡板转轴结构时，可考虑添加导流罩。建议采用流线型外形的导流罩。

本文仅分析了轨道交通车辆在高速运行时废排排气口位置压力的情况，建议后续可综合考虑车辆内部气流与外部气流的共同作用情况进行更为深入的研究。