基于兩車模型的地鐵隧道活塞風對屏蔽門影響研究

袁譽釗，賀德強，陳彥君，苗劍，單晟，李凱

基于兩車模型的地鐵隧道活塞風對屏蔽門影響研究

袁譽釗1，賀德強1，陳彥君1，苗劍1，單晟2，李凱1

(1. 廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧 530004；2. 株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001)

為研究隧道活塞風對地鐵屏蔽門的影響，通過分析活塞風形成機理，構建兩車、兩車站、三區間隧道的地鐵隧道模型，利用滑移網格技術仿真模擬列車在隧道運行時引起的活塞風速度與壓力，并提取所研究車站屏蔽門區域所受活塞風的壓力值。通過對屏蔽門進行靜力學分析，利用屏蔽門所受最大阻力來衡量屏蔽門開關能力。將仿真結果與南寧地鐵1號線的實際故障進行對比分析，研究不同工況下活塞風對屏蔽門的影響。研究結果表明：所建仿真模型有效、合理，屏蔽門所受最大風壓受列車運行速度、屏蔽門位置及風井布置模式的綜合影響。研究成果可為屏蔽門故障診斷和智能運維提供理論參考。

地鐵屏蔽門；活塞風；數值模擬；滑移網格

地鐵屏蔽門作為一種安全保護設施除了保障列車、乘客進出站時的安全，還能夠有效減少區間隧道與站臺之間的空氣流通，減輕車站空調系統的負荷，達到節能效果。但是，由于屏蔽門對氣流的阻隔作用導致列車的活塞效應顯著增強，同時隨著行車密度的增加，活塞風引起的交變壓力載荷顯著增大，從而引起部分地鐵車站屏蔽門受區間隧道內活塞效應影響發生屏蔽門故障。因此，開展地鐵活塞風對屏蔽門故障影響研究具有重要的現實意義[1?2]。目前，國內外學者對地鐵活塞效應的研究主要集中在以下幾個方面：針對地鐵隧道內流場特征進行研究，梅元貴等[3]以地鐵列車氣動特征為切入點建立仿真模型，分析了列車在隧道內行駛時的流場特征，但并沒有考慮站臺和活塞風井等因素的影響；Kim等[4]考慮活塞風井對隧道通風的影響，分析了通風豎井通風量和豎井周圍地鐵隧道的流場特征，根據通風豎井的位置來評價通風性能，發現要使通風效果最大化，通風井的最佳位置應布置在站臺附近，但并沒有考慮活塞效應對站臺屏蔽門造成的影響。針對地鐵列車引起的活塞風對屏蔽門的影響，國內外學者做了大量實測和模擬仿真[5?6]López等[7]建立了一個兩站雙向隧道三維模型，采用動網格技術模擬了列車在兩站之間的位移，得出列車在雙向隧道流場內的活塞效應特征。以上研究的數值模擬均為三維模擬仿真，其模型建立復雜，耗用計算時間長[8]。為了簡化復雜的三維問題， LIU等[9]基于地鐵隧道活塞風仿真問題提出了6種二維仿真模型，利用實驗仿真證明了其6種方案的可行性，并選出了最佳二維仿真模型；TANG[10]測試了地鐵列車以不同速度等級通過站臺時的活塞風壓大小，得出當列車運行在120 km/s時，屏蔽門上的風壓結構損傷相對最小。以上研究只考慮了單車在隧道中運行時引起的活塞效應，并沒有考慮兩車、多車運行時隧道內的活塞效應。針對活塞風引起的屏蔽門故障，韓二文[11]通過對行車密度增加后活塞風壓增大造成屏蔽門故障的現象進行分析，得出列車在通過1號屏蔽門時該屏蔽門受到的風壓最大。針對受風壓最大的1號屏蔽門，Lee等[12]對列車風壓作用下的屏蔽門結構完整性進行了瞬態和準靜態分析；部分學者以屏蔽門結構為對象開展研究[13]，WANG[14]采用有限元分析法，建立了屏蔽門有限元模型，通過試驗驗證了屏蔽門的可靠性。上述研究沒有針對活塞風引起的屏蔽門故障對屏蔽門進行具體的受力分析，針對如何解決因活塞風壓過大導致關門故障的研究較少。綜上所述，本文首先建立一車停站和一車在隧道內運行的兩車、兩車站、三隧道模型，通過FLUENT仿真，根據仿真所得數據提取故障門所受風壓。然后，構建單個屏蔽門單元有限元模型，將風壓載荷加載到屏蔽門有限元模型，求解并提取屏蔽門上應力集中部位的壓力，結合其摩擦因數計算總摩擦阻力，通過阻力衡量屏蔽門開關門能力，從而得出兩車模型下地鐵隧道活塞風對屏蔽門的影響。

