高速列车压力舒适性环境特征的实车试验研究

王志钧，梅元贵

(兰州交通大学 甘肃省轨道交通力学应用工程实验室，兰州 730070)

0 引言

在高速列车通过隧道过程中，诱发了车外剧烈的压力波动。车外压力通过车辆结构中的不规则缝隙传入车内，产生车内压力波动，带来了车内乘务人员和旅客耳感压力舒适性问题[1-2]。为保证高速列车车内人员压力舒适性，国外学者研究提出了单一性和复合型的舒适性标准[3-4]，为隧道净空面积合理选择[5]和列车密封设计提供了依据[6]。在国内外压力舒适性标准中，采用了对不同时间间隔内最大压力变化量进行限值的方法，考核高速列车是否满足压力舒适性要求。

高速列车隧道压力波及相关舒适性问题研究方法主要有实车试验、缩尺动模型试验、压力舱试验和数值模拟等研究方法[7-9]。Gawthorpe等[4]采用压力舱试验方法，根据耳咽管平衡作用机理提出车内升压时比降压时更容易发生耳鸣现象，并总结了不同情况下的舒适性标准和七级舒适度调查问卷方法。Schwanitz等[10]采用实车试验、压力舱试验方法，研究了车内志愿人员的耳部不舒适性，得出列车通过隧道时乘客耳感不舒适性显著增强且其和压力变化的持续时间密切相关。King[11]等对环境压力变化下的机舱人员耳部气压创伤进行研究，指出由于海拔变化引起大气压力的持续变化将引发人耳不适甚至会产生耳部气压创伤，且指出耳部的气压创伤与压力变化速度有关。Rocchi等[12]以意大利ETR1000高速列车为对象，进行实车试验研究，得到了车辆不同位置处的车内外压力分布特征。刘堂红等以实车为对象测试研究了国内遂渝线隧道压力波和微气压波的变化规律[13]，并根据合武线实测数据，研究了隧道长度对CRH2A动车组车内压力和每3 s压力变化量的影响特征[14]。王建宇等[15]根据遂渝线实车试验数据，研究了车外压力向车内传递的规律，提出了在较长隧道下车辆密封性对压力传递“衰减”作用变差的特征，给出了“折减系数”的估算方法。马伟斌等[16]总结了国内多条高速铁路线路上隧道内压力波等测试数据的变化规律，得出了每3 s内最大压力变化量单一型限值标准不适用长大隧道的结论，建议采用多时间间隔复合型的舒适性标准。何德华等[17]采用舒适性事后5级调查问卷方法，根据实车试验结果探讨了基于每1 s和每3 s内最大压力变化量组合的舒适性判据。此外，德国学者Berlitz等[18]采用一维流动模型特征线法数值模拟方法，研究了气密指数和隧道长度对车内外压力变化的影响特征，提出了密封车辆的“气密效率”的概念。梅元贵等[19]采用一维流动模型特征线法和基于气密指数的车内压力计算模型，研究了单列车通过不同长度隧道特别是特长隧道下车内外压力变化的特征，给出了国内外不同舒适性标准的适用性特征和相关建议。

我国时速350 km标准动车组采用不同时间间隔内最大压力变化量的复合型压力舒适性标准来考核车内人员压力舒适性环境[20]。但是在列车设计和制造时，只能通过单节整车静态试验指标来控制舒适性[6]，在实际线路上通过测试车内外压力验证是否满足舒适性标准限值。针对高速列车线路上运行特别是通过隧道时，有关车内压力舒适性环境变化特征及其主要参数的影响特征的系统研究，公开报道的研究成果较少。

本文采用实车试验方法，在分析车内外压力测试数据的基础上，将车内每1 s、3 s、10 s和60 s内最大压力变化量的大小来定义列车通过隧道或明线时的车内压力舒适性环境特征，研究车内外压力变化与不同时间间隔内最大压力变化量时间历程的对应关系，并且分别研究车内不同时间间隔内最大压力变化量正负值，得出明线或隧道线路坡度、隧道长度、列车速度和隧道群对车内舒适性环境参数的影响特征，通过试验结果归纳整车气密效率的分布特征并探讨其和压力舒适性环境参数之间的关系。

