時速250 km動車組設備艙裙板氣動載荷線路測試分析

余以正，楊明智，孫健，蓋杰

(1.中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 4100001; 2.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130000)

近年來，我國高鐵、動車發展迅速，但是我國疆域龐大，地形復雜，列車運行工況異常復雜.隨著車速的提高，氣動載荷、振動載荷等不斷增加，車體、轉向架、部件經受嚴峻考驗.尤其是隨著車速的提升，列車一些關鍵部件承受著交變的氣動載荷越來越大[1-2].研究表明，對于時速超過200 km的動車組，在一些隧道工況、交會工況較多的線路上，對于車體、裙板、底板等部件，氣動載荷是結構承受的主要疲勞載荷，占總損傷比70%以上[3-4].目前，國內運行的動車組，出現過多起設備艙裙板開裂的現象，對列車的運行安全造成了一定的隱患[5].而國內對時速200 km以上動車組車體、部件氣動載荷譜的研究尚處于起步階段，國內多數氣動載荷的研究，多集中在臺架試驗及仿真分析方面[6-8].但是臺架試驗與仿真分析對于設備艙裙板氣動載荷的獲取，有較大的缺陷，一方面，列車運行的線路工況異常復雜，而仿真分析與臺架試驗是在理想條件下開展，因此仿真分析與臺架試驗不能完全模擬線路真實工況；此外實際情況下設備艙裙板結構在列車運行不同工況下，空氣動力載荷與車體表面載荷存在較大區別，如隧道交會、隧道通過、明線交會等工況下氣動載荷大小、作用方式均不相同[9-10].基于上述原因，導致我國主機廠家對設備艙裙板空氣動力學載荷作用方式、載荷譜選擇、載荷循環次數等考慮的不充分，因此在對設備艙裙板開展設計和分析時，對空氣動力載荷考慮的要么保守，要么不考慮，導致對設備艙結構過設計.要么運行一定時間后設備艙裙板出現裂紋失效現象.導致上述原因最主要的因素是，目前我國對列車實際線路設備艙裙板氣動載荷測試不足，數據缺乏，沒有積累足夠的數據量，導致設備艙裙板氣動載荷譜的制定存在巨大困難[11].本文的工作主要針對實際運行中時速250 km等級動車組設備艙裙板開展氣動載荷測試，并對全線所有列車通過隧道、列車明線交會的工況情況進行統計分析，得出設備艙裙板各測點內外壓差的最大值、最小值和峰峰值的統計分布規律.本文的研究結果對我國制定時速250 km速度等級設備艙氣動載荷譜及設備艙的設計有一定的指導以及參考意義.

1 設備艙裙板壓力載荷測試

1.1 測試線路

此次分析研究選擇的測試線路是列車實際運行線路，該線路全程710 km，分布有62個隧道，線路包含了復線、單車隧道、雙線隧道.因此，列車全程運行過程中，可以體現列車實際運行中所有可能工況，包括列車單車通過隧道工況、列車隧道交會工況、列車明線交會工況等.

1.2 測試設備

測試設備見表1.由于設備艙裙板要具備對外換熱功能，因此密封性較差，而此次測試主要針對設備艙裙板內外壓差開展測試，因此需要選擇量程相對小、精度相對高的傳感器.

表1 測試設備

傳感器均采用3M膠帶和AB膠固定在設備艙裙板各位置，信號線纜均沿就近一位側或二位側走線至采集箱位置，走線方式采用每隔300 mm尼龍扎帶捆扎方式固定.測試設備通過專用的吊掛裝置固定在設備艙內，不會影響列車運行安全.每塊裙板的三個測點均保持對稱分布，絕壓測點布置在中間測點位置(見圖1).對于差壓測點，左右側分別有六個測點，按照從1車到8車的方向，將左側差壓測點命名為L1、L2、L3、L4、L5、L6，將右側測點命名為R1、R2、R3、R4、R5、R6.為便于比較分析，按區域將裙板分成三段，其中R1、R2為裙板1段、R3、R4為裙板2段、R5、R6為裙板3段，對于左側裙板亦是如此區分.對于絕壓測點，左右側分別有2個測點，按照從1車到8車的方向，將左側絕壓測點命名LA1、LA2，將右側絕壓測點命名為RA1、RA2.底板內側位置布置兩個絕壓測點，左側為B1，右側為B2.

