高速列車交會壓力波特性分析

劉　璐，高品賢

（西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031）

高速列車交會壓力波特性分析

劉璐，高品賢

（西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031）

因動車組在高速交會時產生的瞬變交會壓力波對車體側壁變形、列車運行噪聲及運行安全性都有不可忽視的影響，該文利用高速列車的實際測試數據，從3方面對高速列車在明線交匯和隧道交匯情況下的壓力波進行深入分析：交會壓力波的時-頻特性，主要參數值及其與車速的關系，交會壓力波對車體側壁振動的激勵作用。特別對壓力波所產生的沖擊響應譜進行深入分析，得到不同阻尼比下的頻率響應。該文分析結果為進一步研究瞬變交會壓力波對車體側壁變形的影響、對列車運行噪聲的貢獻等提供新的參考依據。

高速列車；交會壓力波；瞬態激勵；振動模態

0　引　言

隨著列車的發展，高速列車在我國的運營速度為300 km/h。列車空氣動力學性能的好壞，直接決定了列車的運行安全性和舒適性。當高速列車在交會時，將引起極度復雜的列車空氣動力學效應，強大的列車風擾動下，兩車車體側壁之間形成瞬間巨變的交會壓力波，從振動理論出發，對車體側壁是一種沖擊激勵，能引起車體側壁的瞬態振動，對車體結構變形、列車運行噪聲及運行安全性都有較大影響，其激勵度和廣度需要深入分析研究。論文對高速列車交會壓力波的特性及其激勵作用進行了詳細分析，交會壓力波為非對稱沖擊脈沖，沖擊波持續時間（脈沖寬）與車速成反比，沖擊幅度隨車速提高增大，沖擊波前沿上升速度隨車速提高而加快。為進一步研究瞬變交會壓力波對車體側壁變形的影響，對列車運行噪聲的貢獻等提供了新的參考依據。

1　高速列車交會壓力波

1.1交會壓力波的形成及危害性

高速運行的上行車和下行車交會時，在會車面一側，由于兩車側壁間凈空截面面積突然變小，在強大列車風的作用下，在交會起點形成脈沖壓力波稱為交會壓力波，在整個交會過程中該壓力波呈現波動性變化，當交會結束的瞬間，兩車側壁之間凈空截面面積又突然變大，形成第2個脈沖波，兩側壁間的壓力波又恢復到交會前的原狀。明線交會和隧道交會壓力波形有一定區別，形成過程如圖1所示。

1.2明線交會壓力波

高速列車在明線交會時壓力波的典型曲線如圖2所示，從圖中可以看出兩車交會面一側車體側壁間的交會壓力波，在交會起點和交會結束點，均出現顯著的峰值，對車體側壁是一種沖擊激勵，交會過程（中間段）沒有明顯峰值，呈波動性變化。

圖3（a）是一實測曲線，交會壓力波出現在12～20s之間。圖3（b）為對應4個小區段壓力波的散點圖。散點圖是時域分析的重要方法，可以十分清楚地反映數據的分散情況，滿足正態分布的隨機信號，其散點圖呈一條帶狀，基本上沒有異點；當運行狀態不平穩時，其散點圖變得分散。由圖可以看出，交會前后的散點圖呈明顯帶狀，運行是平穩的；在交會過程中則是分散的，表明此時的運行狀態是不平穩的。

1.3隧道交會壓力波

兩車在隧道高速交會時，交會壓力波遠比明線嚴峻，圖4所示是350km/h和300km/h隧道交會壓力波，與明線交會壓力波不一樣，由于兩車側壁間的真空度遠高于明線，近似矩形負脈沖波，頂部波動，并傾斜，傾斜是由于傳感器頻響特性不夠廣闊產生的“負沖”［1-2］，另外隧道壓力波也帶來一定影響，傾斜不是交會引起的特性。這種持續時間短暫的矩形負脈沖波，對車體結構變形、運行噪聲及安全性的影響遠大于明線交會壓力波。

圖1　交會壓力波形成

圖2　明線交會時車體側壁振動速度變化

圖3　明線交會壓力波散點分析

2　交會壓力波特性分析

圖4　　典型的隧道交會壓力波

2.1明線交會壓力波特性分析

由圖3可知，明線交會壓力波主要由兩個沖擊峰值組成，沖擊波形狀介于正弦半波和三角波之間，前沿上升速度主要取決于車速，其時域和頻域特性較隧道交會壓力波簡單，資料［3-5］等均有詳細介紹，對車體側壁的影響，主要是使側壁變形量增大，加速疲勞破壞，另外，當車速提高到某一速度級時，由于車體側壁外凸，造成客室氣壓下降，出現負阻尼擾動，有可能誘發車頂產生自激振動。

2.2隧道交會壓力波特性分析

2.2.1時域特性

高速列車隧道交會壓力波［6-8］是一種復雜的脈沖激勵，按照沖擊脈沖理論，求得圖4所示隧道交會壓力波，參數如表1所示。實測脈沖波形比較復雜，含有噪聲干擾，應用中常取50%處的參數值為依據。隧道交會壓力波的影響因素［9］較多，脈沖參數差別較大，其中50%幅度處脈寬和50%幅度上升時間比較穩定，具有一定規律性和代表性。

