时速120 km地铁车辆客室压力调节技术研究

张艳萍，杨天智，龚惠华，孙 瑶，刘 义

(中车株洲电力机车有限公司产品研发中心，湖南 株洲 412000)

0 引言

目前，上海、广州、深圳、武汉、青岛、南京等城市均已开通运营120 km /h 的地铁车辆。前期部分线路的车辆没有考虑气密性设计，在多隧道线路运行时，车辆内外压差急剧变化，给乘客带来不适。因而近年来，业主要求120 km/h 的地铁车辆设计时采取气密性措施，同时要考虑车辆运行的经济性。

1 压力舒适性标准

空气压力波动可能会引起人的耳部的不舒适，通常，一个健康的人能够在1 s内能承受1 000 Pa的压力波动，而不会造成严重的影响。表1归纳了人在不同的静压短期变化情况下出现的典型生理症状。

表1 不同压力变化值下的典型生理症状

高速地铁在隧道内运行时压力及压力变化率若超出某个界限，轻则会出现司乘人员耳部不适，舒适性降低；重则造成乘客失聪。因此应对隧道内的压力及压力变化率作出一定限制。

就国内标准而言，针对时速120 km/h的地铁气密性的标准很少，但在市域车辆标准或相关规范中进行了详细规定，涉及120 km/h速度等级气密性的主要标准有T/CCES 2-2017《市域快速轨道交通设计规范》、T/CRS C0101-2017《市域铁路设计规范》 和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》。

通过分析上述标准，适用于120 km/h地铁车辆的静态密封性能指标有：①列车通过隧道时客室的压力变化不超过800 Pa/3 s，即在任何3 s的时间段内，最大瞬变压力变化均不应超过800 Pa。②车厢内空气压力由2 100 Pa降至1 000 Pa的时间应不小于12 s。

在铁建设[2007]88 号文件《关于印发〈铁路隧道设计施工有关标准补充规定〉的通知》中规定，单线隧道允许的最大瞬变压力宜为0.8 kPa/3s，双线隧道宜为1.25 kPa/3s。TB/T 3503.1-2018《铁路应用空气动力学》中的相关要求，列车通过隧道时产生的车内瞬变压力应小于0.5 kPa/1s和0.8 kPa/3s。

而在压力舒适度标准中，越来越多地采用单一时间间隔内的最大压力变化值标准。根据欧洲和日本对压力舒适性方面的研究，发现人耳对压力的反应时间为3～4 s，采用单一时间间隔内的压力变化值能较准确反映出人体舒适度问题。因此，宜采用单一时间间隔内(3 s)的最大压力变化值标准作为空气动力学舒适度评价指标。

相关资料表明：在相关地铁空气动力学测试中，车内3 s内压力变化最大值超过700 Pa/3s时，耳膜有反应，当3 s内压力变化最大值超过800 Pa/3s时，耳膜反应增强，稍有不适的感觉。

综上所述，推荐采用800 Pa/3 s作为120 km/h地铁车辆的车内压力变化幅值评价标准比较合适。

2 车辆气密性措施

影响车辆气密性的因素较多，包括车辆自身气密性、隧道阻塞比、供电制式等，这些因素也直接或间接地影响车辆客室内的压力变化。对于在隧道中运行的120 km/h地铁车辆，隧道入口、通风风井、线间距等都会影响车辆的空气动力学性能，从而影响车辆的气密性。

对于车辆自身的气密性，应在设计阶段开始采取应对措施，根据整车要求对各部件进行合理分配，加强其密封性。提升车辆本身的气密性措施主要包括：优化列车气动设计，降低交会压力波幅值；设置压力调节装置，在车内外压力急剧变化时，关闭空调与车外的通道，实现车体密闭；提升车窗、车门、贯通道等系统/部件的密封性能，提升整车气密指数。

本文将着重针对涉及空调系统的气密性措施进行探讨，研究客室压力调节技术。

3 客室压力调节技术

车辆客室压力调节技术，是指在空调系统设置压力调节装置，在压力急剧变化时及时关闭机组及废排风阀，减少列车因风压变化导致耳鸣的现象。压力调节装置控制方案按控制信号分为被动式电动阀门控制(以下简称电动方案)和主动式气动阀门控制(以下简称气动方案)2种方案。

