城市快速軌道交通車輛廢氣排放異響問題分析

胡佳喬

(中車南京浦鎮車輛有限公司，210031，南京//第一作者，高級工程師)

廢氣排放(以下簡為“廢排”)裝置是城市軌道交通車輛空調系統的重要組成部分之一。軌道交通車輛通常采用自然排風式廢排，應用非常成熟。但隨著軌道交通車輛的最高運行速度由80 km/h提升至100～120 km/h，原有的廢排裝置在使用中出現了新的問題。

本文針對某120 km/h速度等級的軌道交通線路,其車輛在采用自然排風式廢排裝置遇到的異響問題，對異響的原因進行了分析和試驗，并通過有限元分析手段，對原有方案和改進方案進行了分析，提出了相應的改進措施。

1 廢排裝置的布置和結構

1. 1 廢排裝置的布置

本項目為6節編組車輛，配置了4節動車和2節拖車。每節車布置有4個廢排裝置，安裝在車頂的中間區域，動車和拖車中的布置位置相同。圖1為動車車頂上廢排裝置布置示意圖。

圖1 軌道交通車輛廢氣排放裝置布置圖(動車車頂)

1. 2 廢排裝置的功能

軌道交通車輛空調系統正常工作時，為了維持車內空氣的新鮮度，經空調機組處理后的空氣由送風道送入客室內，排出的空氣一部分由空調機組底部回風口回到機組，另一部分則從車頂廢排口排出。

1. 3 自然排風式廢排裝置的結構形式

廢排裝置主要分為強迫式廢排裝置和自然排風式廢排裝置兩種。前者通常由風機驅動，將車內空氣強行排出；后者無外部驅動，以空調系統建立的正壓為驅動力，將車內空氣排出。本項目所用的廢排裝置為自然排風式，其結構如圖2所示。該廢排裝置的核心結構是金屬擋板和轉軸。當軌道交通車輛空調機組工作時，在室內正壓的作用下，客室內空氣克服重力推動金屬擋板繞轉軸旋轉，打開廢排通道。

圖2 廢排裝置結構剖面圖

2 廢排裝置布置異響情況調查

2. 1 廢排異響問題的確認

在本項目開通運營后，頻繁出現了廢排裝置發出異響的情況。異響集中發生在列車的第3、4節車廂，而頭部2節和尾部2節車并沒有發生異響。為查找出問題所在，需要進行一系列的確認工作：

1) 對本項目的所有列車進行普查，確定了異響主要大部分發生在第3、4節車，其他車輛偶有發生。

2) 異響在進出隧道口處發生較頻繁，但與列車是否在隧道內沒有直接關系。列車在露天線路上運行時也會發生異響。

3) 為排除廢排質量問題，采用換件法測試后發現，異響并未隨廢排裝置的更換而轉移，仍然集中發生在第3、4節車上。

2. 2 廢排裝置異響問題分析

1) 經過觀察，猜測異響是由于廢排擋板發生震顫或產生晃動后，與廢排結構碰撞產生。因此，嘗試將風口處四周膠條改為更加軟質發泡膠條，并在擋風板上貼吸聲材料，但此方法未能徹底解決問題。

2) 異響僅在第3、4節車集中出現，且故障不隨部件更換轉移，可以排除廢排設施部件的質量問題因素。該廢排裝置在80 km/h速度等級的軌道交通系統中大量且長時間使用，均并未出現異響的類似問題。查閱相關文獻資料后發現，列車速度提高后，車外的負壓隨速度增加而增大[1]，與80 km/h的速度相比，120 km/h速度下列車的車外負壓增大近一倍；廢排的排風性能也隨著車外負壓的增大而下降[2]；同時，根據一些研究的結果，列車車速達到90 km/h后，車外的壓力波動最大幅值、3 s內壓力波動幅值都將明顯增大[3]。根據以上研究結果，推斷本項目的廢排裝置異響問題是由于上述因素共同作用，廢排擋板在外部壓力快速變化的情況下產生了震顫和晃動，從而導致了異響的發生。

基于以上推斷，嘗試采用膠帶固定廢排擋板后，廢排裝置異響消失，從而確定了廢排裝置異響問題的原因。

3 120 km/h軌道交通車輛廢排口壓力仿真

3. 1 計算模型

考慮到列車實際運行時車外的壓力變化具有一定的隨機性，因此采用建立穩態模型的方式進行仿真，即：建立單節車模型，外部條件為120 km/h露天形式的穩態條件。采用流體動力學計算軟件Fluent，對4個廢排裝置分別編號為1號、2號、3號、4號；為明確區別每個廢排裝置兩側的排風口，對編號進行再細分。如圖3所示，以1號廢排裝置為例，其2個排風口的編號分別為1-1、1-2。