1 兩車模型的模擬仿真

列車在區間隧道行進過程中，由于隧道壁面限制，列車前部空氣會受到擠壓而使壓力升高，受到擠壓的空氣會形成壓縮波沿著列車前進方向流動，另一部分空氣沿著列車與隧道之間的環狀空間向列車后方流動，這種氣流被稱為活塞風。

1.1 地鐵車站隧道三維模型的建立

本研究搭建單線隧道內1車在前方車站靠站停車、1車向后方車站行進的兩車、兩車站、三區間隧道的地鐵隧道模型，示意簡圖如圖1所示。

圖1 兩車模型示意簡圖

本文以南寧地鐵1號線為研究對象，選取動物園站到白蒼嶺站的線路搭建上述兩車模型，所建模型仿真情況為：一列車停靠在魯班路站，另一列車在從白蒼嶺站駛出以80 km/h速度沿廣西大學站方向行進。為保證模型的真實性且便于計算，將部分對流場仿真影響不大且增加模型復雜性的部分進行適當簡化。

1.2 控制方程

地鐵隧道內空氣流動為不可壓縮非穩態流體，選取?方程模型對所建三維仿真模型進行模擬，采用三維非定常流動計算方法進行分析，其控制方程即連續性方程、動量方程、能量方程分別為：

式中：為密度；為時間；為速度矢量；為空氣溫度；為導熱系數；c為定壓比熱；為速度變量；為動力黏度；為廣義源項。

1.3 計算網格的劃分

本文采用ICEM對所建三維模型進行網格劃分[15]。由于所建模型復雜且長度較大，本文采用非結構網格對模型進行劃分，劃分的計算網格如圖2所示。

圖2 兩車模型計算網格

1.4 邊界條件及求解器設置

基于fluent19.1軟件進行流體計算仿真，邊界條件反映了計算模型在邊界上的變量變化特征，本文兩車隧道模型中的邊界條件設置如表1所示。

設置列車行駛速度為22.2 m/s，列車與隧道之間的相對運動采用滑移網格處理。對于地鐵隧道出入口、活塞風井口以及屏蔽門口等與室外環境連接等邊界條件，將其設置為壓力出、入口，其中將壓力入流設為入口邊界，將壓力出流設為出口邊界；隧道壁與列車設為壁面邊界條件；參考南寧地鐵1號線自然通風條件，設置環境壓力為100.4 kPa。

表1 邊界條件設置

1.5 數值仿真結果與分析

仿真所得地鐵活塞風數值模擬整體壓力云圖，待研究屏蔽門部分壓力云圖如圖3～4所示。

由整體壓力圖可知，列車運行過程中活塞風沿列車運行方向存在明顯的壓力梯度，活塞風以壓力波的形式傳遞。根據局部壓力云圖可知，雖然壓力梯度變化不明顯，但是局部壓力云圖各個位置所受風壓存在差異，屏蔽門區域的應力分布由進站端端門向出站端端門逐步衰減。

圖3 兩車模型整體壓力云圖

圖4 屏蔽門區域壓力云圖

1.6 屏蔽門區域壓力提取

南寧地鐵1號線站廳每側站臺包括24個屏蔽門單元，選取單個屏蔽門單元的滑動門進行該單元的應力分析，并將該單元劃分若干個壓力微元。每個壓力微元的應力分布取平均值，且作用點在正方形應力微元中心，以此來提取屏蔽門單元的應力值，為下一步屏蔽門受力分析提供載荷數據。提取所得壓力值如表2所示。

表2 第1扇屏蔽門單元壓力提取表

2 活塞風對屏蔽門的受力分析

2.1 屏蔽門結構及受力分析

屏蔽門系統由機械結構和電氣系統2部分構成，機械部分包括門體結構和門機傳動系統，電氣部分包括供電系統和控制系統。

本文研究對象主要是地鐵屏蔽門的門體結構，包括固定門、應急門、滑動門、端門、頂箱、承重結構、門檻、預埋件、密封件和絕緣件，屏蔽門單元圖如圖5所示。

對于單個屏蔽門單元，地鐵列車在運行時存在4種不同的力作用在屏蔽門上，分別是電機作用于屏蔽門的驅動力N；屏蔽門導軌和屏蔽門之間的相對運動形成的摩擦力1；屏蔽門受到隧道活塞風的壓力F；由于車站隧道內外壓力不同存在靜壓差，作用于屏蔽門的縫隙處，其所受靜壓力為F。屏蔽門受力分析如圖6所示。