圖1 測點布置裙板位置

1.3 測試工況

本次測試捕捉到了包括列車單車通過隧道工況、列車隧道交會工況、列車明線交會工況等，車速最大為250 km/h.

2 試驗結果分析

由于本次測試研究，需對列車進行長期跟蹤測試，因此，采集的數據量非常龐大，數據采集時間長達近百小時.按照上文論述，實際情況下設備艙裙板結構在隧道工況與明線交會工況時，氣動載荷大小、作用方式均不相同，因此需要明確加以區分，而壓差數據往往沒有明顯的變化規律，因此靠壓差數據判斷列車所處工況有一定的難度.但列車隧道通過、隧道交會、明線交會時，列車各點絕對壓力的特征有明顯的不同特征，因此，通過對裙板測點絕對壓力的測試，可以迅速判斷列車所處工況，從而判斷出列車所處工況，圖2是本次測試時RA1測點的絕壓數據，從絕壓數據判斷，此時為列車隧道單車通過工況，把具有此特征絕壓數據時間段的壓差數據截取出來， 就 可 以 獲 得沿線所有隧道工況的設備艙裙板壓差數據，從而進行統計分析.

圖2 設備艙裙板絕壓數據變化

圖3是本次測試時，列車通過某個隧道設備艙裙板右側測點R1、R2、R3、R4、R5、R6壓差數據，從圖可見，設備艙裙板壓差數據沒有明顯變化規律，這就是必須布置絕壓測點判斷列車運行工況的原因.對于左側L1、L2、L3、L4、L5、L6測點，根據分析，其變化規律及大小與右側測點基本一致，因此主要用作比較參考，或者壞點數據備份.

圖3 列車過隧道設備艙裙板差壓測量數據變化

由于單一的過隧道工況不足以反映隧道引起氣壓變化的規律，現將全線所有列車通過隧道的工況集中起來統計分布，圖4、5是第一段裙板上兩個測點上內外壓差的最大值、最小值的統計分布.

圖4 R1測點內外壓差統計分布

圖5 R2測點內外壓差統計分布

對于第一段設備艙裙板上的測點，即R1-R2，可以發現R1單側壓差主要分布為800 Pa左右，最大值可以到1 100 Pa左右，其壓差峰峰值主要集中在900 Pa左右；R2單側壓差主要分布在700 Pa左右，最大值為820 Pa左右，其壓差峰峰值主要集中在660 Pa左右.

圖6、7是第二段裙板上兩個測點上內外壓差的最大值、最小值和峰峰值的統計分布.對于第二段裙板上的測點，即R3～R4，可以發現R5單側壓差主要分布在500 Pa左右，最大值為650 Pa，其壓差峰峰值主要集中在400～600 Pa左右；R6單側壓差主要分布在750 Pa左右，最大值為950 Pa左右，其壓差峰峰值主要集中在800～1 000 Pa.

圖6 R3測點內外壓差統計分布

圖7 R4測點內外壓差統計分布

圖8、9是第三段裙板上兩個測點上內外壓差的最大值、最小值和峰峰值的統計分布.對于第三塊裙板上的測點，即R5-R6，可以發現R5單側壓差主要集中在900 Pa，最大值為1 150 Pa，其壓差峰峰值主要集中在1 450 Pa以下；R6單側壓差主要分布在1 100 Pa以下，最大值為1 200 Pa，其壓差峰峰值主要集中在1 100 Pa左右.