圖3 車輛上廢排裝置排氣口的編號

圖4 單車節廢排裝置仿真模型

在模型中建立3個不同方案，其中圖 4 a)為原始方案；圖4 b)為方案1，在廢排裝置四周增加擋風板的導流罩；圖4 c)為方案2，在方案1基礎上，將廢排裝置全部包裹，僅在上方留有矩形排風口的導流罩。

3. 2 壓力云圖

將安裝有圖4中3種廢排裝置的列車分別進行穩態計算，車速設定為120 km/h。如圖5所示，圖5 a)為原始方案時4個廢排裝置的排氣口位置壓力云圖；圖5 b)和c)分別為方案1及方案2廢排裝置的排氣口位置壓力云圖。

圖5 廢排裝置仿真模型的壓力云圖

從圖5可看出：原始方案中，同一廢排裝置的排氣口壓力差異很大；方案1情況與原始方案類似，在3號和4號廢排裝置中情況比原始方案更惡劣；方案2在同一個廢排裝置的2個排氣口處壓力基本保持一致，3號、4號廢排裝置的平均壓力高于前兩個方案，但兩側排風口壓力保持一致。

3. 3 廢排口平均壓力計算

考慮到實際工程化的可行性，此研究階段又增加了2個新的解決方案，如圖6所示。

方案3：在方案1的基礎上，取消了列車縱向方向擋板，并適當降低了橫向擋板的高度；

圖6 廢排仿真模型2個新增方案的仿真模型

方案4：在方案2的基礎上改進了導流罩的流線型設計方案。

通過仿真軟件對單節車輛廢排裝置8個排氣口的平均壓力進行測算，結果如表1所示。

表1 單節車輛廢排裝置的排氣口壓力 Pa

3. 4 廢排口壓力分析

由表1可知，沿列車前進方向，前面2個廢排的4個排氣口位置(1-1、1-2、2-1、2-2)的壓力情況為：不加導流罩時，4個位置壓力差別很大，尤其是同一個廢排裝置左右2個排氣口間的壓差很大；安裝方案1所示導流罩時，壓力差明顯減小；安裝方案2所示導流罩時，4個位置的壓力可認為近似相同，且壓力幅值相對較小；安裝方案3所示導流罩時，其效果類似于方案1，不同之處在于方案3各個排氣口壓力的絕對值比方案1各個排氣口壓力的絕對值小約20 Pa；安裝方案4所示導流罩時，每個廢排裝置左右2個排氣口的壓差基本為0，且方案4前面2個廢排裝置上每個排氣口位置的壓力絕對值明顯小于方案2的壓力絕對值。

由后面2個廢排的4個排氣口位置(3-1、3-2、4-1、4-2)的壓力情況也可得到上述相似的結論。方案4與前3種方案的另一個區別在于：方案4前后4個廢排裝置上所有排氣口位置的壓力均相差不大，且絕對值也較小，而前3種方案前面2個廢排裝置排氣口位置壓力絕對值較大，且與后兩個廢排裝置排氣口位置的壓力有明顯差距。因此，方案4的效果最好。

4 結語

列車最高運行速度超過80 km/h的軌道交通項目中，隨著速度的增加，由于列車的車外負壓增大、車外最大壓力波動幅值和3 s內壓力波動幅值增大等因素共同作用，導致了車輛廢排裝置排風性能下降，進而導致廢排擋板無法克服重力并產生震顫和晃動，發出異響。因此，自然排風式廢排裝置的異響是由于其結構特點以及列車速度提高共同導致的，該廢排結構不適合應用于速度較高的列車上。

在列車最大運行速度上升至120 km/h及以上時，由于空氣動力學對車輛廢排裝置的影響，建議考慮采用強迫排風式或無擋板轉軸結構的廢排方式；如果仍然使用自然排風方式，且有類似擋板轉軸結構時，可考慮添加導流罩。建議采用流線型外形的導流罩。

本文僅分析了軌道交通車輛在高速運行時廢排排氣口位置壓力的情況，建議后續可綜合考慮車輛內部氣流與外部氣流的共同作用情況進行更為深入的研究。