1—滑動門；2—應急門；3—固定門；4—立柱；5—頂部支撐結構；6—底部支撐結構；7—頂部箱體。

(a) 滑動屏蔽門受力分析圖；(b) 單扇滑動屏蔽門受力分析圖

根據屏蔽門受力分析可得，當靜壓力F與摩擦力1接近驅動力或瞬時超過驅動力時，屏蔽門可能發生開關門故障。因此，為了求得屏蔽門所受靜壓力F以及所受摩擦力1，對屏蔽門單元進行有限元分析。

2.2 屏蔽門有限元模型建立

本文針對地鐵列車到站，屏蔽門即將開啟受到過大活塞風而產生變形，從而導致屏蔽門故障的情況進行有限元靜力分析。

根據表3滑動屏蔽門主要參數，選取單個屏蔽門單元內的2扇滑動門作為研究對象，建立有限元模型。其中滑動門門框(除底部)材料為不銹鋼，底部門框采用Q235-B鋼制成，屏蔽門玻璃采用鋼化玻璃，材料參數如表4所示。

表3 滑動門主要參數

表4 材料參數

2.3 載荷分析

地鐵屏蔽門承受的外載荷主要有：風壓載荷、乘客擠壓力、乘客沖擊力、地震載荷，其中乘客沖擊力發生情況概率較小。因此根據載荷之間的相關性，本文主要考慮乘客擠壓力、風壓載荷、地震載荷作用下的工況。

風壓載荷主要是由列車活塞效應和車站空調系統造成，一般由空調系統造成的風壓靜止載荷為1 500 Pa，列車活塞效應造成的載荷采用上文求解所得數據。對于乘客擠壓力，根據設計手冊可得乘客擠壓力為1 000 N/m。地震載荷主要考慮水平方向的載荷，將其乘以滑動門自重后作用在門體底部。各類載荷的具體數值如表5所示。

表5 載荷參數表

將以上壓力載荷及表2所提取風壓載荷作用在所建滑動門有限元模型上，加載后有限元模型如圖7所示。

圖7 滑動門門體載荷加載示意圖

2.4 結果分析

求解后屏蔽門滑動門部分應力應變如圖8 所示。

圖8 屏蔽門應變圖

從圖9等效應力圖可知，滑動門上應力分布并不對稱，在四周門檻處都有部分突出值，其中在頂部門檻應力突出部分較周圍而言更為密集。此外在2扇滑動門閉合處也有應力突出值。

總摩擦力為各處最大靜摩擦力之和，本文主要計算3個部位的最大靜摩擦力：門體頂部與頂箱箱體；門體底部與底部門檻；左、右兩扇滑動門閉合處。最大靜摩擦力計算采用經典的滑動摩擦力計算公式：

式中：μ為摩擦因數，根據配合材料不同取不同的數值；FN為接觸面正壓力。

對于接觸面正壓力，從圖9等效應力圖可以看出：門頂主要在左、中、右3處出現較大的應力集中，將這3處應力集中處的壓力提取出來，并加權求和，作為門體頂部和頂箱之間的總正應力；門體底部主要為左邊緣部分出現較大應力集中；2扇門閉合處也存在較為均布的大面積應力，將這部分應力取平均值作為2扇門閉合處接觸總正壓力。各類系數以及計算數值結果見表6。

表6 摩擦參數與數值

計算可得，總摩擦阻力為370.37 N，超過設計規程要求的300 N(2扇)，說明該工況下，屏蔽門發生故障的可能性較大，與實際故障情況相吻合。

3 不同工況下活塞風對屏蔽門的影響

3.1 屏蔽門位置對屏蔽門壓力的影響

屏蔽門壓力幅值沿站臺分布情況見圖10。根據圖10所示仿真結果可知：站臺進口段屏蔽門壓力幅值總體較出口段大，屏蔽門壓力幅值從進口段1-5號屏蔽門不斷增長，在5號屏蔽門位置達到峰值，其5號屏蔽門的壓力幅值為0.254 kPa；6～24號壓力幅值逐漸下降，最低幅值出現在23號屏蔽門位置，其壓力幅值為0.190 kPa；壓力幅值除了靠近活塞風井處的1號及24號屏蔽門以外，其他位置壓力變化不大。