表1　隧道交會壓力波參數（非凈增值）

從表1中參數和圖4可知，隧道交會［10］壓力波有如下特點：

1）沖擊波持續時間（脈沖寬）與車速成反比，隨著車速的提高，瞬態性加劇。

2）沖擊幅度隨車速提高增大。

3）沖擊波前沿上升速度隨車速提高而加快，激勵頻帶將變寬。

4）隧道交會壓力波為不對稱脈沖（見圖4）。

2.2.2頻域特性

隧道交會壓力波的主體近似矩形脈沖，由傅里葉變換理論知，矩形脈沖信號表達式為

式中T為脈沖持續時間（脈沖寬），它的傅里葉變換為

對于實測數字信號，可通過離散傅里葉變換（DFT）求得其數字譜，DFT的一般形式為

式中：G（k）——DFT譜；

x（n）——測量所得的沖擊時間序列；

N——數據長度。

由于單次沖擊過程為非周期過程，其傅里葉譜為連續譜，不能直接采用建立在周期性基礎上的DFT進行計算，論文采用重復脈沖法［6］，得到周期性沖擊波的頻譜如圖5所示，圖中斜線為標準矩形脈沖的衰減特性，頻譜有如下特點：

1）隧道交會壓力波的傅里葉譜具有矩形脈沖頻譜特性，衰減特性接近20dB/倍頻程。

2）隧道交會壓力波中含有高頻激勵成份，頂部波動大，頻譜衰減速度較典型矩形脈沖慢。

3）若以-40 dB為基準，頻譜主要能量分布在20 Hz帶內。

圖5　隧道交會壓力波傅里葉譜

3　交會壓力波對車體側壁的激勵作用

3.1沖擊響應譜

單自由度系統在沖擊作用下的響應最大值與系統固有頻率的關系，稱為沖擊譜或沖擊響應譜［4］。

若給定一階躍沖擊，其響應為

式中：k——振動系統剛度；

ζ——阻尼比；

ωn——固有角頻率；

ψ——相位。

對上式微分，可導出x的最大值（位移沖擊譜）：

對于線性時不變系統，對一般沖擊激勵f（t）的響應，可視為不同時刻的單位響應函數h（t）的疊加，采用卷積求得［4，7］：

目前高速列車車體振動一般測量其加速度信號，為便于對比分析，論文采用加速度響應譜進行分析，計算公式［8］如下：

3.2明線交會響應譜分析

選定一組阻尼比ζ：0.05，0.010，0.020，0.030，0.040，0.050，0.060，0.070。求得圖2所示明線交會壓力波的響應譜如圖6所示，響應譜特點：

1）該響應譜類似正弦半波沖擊響應譜，反映明線交會壓力波的主體為正弦半波（前沿和尾部兩個脈沖）。

2）ζ＞0.030時，響應譜的頻率結構趨于穩定，中高頻成分基本消除。

3）ζ＞0.030時，響應譜能量集中在35 Hz以下，有3個主要峰值頻率：4，12，25Hz。

圖6　明線交會壓力波響應譜

3.3隧道交會響應譜分析

采用與明線相同的阻尼比，求得圖4（a）所示的隧道交會壓力波響應譜如圖7所示，響應譜特點：

1）隧道壓力波的響應譜比明線復雜，總趨勢與階躍沖擊譜有一定相似之處，低頻部分與矩形沖擊譜相似。

2）ζ＞0.030時，響應譜頻率結構趨于穩定，中高頻成分基本消除。

3）ζ＞0.030時，響應譜能量集中在35Hz以下。4）15 Hz以下頻帶，響應譜波動較大，有多個峰值。

5）雖然明線交會和隧道交會響應譜幅度不能進行定量比較，但前者的基礎值為0.2，后者為0.6，間接說明隧道交會壓力波的響應譜幅度較明線大。

3.4車體側壁的瞬態響應

上面討論的為線性單自由度的瞬態響應，對于復雜的車體結構，可視為小阻尼線性多自由度系統或分布系統，然后利用正則坐標和正則模態，將車體結構表示為多個單自由度系統的基本振動的疊加，從而獲得整個車體側壁的瞬態響應。

圖7　隧道交會壓力波響應譜

4　結束語

隨著高速列車運行速度的提高，交會壓力波對車體側壁的激勵作用不可忽視，論文通過對壓力波實測數據的詳細分析，初步結論如下：

1）交會壓力波為非對稱沖擊脈沖，前沿上升速度快、幅度大，中部波動，尾部下降速度及幅度均低于前沿部分。

2）沖擊波持續時間（脈沖寬）與車速成反比，沖擊幅度隨車速提高增大，沖擊波前沿上升速度隨車速提高而加快。

3）車體側壁對明線和隧道交會壓力波的響應譜的總趨勢有相似之處，影響較大的頻段均在35Hz以下，其中15Hz以下是在結構設計中需要重點考慮的頻段。

4）論文認為車體側壁阻尼比ζ＞0.03時，才能有效提高側壁抗交會壓力波的沖擊能力，特別是抗中高頻部分的激勵。

5）隧道交會壓力波為不對稱脈沖，沖擊強度高于明線交會，特別是15Hz以下，響應譜結構變得十分復雜。

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（編輯：劉楊）

Characteristic analysis of air pressure wave generated by high-speed trains passing each other

LIU Lu，GAO Pinxian
（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

The air pressure wave is a transient excitation to car body side，which can stimulate almost all vibration modes of car body and correlated assemblies and cause serious aerodynamic noise，posing threats to operation safety.Based on field-measured air pressure waves，this article mainly analyzes the time-frequency characteristics of air pressure wave，the relationship between its main parameters and train velocity，and the vibration of car body caused by it.In particular，the response spectrum of the pressure wave is analyzed，and the frequency response of the different damping ratio is obtained.The conclusion has been derived.It provides new evidences for train noise and car body distortion.

high-speed train；air pressure wave；transient excitation；modes of vibration

A

1674-5124（2016）07-0093-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.07.019

2015-10-03；

2015-12-06

國家自然科學基金項目（61134002）國家重點實驗室開放課題（PIL1303）

劉璐（1981-），女，四川瀘州市人，博士，專業方向為高速列車的安全性測試研究、信號分析與處理、可靠性研究。