1 研究方法

1.1 试验概况

本文实车试验在大西科学试验段上进行，试验进行于2016年10月底到11月初，当地气温介于−5 ℃～9 ℃之间，空气较为干燥，风力较小。试验列车为我国某型8节时速350 km标准动车组。试验区段内共有隧道8座，均为双线隧道。隧道长度分布特征具体为：短隧道1座（100 m）；中长隧道4座（565 m、1467 m、1506 m和2742 m）；长 隧 道3座（3083 m、5456 m和6008 m）。1467 m隧道与2742 m隧道间距为55 m，具备“隧道群”特征。试验区段最大坡度为30‰，隧道内最大坡度为19‰。全线海拔高度位于750～1100 m之间。

1.2 数据采集系统

数据采集系统由压力传感器、数据采集器和计算机组成。车外和车内压力传感器采用ENDEVCO公司生产的8515C-15型纽扣式压力传感器和德鲁克PTX5072型压力传感器。全车共布置14个车外测点和10个车内测点，其中中间车外两侧上、中、下各布置一个测点，其余测点位置如图1所示，蓝色和红色块分别表示车内外压力传感器。车外和车内压力测点布置分别如图2（a）和图2（b）所示。

图1 压力测点及数采系统布置图Fig. 1 Pressure sensor and data acquisition system layout

图2 车内外压力测点布置Fig. 2 External and internal pressure sensor layout

数据采集器采用DH-5929型数据采集仪，布置于头车、中间车和尾车客室内部；不同车厢的压力测点连入各车厢的数采仪器之后，再由长距离光纤接入放置在中间车车客室内的交换机，之后通过网线接入放置在中间车客室内的计算机中，由计算机统一控制数据开始采集与终止。

1.3 数据处理及重复性验证

根据文献[21]要求，采样频率应不低于5倍的车速和列车鼻长的比值，滤波器截止频率应小于采样频率的1/4[21]。在进行数据处理时，先将初始1000 Hz采样频率降低为200 Hz，后对数据进行截止频率为5 Hz的滤波处理，消除对数据分析产生影响的高频干扰。

本试验在250～350 km/h范围内进行。图3表示列车以330 km/h两次通过1506 m隧道头、中、尾车车内外压力时间历程曲线对比。头车的车外和车内最大压力峰峰值分别相差5.59%和7.48%，曲线相关性系数分别为0.896和0.988；中间车的车外和车内最大压力峰峰值分别相差6.37%和6.34%，曲线相关性系数分别为0.922和0.991；尾车的车外和车内最大压力峰峰值分别相差8.67%和2.61%，曲线相关性系数分别为0.921和0.988。由试验结果可知，两次测试中头尾车车内外压力的波形一致，重复性良好，说明试验系统稳定可靠。

图3 单列车通过1506 m隧道两次试验结果比较Fig. 3 Comparison of two experimental results of a single train passing through a 1506 m long tunnel

2 试验结果和分析

2.1 列车通过隧道时压力时间历程特征

图4表示列车以约340 km/h通过长度为5456 m的隧道时，车内压力舒适性环境变化特征。其中图4（a）为隧道压力波传播轨迹图；图4（b）和图4（c）分别为列车头车内外压力时间历程曲线和头车车内Δp/1s、Δp/3s、Δp/10s和Δp/60s时间历程曲线。由图4可知：

图4 列车通过5456 m隧道车内压力舒适性环境变化特征Fig. 4 Characteristics of internal comfort environment change for the train passing through a 5456 m long tunnel

