学术咨询

让论文发表更省时、省事、省心

CRH3动车组高速出入声屏障时压力场特性的试验研究

时间:2020年10月27日 分类:科学技术论文 次数:

摘要:在某铁路特大桥声屏障试验段,布置超低压压力传感器阵列,采用自主研发的压力采集系 统,测试获得了 CRH3 动车组以时速 300km/h~350km/h 往返行驶进出声屏障时的压力时程曲线。 采用双线性插值方式,得到了压力传感器阵列布置区域的动态压力

  摘要:在某铁路特大桥声屏障试验段,布置超低压压力传感器阵列,采用自主研发的压力采集系 统,测试获得了 CRH3 动车组以时速 300km/h~350km/h 往返行驶进出声屏障时的压力时程曲线。 采用双线性插值方式,得到了压力传感器阵列布置区域的动态压力场。通过测试得到了压力场高 低压区的形状、相对于声屏障的位置、高低压区的距离间隔等。分析了头波和尾波最大正、负压 力值的差异。基于头波和尾波的压力场,得到压力场的最大正、负压力值与车速的平方近似成线 性关系。研究结果可为声屏障的结构设计提供基础载荷数据。

  关键词:声屏障;CRH3 动车组;压力场;冲击强度;实车试验

高速动车组

  1 引 言

  高速列车的噪声是制约其速度的主要因素之 一[1-2],因而具有吸声、隔声功能的声屏障被广泛 应用于铁路沿线以降低噪声[3-4]。科隆-法兰克福高 铁是德国首条时速达 300km 的铁路,投运一年多以 后,其声屏障出现了松动、脱落等情况,不仅大大 影响降噪效果、造成安全隐患,还耗费了大量维 修资金。

  为保证声屏障的结构安全,德国在纽伦 堡-英戈斯塔特高速铁路进行了声屏障试验研究。测 试结果表明,高速列车驶过声屏障产生的压力波表 现出明显的头波和尾波特性,这种特性也得到了我 国铁道科学研究院对京津城际铁路声屏障测试结果的验证[5]。头车车鼻进入声屏障时,声屏障近轨迎 风面先承受正压,再承受负压;尾车车鼻进入声屏 障时则相反,声屏障先承受负压,再承受正压。纽 伦堡-英戈斯塔特和京津城际铁路声屏障的测试获 得了关键点的压力时程曲线,但没有得到声屏障表 面压力场的分布,而声屏障表面压力场是声屏障强 度设计的重要依据。压力波的作用可导致声屏障结 构的瞬时应力过大或疲劳破坏[6-7]。

  为得到声屏障表 面的压力场,文献[8-10]采用数值模拟的方式,获得 了压力场相对声屏障的位置、头波和尾波正、负压 力场的距离等,但数值模拟的准确性和有效性还需 要试验验证。文献[11]采取了风洞试验测试声屏障 表面的压力和应变。高速列车行驶产生的压力场与 风洞气流产生的压力场有本质区别。

  依托某铁路特大桥声屏障试验段,布置了超低压压力传感器阵列, 采用自主研发的压力采集系统,测试获得 CRH3 动 车组以时速 300km/h~350km/h 往返行驶进出声屏障 的压力时程曲线。采用双线性插值方式,计算得到压力传感器阵列布置区域的动态压力场,分析 其分布规律,以为声屏障的结构设计提供基础载荷数据。

  2 声屏障压力传感器阵列布置方案

  现场试验在某铁路特大桥声屏障试验段进行, 插入式声屏障由铝合金单元板和H型钢立柱装配而 成。声屏障高度为 3.15m,立柱间距为 2m。根据数 值模拟结果[6],测点布置在第 1、3、4、6 立柱的底 部(0m)、以及底部以上 0.4m(对应防撞墙高度)、1m、 2.15m、2.65m 和 3.15m(立柱顶部)位置。距端口 2.5m 处第二单元板 1/4 跨度处的测点,布置在底部以上 0.4m、1m、2.15m、3.15m 高度处,共计 28 个测点。

  在测试现场,有一根接触网立柱位于 立柱 5 和立柱 6 之间,立柱 4、5 间的安装间距仅为 0.7m,这样不必在立柱 5 上布置压力传感器。差压 式传感器阵列布置在声屏障端口处的迎风面,测试 迎风面和背风面的压差。 靠近声屏障一侧的轨道为试验轨道,试验车辆 为 CRH3 型动车组。

