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第２ ２ ０ ０７ ，６年ｌ１月 第 ＣＨＩ中 国 ＲＡ…铁 ＩＬＷ 道 ｓｃ－ｉＩＥｉ ＮｃＴ堂 ．Ｅ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，２００６ Ｖｏ１．２７ Ｎｏ．６ 文章编号：１００１—４６３２（２００６）０６—００６４—０４ 列车交会压力波与运行速度的关系 田红旗，许 平，梁习锋，刘堂红 （中南大学轨道交通安全教育部重点实验室，湖南长沙４１００７５） 摘要：随着列车速度的提高，列车交会时产生的瞬态压力冲击对行车安全、旅客舒适性均产生严重影响。 根据多次实车试验结果和理论分析，将列车交会分为列车静止交会、等速交会和不等速交会３种工况，研究了３ 种工况的列车交会压力波与运行速度之间的关系，得到一系列回归关系式 研究结果表明：静止列车上的压力 波与交会列车运行速度的平方成正比；两列车等速交会时，列车上的压力波幅值与两交会列车的运行速度和相 对速度的平方成正比；两列车不等速交会时，高速列车承受的压力波幅值小于与之交会的低速列车所承受的压 力波幅值｝两列车等速交会时的压力波大于一方列车静止时交会的压力波 关键词：列车空气动力学；列车交会压力波；列车运行速度；速度比 中图分类号：Ｕ２６Ｏ．ＩＩ 文献标识码：Ａ 列车提速后，列车交会时产生的瞬态压力冲击 会时，在运动列车上测到的压力没有明显的波形出 对行车安全、旅客的舒适性将产生严重影响，诸如 现，接近于一条等压线，因此本文仅研究在静止列 使车厢产生过大的变形并伴有爆破声，震碎或击碎 车上测到的压力波。 车窗玻璃［１］，损坏空调系统进风装置，吸下被交会 列车的篷布等物品，列车瞬态横摆过大，横向振动 加剧，气密性不佳的车辆会使乘客耳鸣、呕吐等。 随着列车速度的提高，因列车交会引起的空气动力 （ａ］静止列车上测试结果 学问题更为突出。因此，为确保列车交会时的行车 安全，国内外轨道交通运输部门对此问题均非常重 视Ｅ２－引，我国已将检验列车交会空气压力波作为列 （ｂ）运动列车上测试结果 车运行安全评估的重要指标。 列车交会包括列车静止交会（运行列车与静止 图１与静止列车交会的压力波曲线 列车交会），２列列车等速交会和不等速交会３种 ：Ｅ况。 为研究列车静止交会时空气压力波与运行速度 之间的关系，取一组不同速度的列车静止交会实车 １列车静止交会 试验数据，每种速度下取列车车体不同位置的４个 测点进行分析，其结果列于表１。 列车静止交会指运行列车与静止列车的交会， 根据表１所列数据，对列车静止交会时的压力 即列车在交会瞬间一列车处于运动状态，其速度 波幅值与运行速度之间的关系用乘幂拟合，得到拟 Ｖ２＞Ｏ（交会列车速度），而另一列车为静止状态， 合关系式和相关系数，见表１。 速度 一Ｏ（被测试列车速度）。 分析表１中的拟合关系式不难发现，列车各部 图１为与静止列车交会实车试验的典型压力波 位的交会压力波幅值与运行速度之间的关系用乘幂 ．曲线，图１（ａ）为在静止列车上测到的结果，图１ 拟合时，其相关系数的平方均大于０．９９，即Ｒ ≈ （ｂ）为在运动列车上测到的结果。当列车静止交 １，关系式中列车运行速度的幂次为２，拟合系数 收稿日期｛２００６—０４—１４ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０５７５２２７） 作者简介：田红旗（１９５９一），女，河南鲁山人，教授，博士生导师。 维普资讯 http://www.cqvip.com
第６期 列车交会压力波与运行速度的关系 均为正数，因此，列车静止交会时的压力波幅值与 交会列车运行速度的平方成正比。 ＡＰｌ一口 。 ； （１） 式中：△Ｐ 为被测试列车上感受到的压力波幅值； 口 。为用曲线拟合得到的系数，其值与压力波、静 通过上述分析，构造出如下的压力波幅值与运 行速度通用关系式 止交会时的列车速度有关。 表１列车静止交会的压力波与运行速度之间的关系 车运行速度之间的关系，然后推导出压力波幅值与 ２列车等速交会 ２列交会列车相对速度的关系。 当列车等速交会时，为研究列车交会空气压力 ２列交会列车在交会瞬间以相同的速度运行被 波与列车运行速度之间的关系，取一组不同速度的 称为列车等速交会，即 一 。＞Ｏ。