1）头车驶入隧道，在隧道入口端产生压缩波“CN1”；尾车驶入隧道时产生膨胀波“ET1”。压缩波“CN1”和膨胀波“ET1”分别以当地声速沿隧道长度方向传播，并到达隧道出口时分别反射回膨胀波“EN1”、压缩波“CT1”，再次传播至隧道入口端反射回压缩波“CN2”和膨胀波“ET2”，循环往复。当头尾车端部驶出隧道时产生了压缩波“CN”和膨胀波“ET”并向隧道入口处传播，反射规律同上。压缩波和膨胀波和与列车相遇时引起车外压力的升高和降低。

2）车内压力波动相比车外较为缓和，当车内压力上升时，车内Δp/1s、Δp/3s、Δp/10s和Δp/60s为正值，反之为负值。当列车在隧道运行时，车内大部分时段处于压力的“负变化”，车内压力变化越剧烈，车内不同时间间隔内最大压力变化量越大。

3）车内Δp/1s和Δp/3s受到车内压力短时间内波动影响较大，如车内压力急剧增大时，车内每1 s和3 s内最大压力变化量从0 kPa或负值变为正值且不断增大；车内压力在较大短时间变化后发生周期较小、但振幅较大的微小波动，如在t= 4 s时刻，引发车内Δp/1s和Δp/3s在正负值之间交替变化，车内Δp/1s和Δp/3s在该处分别取得最大正负值，并且车内Δp/10s也受到该压力波动的影响在约10 s后时刻取得正极值；同理可分析约t= 30 s时刻。

4）车内Δp/10s和Δp/60s受车内压力的极值和变化趋势的影响较大。列车通过隧道全程车内压力整体为下降趋势，故车内Δp/10s和Δp/60s在大部分时间内保持为负值。列车在约t= 57 s时刻驶出隧道，车外压力恢复为大气压力，车内压力在该时刻到达负峰值后逐渐上升，车内Δp/10s到达负级值后立即变为正值，车内Δp/60s取到最大负值后逐渐减小。

5）由以上分析可知，由较短时间（1 s、3 s）内压力变化量引起的车内人员不适感可能会在列车每次受到隧道压力波动影响之后的一段时间内出现，由于隧道壁面和列车表面摩擦作用使得压力波能量不断衰减，故该时段可能位于列车刚刚进入隧道后；由较长时间（10 s、60 s）内压力变化量引起的舒适性环境恶化则可能会在列车驶出隧道后出现。

2.2 线路坡度对压力舒适性环境影响特征

在试验段内，线路海拔高度范围约为750～1100 m，根据文献[22]中大气压计算方法，可知在试验段内海拔每升高1 m，大气压力约下降11 Pa[22]，在线路坡度较大时，车内人员可能会由于环境压力的持续下降或上升产生耳部不适感，本小节以线路实测数据分析研究较大坡度明线和隧道对车内压力舒适性环境的影响特征。

图5（a）表示试验段全程线路海拔变化和列车速度变化，且典型路段的坡度（‰）已在图中标出；图5（b）表示列车通过图5（a）中路段时头车车内外的压力变化；图5（c）表示列车通过该路段头车车内车内Δp/1s、Δp/3s、Δp/10s和Δp/60s时间历程曲线。

图5 列车通过试验段全程车内外压力和车内压力舒适性特征Fig. 5 Characteristics of the inside/outside pressure and internal comfort for the train passing through the entire test line

由图5可得出列车车内压力在线路存在坡度时的变化特征：

1）结合列车所采用的被动式压力保护方式特点与车内外压力变化特征，可得出压力截止阀于B、D、F时刻关闭，于C、E、G时刻开启。由图5（c）可知，在压力截止阀开启时刻，车内压力发生了明显的折转，车内Δp/1s、Δp/3s和Δp/10s均明显增大。在压力截止阀关闭状态下，如D-E时段，由于车体气密性相对较好，车内外压力差较大，车内压力受到坡度的影响较小；压力截止阀开启状态下，如A-B时段，车内外压力均随海拔高度变化而变化，线路坡度对车内压力的影响较显著。