3.1 被动式电动阀门控制方案(电动方案)

3.1.1 方案说明

TCMS中设置“压力变化信号”，且提前将此信号发至各车空调控制器，提前控制新风风阀和废排装置风阀阀门动作并关闭阀门，防止车外压力波动传入车内。选用8 s动作风阀执行器(见图1)，则至少提前8 s将信号发至空调控制器。

图1 快速动作风阀执行器

3.1.2 电动方案控制说明

电动方案控制方法如下(见图2)。

图2 电动方案控制原理图

1)车辆在固定线路上进行试跑后，找出气压波动较大的地点。

2)在软件程序中设定程序，当车辆接近气压波动较大的地点前，TCMS给空调发送关闭风阀信号，关闭空调机组及废排中的电动风阀。

3)当车辆离开气压波动较大的地点后，TCMS撤销关闭风阀信号，空调机组及废排中的电动风阀打开。

3.2 主动式气动阀门控制方案(气动方案)

主动式气动阀门控制方案是车辆配置压力波保护装置。

压力波保护装置包括压力波控制器和机组内的压力波保护阀两大部分。压力波控制器在两端司机室中各安装1台。气动压力波保护阀分别设置在空调机组新风口和废排内。

3.2.1 压力波控制器

压力波控制器具有压力信号的检测、运算、故障诊断和故障记录等功能(见图3)。控制器内部集成气压采集芯片、运算处理芯片通过气管分别连接到车内和车外，检测压力差及其变化率，经过运算处理，当判断触发压力波条件时，发出压力波保护信号给空调控制器，由空调控制器控制压力波保护阀关闭。

图3 压力波控制器

3.2.2 压力波保护阀

压力波保护阀为气动阀，分为新风压力波保护阀和废排压力波保护阀2种，分别设置在空调机组新风口和废排装置内(见图4)。

图4 压力波保护阀(压力保护阀打开状态)

新风压力波保护阀为组件安装，安装在客室机组两新风口处。废排压力波保护阀安装在废排装置内部，当以上压力波保护阀全部关闭时，可抑制压力波动对车内的影响。

3.2.3 气动方案控制说明

在司机室内安装压力波控制装置，用以检测车辆内外的压力变化。当内置的压力传感器检测到车内外压力变化超过设定值(暂定为800 Pa/3s，设定值需要线路上试跑后确定)时，压力保护系统动作，压力波控制装置发出信号，控制各车空调控制盘的控制继电器，使新风压力波保护阀和废排装置压力波保护阀门动作并关闭阀门，防止车外压力波动传入车内。也可以在固定位置发出控制压力波控制信号，如当控制器接收到网络发送的“隧道信号”时，新风压力波保护阀和废排装置废排压力波保护阀门动作并关闭阀门，防止车外压力波动传入车内(见图5)。

1—外部空气连接管(通外部大气，感知外部压力变化)；2—控制系统控制信号(向保护阀发送指令)；3—向中间车发送控制指令；4—压缩空气流向；5—内部空气连接管(感知内部压力变化)。

3.3 电动方案和气动方案对比

表2从配置、设备重量、维护性、风阀动作时间、新风量控制、控制方式等方面对电动方案和气动方案进行比较，2种方案各有优势劣势。

表2 电动方案和气动方案对比表

电动方案在深圳、成都等城市地铁线路上有成熟应用业绩，气动方案在武汉地铁16号线、土耳其伊斯坦布尔新机场线等项目有成熟应用业绩。

4 结语

2种客室压力调节方案均能在压力变化时及时关闭风门，且满足一定气密性要求，电动方案重量轻、维护简单、风量可调。

因此，建议在单线隧道单车运行、无会车、线路固定的120 km/h的地铁车辆采用电动方案进行客室压力调节；在双线隧道运行、有会车的120 km/h的地铁车辆采用气动方案。