圖8 R5測點內外壓差統計分布

圖9 R6測點內外壓差統計分布

圖10是本次測試時RA1測點的絕壓數據，從絕壓數據判斷，此時為列車明線交會工況，把具有此特征絕壓數據時間段的壓差數據截取出來，就可以獲得沿線所有明線交會的設備艙裙板壓差數據，從而進行統計分析.

圖11是本次測試時，列車明線交會時設備艙裙板右側測點R1、R2、R3、R4、R5、R6壓差數據，對于左側L1、L2、L3、L4、L5、L6測點，由于不是交會側，左側的數據對于明線交會時分析沒有用處.

圖10 設備艙裙板絕壓數據變化

圖11 列車明線交會設備艙裙板差壓測量數據變化

由于單一的過明線交會工況不足以反映列車明線運行時引起氣壓變化的規律，現將全線所有列車通過明線交會的工況集中起來統計分布，圖12、13是第一段裙板上兩個測點上內外壓差的最大值、最小值統計分布.對于第一段裙板上的測點，即R1～R2，可以發現R1單側壓差最大值為375 Pa左右，其峰峰值最大值為675 Pa左右；R2單側壓差最大值為475 Pa左右，其壓差峰峰值最大值為650 Pa左右.

圖12 R1測點內外壓差統計分布

圖13 R2測點內外壓差統計分布

圖14、15是第二段裙板上兩個測點上內外壓差的最大值、最小值和峰峰值的統計分布.對于第二段裙板上的測點，即R3-R4，可以發現R3單側壓差最大值為500 Pa左右，其壓差峰峰值最大值為625 Pa左右；R4單側壓差最大值為600 Pa，其壓差峰峰值最大值為900 Pa.

圖14 R3測點內外壓差統計分布

圖15 R4測點內外壓差統計分布

圖16、17是第三段裙板上兩個測點上內外壓差的最大值、最小值和峰峰值的統計分布.對于第三段裙板上的測點，即R5-R6，可以發現R5單側壓差最大值為700 Pa左右，其峰峰值最大值為950 Pa左右；R6單側壓差最大值為1 050左右，其壓差峰峰值最大值為1 150 Pa左右.

圖16 R5測點內外壓差統計分布

圖17 R6測點內外壓差統計分布

3 結論

本文針對實際運行中的時速250 km等級動車組設備艙裙板氣動載荷開展線路測試研究，并將全線所有列車通過隧道、列車明線交會工況集中起來統計分析，得出各測點內外壓差的最大值、最小值和峰峰值的統計分布，得到以下結論：

(1)列車隧道通過、隧道交會、明線交會時，列車各點絕對壓力的特征有明顯的不同特征，因此，通過對裙板測點絕對壓力的測試分析，可以迅速判斷列車實際運行中所處工況，從而區分不同氣動載荷；

(2)以設備艙裙板為測試研究對象，列車隧道工況時，第一段設備艙裙板單側壓差主要分布為800 Pa左右，最大值可以到1 100 Pa左右，其壓差峰峰值主要集中在900 Pa左右；第二段設備艙裙板單側壓差主要分布在750 Pa左右，最大值為950 Pa左右，其壓差峰峰值主要集中在800～1 000 Pa；第三段設備艙裙板裙板上單側壓差主要集中900 Pa，最大值為1 200 Pa左右，其壓差峰峰值主要集中在1 150 Pa左右；

(3)以設備艙裙板為測試研究對象，列車明線交會工況時，第一段設備艙裙板單側壓差最大值為475 Pa左右，其峰峰值最大值為675 Pa左右；第二段設備艙裙板單側壓差最大值為500 Pa左右，其壓差峰峰值最大值為625 Pa左右；第三段設備艙裙板單側壓差最大值為600 Pa左右，其峰峰值最大值為900 Pa左右；第二塊裙板上單側壓差最大值為1 050左右，其峰峰值最大值為1 150 Pa左右.