2）车内Δp/1s和Δp/3s仅在隧道内取值较大，而在列车驶出隧道后车内Δp/1s和Δp/3s则减小为0 kPa左右；车内Δp/10s和Δp/60s在隧道内和大坡度明线上均有较明显的变化。在明线坡度较大时，如A-B时段，坡度对Δp/1s、Δp/3s、Δp/10s和Δp/60s的影响依次增大，上坡时海拔升高，车内外压力降低，车内压力变化均为负值，其取值大小随着坡度的增大而增大。

3）短时间间隔内（1 s、3 s）的最大压力变化量引起的车内人员不适感更多受到隧道压力波或压力截止阀开启导致的小周期压力波动的影响，而较长时间间隔内（10 s、60 s）的最大压力变化量引起的车内人员不适感受到线路坡度的影响较大。

2.3 隧道长度对压力舒适性环境的影响特征

本小节选取列车以相近速度通过六种不同长度隧道，研究隧道长度对车内压力舒适性环境的影响特征，图6表示列车以250 km/h和300 km/h速度等级通过不同长度隧道，车内Δp/1s、Δp/3s、Δp/10s和Δp/60s最大正负值随隧道长度变化规律。

由图6可得如下规律：

图6 不同隧道长度下车内Δp/1s、Δp/3s、Δp/10s和Δp/60s最大值变化规律Fig. 6 Variation of the maximum values of Δp/1s,Δp/3s,Δp/10s and Δp/60s inside the train with the different tunnel length

1）在不同速度等级下，车内Δp/1s、Δp/3s、Δp/10s的最大正负值和Δp/60s最大正值变化趋势相似，先随隧道长度增大而增大，到隧道长度为565 m时，增大到最大正极值和最大负极值，之后均随着隧道长度的增大先减小后增大；车内Δp/60s最大负值随隧道长度增大呈现不断增大趋势。

2）短时间内压力变化引起的不适感先随隧道长度增大而更加明显，500 m左右为车内人员感到最不舒适的隧道长度区间，隧道长度继续增大，由较短时间内压力变化引起的车内人员不舒适感有所缓解。不同速度等级下车内Δp/60s的最大负值随着隧道长度的增大而不断增大，引起长时间内压力持续变化，并导致的更明显的耳感不适问题。

3）短时间间隔内的压力限制仅适用于长度较短的隧道，而隧道长度较长时，车内Δp/60s可能引起车内人员的耳部不适，所以还需采用较长时间间隔的压力变化量的限值，进行压力舒适性的分析和判断。

2.4 列车速度对压力舒适性环境的影响特征

列车以不同速度通过不同长度隧道时，对不同速度下车内Δp/1s、Δp/3s、Δp/10s和Δp/60s的最大正负值使用式（1）函数形式进行拟合，得出列车速度对车内压力舒适性环境的影响规律。

式中，Δpmax/n表示车内不同时间间隔内最大压力变化量的最大值（n= 1、3、10、60），Pa；v为列车速度，m/s；A和B分别为拟合系数和指数。

图7和图8分别表示列车以不同速度通过1506 m、3083 m和5456 m隧道时车内Δp/1s、Δp/3s、Δp/10s和Δp/60s的最大正负值及其随速度变化的拟合曲线，其中在图8（c）中，同一速度下的车内Δp/1s、Δp/3s实测值及拟合曲线均互相重合；表1表示拟合函数相关参数及平均拟合误差，表中P和N分别表示正值和负值。由图和表可知：

图7 列车速度对车内每1 s、3 s、10 s和60 s最大压力变化量最大正值的影响Fig. 7 Influence of train speed on the maximum positive values of Δp/1s,Δp/3s,Δp/10s and Δp/60s inside the train

图8 列车速度对车内每1 s、3 s、10 s和60 s最大压力变化量最大负值的影响Fig. 8 Influence of train speed on the maximum negative values of Δp/1s,Δp/3s,Δp/10s and Δp/60s inside the train

