地铁车辆气密性影响因素及主要评价指标研究

李 梁，刘家栋，孙 瑶，虞鸿基

（1. 中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲 412005；2. 北方国际合作股份有限公司，北京 100040）

随着国家城镇化率的不断提高、人口向城市流动的加快，城市的发展范围越来越大，呈现向周边延伸的趋势。城市在进行轨道交通规划及建设时，无论是对线网规划还是对时空距离等方面的要求都发生了变化，如线路更长、乘坐时间更短等，这给城市快速轨道交通，如最高运行速度为120 km/h 的地铁迎来了新的发展机遇。随着城市快速轨道交通的逐步普及，以及车速的不断提升，在这些项目的建设中也相继出现了一些技术问题，如车辆气密性问题。对于已经运营的多数地铁而言，最高速度不大于 80 km/h 车辆的气密性问题可不用考虑，但当列车速度超过 80 km/h 时，由于隧道内空气压力变化，车辆会出现一些气密性问题，例如，列车运行速度为120 km/h 或以上，在线路上的部分区间或路段会导致司机、乘客出现耳鸣、耳痛等不适症状。

1 车辆气密性评价标准

根据整车气密性的定义，当乘客乘坐车辆时，对车辆气密性好坏最直接的感受是车内的压力变化，而车辆密封性能的好坏主要取决于车辆动态密封指数和静态密封性能2 个方面。目前，针对地铁车辆气密性评价的标准很少，但在市域车辆标准或相关规范中进行了详细规定，其中涉及120 km/h 速度等级气密性的主要标准有GB/T 37532-2019《城市轨道交通市域快线120 km/h ～160 km/h 车辆通用技术条件》、T/CCES 2-2017《市域快速轨道交通设计规范》和T/CRS C0101-2017《市域铁路设计规范》。

通过对这些标准的分析可知，针对有气密性要求的车辆，其动态密封指数都要求大于5 s，而静态密封性能指标可为120 km/h 的地铁车辆提供参考的有以下2 种规定：①车厢内空气压力由2 100 Pa 降至1 000 Pa 的时间不小于12 s；②列车通过隧道时产生的车内瞬变压力应小于800 Pa / 3 s。另外，根据国内外对压力舒适性的研究可知，人耳对压力的反应时间为3 ～4 s；目前，我国高速列车通过隧道时的人体舒适性标准也采用800 Pa / 3 s作为车内压力变化幅值的评价标准。

综合上述分析，120 km/h 的地铁车辆可采用800 Pa /3 s 或车厢内空气压力由2 100 Pa 降至1 000 Pa的时间不小于12 s 作为车内压力变化幅值的评价标准。

2 车辆气密性评价方法

评价车辆气密性的方法主要有时间常数法和等效泄漏孔面积法2 种，目前在运用过程中通常将2 种方法结合使用。

2.1 时间常数法

时间常数法采用时间常数τ 定义车辆及零部件的压力密封性，其计算公式为：

式（1）中，ΔP 为车内外压力差；dP/dt 为车内压力变化梯度。

一辆地铁车辆开始时的车内外压力差为ΔP1，经t （s）后的车内外压力差为ΔP2，则式（1）可改为：

一辆地铁车辆有i（i = 1，2，…，n）个部位，其气密性时间常数分别为τi，而整车的气密性时间常数为τ，则τi与τ 的关系类似物理学电阻并联的阻抗规律，其关系式为：

从式（3）可以看出，整车的气密性与车辆各个系统和部件的气密性密切相关，只有各个系统和部件的气密性指标大于整车的气密性指标时，才能保证整车气密性指标的要求。以上计算得出的τ 称为静态密封性能指标，记为τstat，而动态密封指数一般需要根据实车试验确定，记为τdyn。根据国内外的一系列研究总结和国际铁路联盟UIC 标准，一般取τdyn≈（1/3 ～1/2）τstat，目前国内一般取系数1/3。

2.2 等效泄漏孔面积法

等效泄漏孔面积法采用等效泄漏孔的面积大小评价列车的气密性能。等效泄漏孔的含义是将车厢的所有缝隙和小孔由一个泄漏孔表示，它们对车内压力变化所产生的影响是等效的，从而推导出等效泄漏面积A 的计算公式为：

式（4）中，V 为车辆内部容积；a 为本地声速；t 为泄漏持续时间；ρ 为空气密度；ΔP0为车厢内外泄压试验初始时的压力差；ΔP 为车厢内外泄压试验结束时的压力差。

3 车辆气密性影响因素

车辆气密性的影响因素多且复杂，国内外对高速铁路车辆的气密性、空气动力学等都有较深的研究，而其与地铁车辆各系统存在一定的差异，目前对于120 km/h地铁车辆的气密性要求和标准较少，但车辆自身气密性、隧道阻塞比、供电制式等主要影响因素同样存在，同时这些因素也直接或间接地影响车辆客室内的压力变化。