理论上讲，２ 列车交会实车试验数据，每种速度下取列车车体不 列列车等速交会时，在２列列车对应部位产生的交 同位置的４个测点（与列车静止交会时的４个测点 会压力波应相等，因此仅研究压力波幅值与某一列 位置相同）进行分析，其结果列于表２。 表２列车等速交会的压力波与运行速度之间的关系 对列车等速交会时的压力波幅值与运行速度之 间的关系用乘幂拟合，得到的拟合关系式和相关系 ３列车不等速交会 数列于表２。分析表２中的拟合关系式可以得到， 列车等速交会时的压力波幅值与交会列车运行速度 列车不等速交会是指２列列车在交会瞬间均处 的平方成正比。构造出如下通用关系式 于运动状态，即 １＞Ｏ，ｖｚ＞Ｏ，且 １－／－ｖ２。 △Ｐｌ—ａｐｖ ｉ （２） 当２列列车不等速交会时，为研究列车交会空 式中；ａ 为用曲线拟合得到的系数，其值与压力 气压力波与被测列车和交会列车运行速度之间的关 波、等速交会时的列车速度有关。 系，取一组不同速度比的列车交会实车试验数 列车交会压力波幅值与２列交会列车相对速度 据［ ，每种速度比取同一截面上的４个测点进行分 的关系。 析。通过分析被测试列车上的压力波系数ＡＣ ，与 因为２列列车等速交会， 一 ：＞Ｏ 速度比之间的关系，得到不同速度比下的压力波系 所以，列车相对速度的平方 数以及拟合关系式和相关系数，见表３。 一（ １＋ ２）。＝＝：４ ｝一４ｖｌ （３） 分析表３中的拟合关系式，其相关系数均 将式（３）代入式（２）得到 ＞Ｏ．９４，即Ｒ。≈１，说明两者完全相关。由此，构 １ △Ｐ一÷口 （４） 造压力波系数与速度比的关系式为 △ 一ａＰｔ 一 ｒ （５） 根据式（２）和式（４）可以得到，列车等速交 式中：ａ ，ｂ 分别为与压力波系数和速度比有关 会时，压力波幅值与交会列车运行速度的平方成正 的无量纲系数； 为速度比， 一 １／ ２。 比，与２列交会列车相对速度的平方成正比。 由于系数ａ ，ｂ 均为正数，因此压力波系 数随速度比的平方增大而减小。 维普资讯 http://www.cqvip.com
６６ 中国铁道科学 第２７卷 表３列车不等速交会速度 匕与压力波系数的关系 注：△ｃＰ１为压力波系数，△ｃ尸１＝－△Ｚ－Ｐｌ，口＝ １ ２ ；Ｐ为空气密度。 将关系式（５）改写为 （６） △ＣＰ 一 一 ｒ 一口 一 （ ）。 的压力冲击也较小。由此可进一步得出：当２列列 车以不同的运行速度交会时，对低速运行的列车更 不利。 关系式（６）两边同乘以 １ ２ 得到： ，△Ｐ１一 １ “ ４列车静止、等速２种交会压力波比 较 （７） ：２ ２２－（ｂｗ 一口 ）诉＋ ２口 １ ＿Ｊ 为了方便讨论，将关系式（７）写成更通用的 一般式为 Ａｐ１一口 ；＋２ａ ， １ ２～ｂ 讶 （８） 表４列出了列车等速交会与静止交会２种工况 的试验结果及比较。 表４列车等速、静止２种交会压力波幅值比较 式中：口 ，ｂｗ ，分别为与压力波、不等速交会时 的２列交会列车速度有关的系数。 １ １ 测点号 ＂ ｝ Ｍ” 坞坞 且口 ２一专ｌＤ ａｐｔ ，ｂｗｌ２一专ｌＤ（６ 一口 ） 对于一般关系式（８），从列车交会压力波的定 义可知，由于△Ｐ ≥Ｏ，因此，一般关系式（８）有 一从表４所列数据可以看出，瞪速交会的压力波 幅值△Ｐ运比静止交会的压力波幅值△Ｐ静增大 １Ｏ％．－，２５％。与静止交会相比，由于等速交会的相 坫 定的适应范围。 由关系式（８）和表３的拟合系数可知，无量 纲系数ａｐｔ ＞０，ｂｗ ＞０，２口 ＞ ＞ａｐｔ ，即 ｂｗ 一ａｐｔ ＞０，口 １２＞０，２ａｍ１２一ｂｗｌ２＞０ 对运行速度大，使列车周围（尤其列车头部）空气 流场流动加剧，列车交会瞬态压力增大。因此，列 车等速交会时产生的压力波幅值大于列车静止交会 时的压力波幅值。同理，列车不等速交会时低速车 受到的压力波大于列车静止交会时静止列车上受到 的压力波。 则当２列交会列车运行速度 。＞ 时，压力波幅 值为 △Ｐ１＞△Ｐ２ （９） 也就是说，当２列列车以不同的运行速度交会 时，高速列车承受的压力波幅值小于与之交会的低 速列车所承受的压力波幅值，２列交会列车运行速 ５结论 度差越大，压力波幅值相差也越大。 接下来分析不等速列车交会时，２列列车承受 的压力波幅值不相等的原因。由于速度较高的列车 对其头部周围流场产生强烈扰动，这种强烈的扰动 将对低速列车侧壁产生较强的压力冲击，使低速车 １）列车静止交会时，静止列车上的压力波幅 值与交会列车运行速度的平方成正比。 ２）列车等速交会时，压力波幅值与交会列车 运行速度的平方成正比，与２列交会列车相对速度 的平方成正比。 ３）当２列列车以不同的运行速度交会时，高 所承受的交会压力波较大。同样，速度较低的列车 对其头部周围流场产生的扰动相对较弱，对高速车 维普资讯 http://www.cqvip.com