表1 拟合函数相关参数Table 1 Parameters of the fitting function

1）相同隧道长度同一速度下的车内Δp/60s最大正值小于Δp/1s、Δp/3s和Δp/10s最大正值；而Δp/1s、Δp/3s、Δp/10s和Δp/60s最大负值依次增大。表明列车通过隧道时车内压力整体呈下降趋势，隧道内压力波动带来的车内压力突增对车内Δp/60s影响较小。

2）车内Δp/1s、Δp/3s、Δp/10s和Δp/60s最大正负值在不同隧道长度下均随速度增大呈现增大趋势，且其与列车速度的幂近似成正比，比例系数较小，多为10−1～10−4数量级，指数多为1.5～2.9之间。

3）车内Δp/1s、Δp/3s和Δp/10s的拟合相关性系数R2整体大于车内Δp/60s，且隧道长度为1506 m和3083 m时车内Δp/1s、Δp/3s和Δp/10s拟合相关性系数R2相比隧道长度为5456 m时整体较大。拟合相关性系数R2大于98%时，可认为实测值和拟合曲线吻合度较高，对应的指数B分布范围为1.8～2.9，平均值约为2.26，可以认为车内Δp/1s、Δp/3s和Δp/10s近似与列车速度的平方成正比。

4）车内人员耳部不适感随列车速度增大而更加明显。由较短时间内压力变化导致的车内人员耳部不适感随列车速度增大呈指数关系增加，由长时间内压力持续下降导致的车内人员耳部不适感也随列车速度增大而严重，但其变化与列车速度函数关联性较差。

2.5 “隧道群”对压力舒适性环境的影响特征

1467m和2742m隧道的间距为55 m，远小于动车组长度（约200 m），将其看作隧道群。本小节通过对独立隧道和“隧道群”中长度相近隧道的车内外压力及车内压力变化分析，得出并比较隧道群对车内压力舒适性环境的影响特征。图9表示列车由2742 m隧道驶入1467 m隧道的方向通过隧道群和通过1506 m独立隧道时的头、中、尾车的车内外压力比较。列车速度约为335 km/h；图10表示在图9情形下头车车内Δp/1s、Δp/3s、Δp/10s和Δp/60s时间历程曲线比较。图中Nexit和Nentry时刻分别表示列车车头端驶出隧道群第一座隧道和驶入第二座隧道的时刻。

图9 隧道群和1506 m独立隧道车内外压力比较Fig. 9 Comparison between internal and external pressure of tunnel group and the 1506 m long single tunnel

由图可知如下规律：

1）动车组以相近速度通过隧道群和长度相近独立隧道时，头、中、尾车外压力形状相似，幅值大小相近，隧道群对车外压力无明显影响。由于隧道间距较短，列车驶出隧道群第一座隧道后又立即驶入第二座隧道，车内压力未完全向车外大气压力平衡则又开始下降，在第二座隧道入口处为负压；列车通过独立隧道时，车内压力则由大气压力开始波动。

2）列车通过1506 m独立隧道和隧道群第二个1467 m隧道时，车内Δp/1s和Δp/3s时间历程曲线形状相似，最大值也在近似同一位置出现；由于列车驶入隧道群第二座隧道时，车内压力整体保持为下降趋势，车内Δp/10s和Δp/60s均为负值，且车内Δp/10s在列车驶出隧道后才逐渐变为正值，列车驶入独立隧道时，车内Δp/10s和Δp/60s则经历了先正变化后负变化的过程。

3）列车通过1506 m独立隧道的车内Δp/1s、Δp/3s和Δp/10s最大正值分别小于通过隧道群中1467 m隧 道28.7%、21.9%和38.6%；车 内Δp/1s、Δp/3s和Δp/60s最大负值分别小于通过隧道群时19.8%、7.3%和56.2%，Δp/10s最大负值则大于通过隧道群时7.8%。故由实测结果分析，可以初步得出列车在通过隧道群时，由于车内压力的变化更加剧烈而引起更加明显的车内人员耳部不适问题。