3.1 车辆自身气密性

地铁车辆整车由车体、车门、空调、贯通道、转向架、车钩等各系统组成，而车辆在运行时，与外界空气有直接接触或交换的主要系统有车体、车窗、车门、贯通道、空调等，因此研究整车的气密性主要从这些系统着手。地铁车辆上的泄漏点较多，如每辆车至少有8 ～10 套车门、6 ～8 套车窗，以及司机室侧门、紧急疏散门等；另外，地铁车辆载客量多，要求客室的新风量大，与外界空气交换多，这些都会增加车辆气密性控制的难度，因此对于120 km/h 的地铁车辆，气密性控制和设计具有较大的难度。

当列车运行时，外界的空气压力将通过车体传送到车内客室，因此车辆自身的气密性是影响车内压力变化的重要因素。车辆自身的气密性越好，列车在隧道内运行时，车内的压力波动或变化则越小；但如果一味地提高车辆气密性，从技术实施角度看无必要，也不可行，而且会付出更高的车辆成本。高气密性将带来列车全寿命周期内的高成本，并非越高越好，因此应结合乘客乘坐舒适范围允许的压力变化综合考虑，从而最终确定不同类型车辆的气密性。本文通过大量的模拟仿真和试验测得的数据得出车辆动态密封指数τdyn对于车辆压力变化的影响，如图1 所示。

由图1 可得，随着τdyn的提高，车辆客室内部的压力变化逐渐减小，尤其当τdyn接近2.5 s 时，车内的压力变化越来越小，因此，车辆自身的密封性能对于改善车内的压力变化具有非常大的影响。图1 显示，当τdyn= 2.5 s 时，车辆客室内部的压力变化小于500 Pa/s；当τdyn= 3 s 时，车辆客室内部的压力变化开始小于400 Pa/s。

通过图1 分析，对于120 km/h 的地铁车辆，如有气密性要求，可以考虑设置τdyn大于2.5 s，此时车辆客室内部的压力变化小于500 Pa/s，该值能满足TB/T 3503.3-2018《铁路应用-空气动力学标准 第1 部分：符号与单位》中的要求，即列车通过隧道时产生的车内压力应小于500 Pa/s 的要求。

图1 车辆动态密封指数τdyn 对车内压力变化的影响

在整车气密性确定之后，车辆各部件的指标也需要根据整车进行合理的分配，如根据T/CRS C0101-2017《市域铁路设计规范》的要求，在整备状态下，单节车辆关闭门窗及空调设备的对外开口时，车厢内的空气压力由2 100 Pa 降至1 000 Pa 的时间不小于12 s，则根据式（2）可得：当整车动态密封指数的系数取1/3 时，则τdyn= 5.39 s。各个部件在进行车辆静态密封试验时，至少应保证大于2 100 Pa，一般打压到3 000 Pa，然后从2 100 Pa 开始统计泄漏时间。由于每个部件打压的试验体积并非装车时真正的受压体积，因此还需要根据等效泄漏孔面积公式进行换算。各个部件的指标τi可根据下式进行计算：

式（5）中，V "为部件气密试验密封腔容积；V 为车辆容积；Δp1为整车气密试验初始时的内外压力差；Δp2为整车气密试验结束时的内外压力差；为部件气密试验初始时的内外压力差；为部件气密试验结束时的内外压力差；为部件气密试验时降到所需的时间。

在计算出各个部件的τi值之后，可得出整车的静态密封性能指标τ。

3.2 隧道阻塞比

当列车运行至隧道或在隧道内相遇时，隧道内的空气压缩形成压力波动，进而引起车内压力发生变化，影响车内乘坐的舒适度。隧道直径不同，列车通过时客室内的压力变化率也不同。通过在深圳地铁11 号线中对直径为5.4 m 和6.0 m 2 种隧道进行测试发现，车辆在直径为6.0 m 的隧道中运行时，其压力波动要明显小于在直径为5.4 m 的隧道，且其值小于800 Pa /3 s。具体测试结果如表1 所示。

车辆阻塞比β 可以通过车辆在隧道内的投影面积A车辆与隧道截面净空面积A隧道之比获得，即

如果隧道截面积越大，阻塞比则越小，车辆在隧道内运行的气动阻力也越小。但过大的隧道面积会增加工程建设成本，因此需要合理选取。

通过国内多个项目工程的建设经验，目前大多数项目的取值不一，部分120 km/h 地铁车辆的阻塞比和隧道内径如表2 所示。

在T/CCES 2-2017《市域快速轨道交通设计规范》中涉及到120 km/h、140 km/h 和160 km/h 3 种速度等级的最大阻塞比，结合既有项目的实际数据和标准分析，适用于120 km/h 速度等级的阻塞比建议应不大于0.4，隧道内径不小于6 m。

表1 深圳地铁11 号线不同隧道直径的压力变化情况

表2 国内部分120 km/h 地铁车辆的阻塞比与隧道内径

3.3 供电制式

地铁车辆大多数采用DC1500V 供电，动车组或速度在160 km/h 及以上的车辆多数采用AC25kV 供电。采用DC1500V 供电时，接触网洞内的高度一般为4 040 mm 左右；采用AC25kV 供电时，由于绝缘间隙增大，以及大多数采用柔性接触网，其接触网洞内高度一般为4 400～5 300 mm。接触网洞内高度增加，车辆隧道截面则增大，因此如果采用AC25kV 供电，其隧道截面积增大，阻塞比减小，车辆在隧道内运行的气动阻力也将减小。

对于地铁车辆在隧道中运行，还存在其他的影响因素，如隧道中间的通风风井、线间距、隧道入口等都会对车辆的空气动力学性能产生一定的影响，从而影响车辆的气密性。

4 提升车辆自身气密性的应对措施

对于车辆本身的气密性，应从加强其密封性着手，即各个系统在车辆设计阶段开始确定应对措施，然后根据整车要求对各个部件进行合理分配。

4.1 车体

车体建议采用铝合金鼓型车体，结构采用长纵连续焊缝，以保证车体的密封。生产的首列列车车体大部件的所有焊缝应进行着色渗透探伤检查，如有问题焊缝，须去除问题焊缝，重新焊接后再探伤。对于首列列车，所有外部设备在车体上的开口，在焊接时采用满焊保证密封，并做渗透探伤检查。对于后续生产的车体，按照一定比例对该类型焊缝进行探伤检查。对于车内的焊接工艺孔，在组焊完成后须焊接填充，并进行渗透探伤。

4.2 车窗及车门

针对车窗气密性，一般在车窗与车体之间采取密封圈涂密封胶的方式密封。地铁车辆的车门数量多，对保证车辆的气密性非常关键，随着速度的提高，车辆在隧道内的气动阻力增大，车内外压力差也随之增大，因此传递到车门的压力则增加。目前，对于车门的气密性，一般采用增加车门辅助锁闭装置、车门厚度及密封等措施密封。当速度从80 km/h 增加到120 km/h 时，压力将增加2 倍左右，因此车辆门扇的抗压能力需要提高。80 km/h 地铁车辆的门扇厚度一般为32 mm，而对于120 km/h 的地铁车辆，根据经验计算，建议其门扇厚度为43 mm。根据单个部件气密性试验要求，43 mm 厚的门扇，气压由4 000 Pa 下降到1 000 Pa 时的保压时间将达到210 s 以上，为整车的气密性提供了更多保障。

4.3 贯通道

对于贯通道，首先需要加强自身部件的密封性，如折棚，其自身密封性应良好，棚布与棚布之间应添加胶带；另外，需确保贯通道与车体连接的密封性，折棚和车体安装框之间采用橡胶密封胶条密封，胶条的压缩量依靠四周密封圈锁闭装置的压紧力保证。对于采用分体式的贯通道，还需要加强对接框的密封。

4.4 空调

空调应从空调机组与车体密封性安装及空调机组内部密封处理两方面保证，尤其是空调机组的对外接口部分，如新风进风口、废排排风口以及雨水排水口。在新风进风口及废排排风口均设有气动压力波保护阀，当需要时，气动压力波保护阀动作，关闭该两风口，可抑制车辆在通过隧道时外界压力变化对客室内的影响。雨水排水口采用集中排放的方式，空调机组内收集的雨水通过车上的排水管统一排出车外，排水系统与车内完全隔离。

控制空调废排口关闭的另一种方法是测试出一条线路中压力波动较大的位置点，当车辆行进到这些位置点时，列车控制系统提前关闭废排口。这种方法的优点是车辆配置没有增加，但其测量方法耗时长，在前期也不能预测到车辆压力的变化。该方法在深圳地铁11 号线进行了试验验证，在车辆其余部位密封情况良好的条件下，通过测试得出在压力变化较大的点对废排口未关闭和关闭车辆的车内压力变化对比，如表3 所示。

表3 废排口未关闭和关闭车内压力变化对比

由表3 可以看出，在车辆其余部位密封情况良好的条件下，由于废排口直接与车外大气接触，通过对其控制能较好地控制车内的压力变化。

综上所述，为保证气密性，车辆需增加许多配置，从而增加其质量，具体如表4 所示。

表4 考虑气密性后车辆主要配置及质量变化

以A 型车为例，如每节车设置10 个车门，则每节车共增加约1 700 kg，轴重相应增加0.4 t 左右，因此在车辆设计前期，如要求车辆具有良好的气密性，车辆轴重也应在原有的基础上进行相应的增加。若要提高车辆气密性的要求，建议120 km/h 的B 型地铁车辆轴重为15 t、A 型地铁车辆为17 t。

5 结语

随着我国城市建设进程的加快，尤其是一线、省会城市等，城市轨道交通逐步呈现出线路长、速度高的发展趋势。目前国内120 km/h 的地铁车辆项目越来越多，之前绝大多数地铁车辆都未考虑车辆的气密性，因此在实际运行过程中部分项目出现了一些影响乘客乘坐舒适性的问题。对于120 km/h 的地铁车辆，气密性设计需综合考虑多种因素（如车辆成本因素、供电制式、自身的气密性、外部影响因素等），并结合线路实际条件，若必须对车辆气密性进行规定，建议车辆价格应高于目前没有气密性要求的车辆限价，供电制式可结合隧道内径和阻塞比等综合考虑。