圖10 壓力幅值隨屏蔽門位置分布圖

3.2 車速對屏蔽門壓力的影響

為了研究地鐵列車車速對屏蔽門壓力的影響，分別取60，70，80，90和100 km/h的列車運行時速進行仿真。仿真所得壓力幅值如表7所示。

根據表7所示仿真結果顯示，列車運行速度從60 km/h增速到70 km/h時，1號，3號和5號屏蔽門壓力分別增加了0.64，0.69和0.69 hPa；列車運行速度從70 km/h增速到80 km/h時，1號，3號和5號屏蔽門壓力分別增加了0.86，0.86和0.88 hPa；列車運行速度從80 km/h增速到90 km/h時，1號，3號和5號屏蔽門壓力分別增加了0.98，0.97和0.97 hPa；列車運行速度從90 km/h增速到100 km/h時，1號，3號和5號屏蔽門壓力分別增加了1.23，1.27和1.27 hPa。從以上分析可知，隨著列車運行速度的不斷增加，地鐵車站屏蔽門所受風壓也不斷增加，屏蔽門所受活塞風壓力幅值與列車運行速度呈正相關，且變化趨勢越來越大。

表7 不同車速條件下屏蔽門壓力幅值

3.3 活塞風井布置對屏蔽門壓力的影響

為了研究活塞風井布置對屏蔽門壓力的影響，分別對如下3種不同的風井布置工況進行仿真：

1) 雙活塞風井布置模式：在車站的區間隧道進站口、出站口分別布置活塞風井。

2) 進站口單活塞風井布置模式：在車站區間隧道進站口布置活塞風井。

3) 出站口單活塞風井布置模式：在車站區間隧道進站口布置活塞風井。

仿真所得不同布置模式下屏蔽門所受活塞風壓力如表8所示。

表8 不同布置模式下屏蔽門所受壓力

仿真結果顯示，與雙活塞風井布置模型對比，在進站端布置單活塞風井導致屏蔽門壓力整體增加了2.11%，在出站端布置單活塞風井導致屏蔽門壓力整體增加了117.98%。說明了雙活塞風井布置模式優于單活塞風井布置模式；在進站端布置單個活塞風井對壓力的緩解效果大大優于在出站端布置活塞風井。

4 結論

1) 通過有限元模型計算得到的屏蔽門最大阻力，與南寧地鐵1號線實際故障進行對比顯示屏蔽門所受最大阻力為370.37 N，超過設計規程300 N，有較大可能造成屏蔽門故障。活塞風壓過大時引起的屏蔽門故障實際存在，驗證了建立的仿真模型的準確性和有效性。

2) 屏蔽門所受最大風壓受到列車運行速度、屏蔽門布置位置及風井布置模式的綜合作用的影響。

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Study on the influence of piston wind on platform screen door in subway tunnel based on two-train model

YUAN Yuzhao1, HE Deqiang1, CHEN Yanjun1, MIAO Jian1, SHAN Sheng2, LI Kai1

(1. School of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China; 2. Zhuzhou CRRC Rail Times Electric Co., Ltd., Zhuzhou 412001, China)

The subway tunnel model of two-train, two-station and three-tunnel was established by analyzing the forming mechanism of piston wind in this paper. The velocity and pressure of piston wind caused by running train in the tunnel were simulated by sliding mesh technology. The pressure value of piston wind in the platform screen door (PSD) area of the station was extracted. Through the static analysis of the PSD, the capacity of closing and opening door was measured by the maximum resistance of the PSD. The simulation results were compared with the actual fault of Nanning metro line 1, which showed that the simulation model was effective and reasonable. Finally, the influence of piston wind on PSD was studied under different working conditions. The results show that the maximum wind pressure of PSD is affected by the train speed, the position of PSD and the wind shaft layout mode, which provides a theoretical reference for the fault diagnosis and intelligent maintenance of PSD.

platform screen door; piston wind; numerical simulation; sliding mesh

U279.4

A

1672 ? 7029(2021)01 ? 0227 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200283

2020?04?08

國家自然科學基金資助項目(51765006)；廣西自然科學基金重點資助項目(2017GXNSFDA198012)；廣西研究生教育創新計劃資助項目(YCSW2019033)

賀德強(1973?)，男，湖南桃江人，教授，博士，從事機車車輛、故障診斷與智能維護等研究；E?mail：hdqianglqy@126.com

(編輯 涂鵬)