2.6 气密效率与车内人员耳部不适性关系探讨

本小节引入文献[18]中的气密效率，基于实车试验对气密效率和压力舒适性环境的对应关系进行研究，气密效率的定义式如式（2）所示[18]。

式中，η为气密效率；由于列车车内不同车厢相互贯通，故将列车看作一个密封气压舱，故Δpex,max头尾车车外最大压力峰峰值的平均值，Δpin,max为头尾车车内最大压力峰峰值的平均值。由该式可知：气密效率表达了车外压力传入车内后的峰峰值衰减率，其值越接近1则可以表示车辆对车外压力传入车内的阻隔作用更好。

图11（a）表示Δpex,max、Δpin,max和η随隧道长度的变化规律，选择隧道长度为100 m、565 m、1506 m、2742 m、5456 m和6008 m，列车速度均为约300 km/h；图11（b）表示列车以约250 km/h、300 km/h和330 km/h通过长度为1506 m、2742 m和5456 m隧道时η随列车速度变化规律。本文针对了不同日期试验共31组隧道实测数据，统计了车内不同时间间隔内最大压力变化量随气密效率的变化规律，如图12所示。由图可知：

图11 隧道长度和列车速度对气密效率的影响Fig. 11 Influence of tunnel length and train speed on the sealing efficiency

图12 车内Δp/1s、Δp/3s、Δp/10s和Δp/60s变化量随气密效率变化规律Fig. 12 Variation of internal Δp/1s,Δp/3s,Δp/10s and Δp/60s with the sealing efficiency

1）Δpex,max随着隧道长度先增大后保持稳定，最后又增大，Δpin,max则随着隧道长度不断增大，但气密效率η随着隧道长度的变化逐渐减小。表明在所选隧道中，随着隧道长度的增大，相同气密水平的车辆对车外压力传入车内的阻隔效果越差。

2）在不同列车速度下，气密效率η变化不明显，始终保持相近水平，可以初步得出车辆对车外压力传入车内的阻隔效果与列车速度无关。

3）车内Δp/1s最大正值和Δp/1s、Δp/3s、Δp/60s最大负值均随着气密效率的增大存在减小的趋势，Δp/60s最大负值近似随气密效率增大而线性减小，可得出整车气密效率增大时，车辆气密性对车外压力传入车内的阻隔效果越好，车内压力变化量越小，车内压力舒适性环境越好。

3 结论

基于我国时速350 km标准动车组实车试验，本文研究了压力舒适性环境的特征，得出如下结论：

1）列车通过隧道时，车内压力波动会导致车内人员耳部不适，由车内较短时间内压力变化引起的耳部不适感主要由瞬时压力波动引起，在列车刚刚进入隧道和压力截止阀从关闭到开启时较明显；由车内较长时间内压力变化引发的耳部不适感受到隧道长度和线路坡度的影响更加严重，且可能在列车通过大坡度线路和刚刚驶出隧道后较明显。

2）较短时间内压力变化随隧道长度先增大后减小。隧道长度较长时，车内人员耳部不适主要由于车内压力连续“负变化”引起的较长时间内最大压力变化导致，且其随隧道长度增大，耳部不适感更加明显。

3）列车速度增大时，不同时间间隔内车内压力变化显著增大，车内人员耳部不适感更加明显，且较短时间内车内压力变化量近似与列车速度的平方成正比。

4）“隧道群”对车外压力的影响不明显，而由于列车连续通过隧道，车内压力的连续下降引起较长时间内压力变化量较大可能导致车内人员耳部不适。

5）气密效率受到列车速度的影响较小，主要与隧道长度、坡度等有关，部分时间间隔内最大压力变化量随气密效率增大而减小，可得出整车气密效率的增大时，车内压力舒适性环境更好。

6）在列车通过大坡度线路、长隧道和隧道群时，由于车内压力的连续单向变化引起车内人员的耳部不适，故在上述情况时，为了保证车内良好的压力舒适性环境，单一时间间隔的舒适性标准不再适用，需要采用多时间间隔内的复合型舒适性标准对车内压力变化进行约束。