第６期 列车交会压力波与运行速度的关系 ６７ 速列车承受的压力波幅值小于与之交会的低速列车 所承受的压力波幅值，２列交会列车运行速度差越 大，压力波幅值相差也越大。当２列列车以不同的 参 Ｅｌｉ 田红旗，姚２：３２ ４Ｏ． 运行速度交会时，对低速运行的列车更不利。 ４）列车等速交会时产生的压力波幅值大于列 车静止交会时的压力波幅值。 文 献 考 松，姚曙光．列车交会压力波对车体和侧窗的影响ＥＪ］＋中国铁道科学，２０Ｏ０，２１（４）：６ １２． ［２］ Ｉ．ａｕｒｉｋｓ Ｇ．Ｔｈｅ Ｃｏｍｆｏｒｔａｂｌｅ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｏｌｌｉｎｇ Ｓｔｏｃｋ［Ｊ］＇Ｒａｉｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｃｈｉｅｎｅｎｄｅｒ Ｗｅｌｔ，２００３， ［３］ Ｊｕ Ｓ Ｈ，Ｌｉｎ Ｈ Ｔ＋Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｈｉｇｈ—Ｓｐｅｅｄ Ｔｒａｉｎｓ Ｐａｓｓｉｎｇ Ｓｉｍｐｌｙ Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ Ｂｒｉｄｇｅｓ［刀．Ｊｏｕｒｎａｌ ０ｆ Ｓｏｕｎｄ ａｎｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，２００３，２６７（５）：ｌ１２７—１１４１． ｇｈｕｎａｔｈａｎ Ｒ Ｓ，Ｋｉｍ Ｈ Ｄ，Ｓｅｔｏｇｕｃｈｉ Ｔ．Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ Ｈｉｇｈ－Ｓｐｅｅｄ Ｒａｉｌｗａｙ Ｔｒａｉｎ口］．Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ ［４］ ＲａＳｃｉｅｎｃｅｓ，２００２，（３８）：４６９—５１４． ｉｉ Ｋ，Ｏｇａｗａ Ｔ．Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｔｒａｉｎｓ Ｐａｓｓｉｎｇ ｂｙ Ｅａｃｈ Ｏｔｈｅｒ［刀．Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ＆Ｆｌｕｉｄｓ，１９９５， ［５］ Ｆｕｊ２４（８）：８９７—９Ｏ８． ［６］ 田红旗，梁习锋．准高速列车交会空气压力波试验研究［刀．铁道学报，１９９８，２Ｏ（４）：３７－－４２． Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｗａｖｅ ｏｆ Ｔｒａｉｎ Ｐａｓｓｉｎｇ ａｎｄ Ｒｕｎｎｉｎｇ Ｓｐｅｅｄ ＴＩＡＮ Ｈｏｎｇ—ｑｉ，ＸＵ Ｐｉｎｇ，ＬＩＡＮＧ Ｘｉ—ｆｅｎｇ，ＬＩＵ Ｔａｎｇ－ｈｏｎｇ （Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｔｒａｃｋ Ｔｒａｆｆｉｃ Ｓａｆｅｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ， Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｈｕｎａｎ ４１００７５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｒａｉｎ ｓｐｅｅｄ，ｔｈｅ ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐｕｌｓｅ ｏｆ ｔｒａｉｎ ｐａｓｓｉｎｇ ｗｉｌｌ ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｆｏｒｔ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｓｓｅｎｇｅｒｓ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍａｎｙ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｆｕｌｌ— ｓｃａｌｅ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｒａｉｎ ｐａｓｓｉｎｇ ｗａｓ ｃｌａｓｓｉｆｉｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｒｅｅ ｃａｔｅｇｏｒｉｅｓ：ｏｎｅ ｔｒａｉｎ ｉｓ ｓｔａｔｉｃ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｉＳ ｍｏｖｉｎｇ，ｂｏｔｈ ｔｒａｉｎｓ ｈａｖｅ ｕｎｉｆｏｒｍ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｕｎ ｕｎｉｆｏｒｍ ｖｅｌｏｃｉｔｙ．Ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｖｅ ｏｆ ｔｒａｉｎ ｐａｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｒａｉｎ ｓｐｅｅｄ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ａｂｏｖｅｍｅｎｔｉｏｎｅｄ ｔｈｒｅｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ， ａｎｄ ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｒｅｇｒｅｓｓｉｖｅ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕ ｗａｖｅ ｏｆ ｓｔａｔｉｃ ｔｒａｉｎ ｉｓ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｔｏ ｔｈｅ ｓｑｕａｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｐｏｓｉｎｇ ｔｒａｉｎ，ａｎｄ ｔｈａｔ ｏｆ ｕｎｉｆｏｒｍ ｖｅ— ｌｏｃｉｔｙ ｉｓ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｔｏ ｔｈｅ ｓｑｕａｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｐｏｓｉｎｇ ｔｒａｉｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｓｐｅｅｄ．Ｔｈｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｑｕｉｃｋｅｒ ｔｒａｉｎ ｉｓ ｌａｒｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｏｗｅｒ ｏｎｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｒａｉｎ ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｗｉｔｈ ｕｎ ｕｎｉｆｏｒｍ ｖｅｌｏｃｉｔｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｖｅ ｗｉｔｈ ｕｎｉｆｏｒｍ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｉｓ ｌａｒｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｓｔａｔｉｃ ｔｒａｉｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｔｒａｉｎ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ；Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｖｅ ｏｆ ｔｒａｉｎ ｃｒｏｓｓｉｎｇ；Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｔｒａｉｎ；Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｒａ ｔｉｏ （责任编辑杨宁清）