  在铁路相关部门的配合下, CRH3 动车组在声屏障的近轨轨道专门往返行驶, 以获得进出声屏障的相关压力波数据。现场测试采 用西南交通大学自主研发的超低压动态压力测试系 统,该系统基于 Power PC405 嵌入式实时处理器,主频工作在 200MHz,储深度高为 8MSa。通过模拟 仿真,计算的声屏障的压力波正波幅值、负波幅值 均约为 1000Pa,因此,选择压力量程为±1250Pa 的 HONEYWELL 差压式压力传感器。经中国计量科 学研究院测试,整套自主研发的测试系统的精度可 达±2Pa,满足试验要求。

  3 测试结果及分析

  3.1 压力波的时程变化规律

  现场测试持续 30 天,气候条件较理想,2~3 级 东南风、无雨。在 CRH3 动车组距声屏障 100m 外 开始启动动态压力测试系统进行数据采集。分别是 CRH3 动车组驶入、驶出 3.15m 声屏障 时,压力波幅值发生点的压力时程曲线,可见它有典型的头波和尾波特征,与德国纽伦堡-英戈斯塔特 高铁、我国铁道科学研究院在京津城际铁路的测试 结果一致[3-4]。CRH3 动车组以速度 340km/h 驶入声 屏障时压力波幅值发生在测点 10,正波幅值为 813Pa,负波幅值为-676Pa,正负峰值之间的时间间 隔为 40ms。以速度 350km/h 驶出声屏障时压力波幅 值发生在测点 14,正压幅值为 681Pa,负压幅值为 -848Pa,正负峰值之间的时间间隔为 33ms。

  3.2 压力场的分布规律

  测试得到传感器阵列 28 个测点的压力时程曲 线后,参照数值计算中由离散点物理量绘制场云图 的方法,采用双线性插值方式[13],可得到各时刻声 屏障迎风面的压力场。 由于头波的正负压力场幅值均明显大于尾波,下面重点讨论头波压力场的特点。CRH3 动车组以 速度 340km/h 驶入声屏障时(近轨下行),正压场大致呈靶形,靶心正压 值最大,最大正压 813Pa 发生在第二单元板 1/4 跨 度处的测点 10,该测点离端口 2.5m,距底部 0.4m。

  距靶心水平距离越远,压力值越小。若以垂向(声屏 障高度方向)为对称轴,正压场表现出对称的趋势, 未完全形成对称场的原因是,最高压力发生点距端 口仅 2.5m,声屏障端口的泄压效应和复杂形状车鼻 的活塞效应对此均有较大影响。防撞墙在声屏障端 口外部 0.25m 处有一宽 0.11m 的缝隙,对正压场的形 状和大小有一定影响。负压场亦呈靶形,靶心负压值最大,最大负压-731Pa, 发生在离端口 6m、距底部 0.4m 处的测点 21。

  距靶 心水平距离越远,压力绝对值越小,声屏障 1m 以 下的底部压力场比较均匀,显现出声屏障的闭压效 应,声屏障上部压力随高度递减,显现出泄压效应。 若以垂向(声屏障高度方向)为对称轴,负压场则显现出较理想的靶形对称场,这是由于最大负压发生 在距端口 6m 距离,端口泄压效应影响较小的结果。 值得注意的是,最大正压和最大负压的发生位置一 般不同。

  3.3 压力场正、负压力最大值与速度的关系

  头波的最大正、负压力值均明显比尾波大,声屏 障结构强度设计需着重关注头波压力场。CRH3 动车 组经过声屏障时,呈靶形的正、负压力场在声屏障迎 风面随动车组前移,使车鼻附近的声屏障呈波浪状起 伏,在测试现场肉眼可见。随车移动的、间距基本保 持固定的正负压力场及其间距是声屏障结构设计的 关键。时速 350km/h 的压力时程曲线可 计算得到正、负压力场的靶心间距约为 3.2m。

  铁道论文投稿刊物:《上海铁道科技》(季刊)创刊于1979年,由上海铁路局主办。本刊是一本综合性铁路科技期刊,为铁路局科技进步服务,为铁路广大科技工作者服务。着重介绍铁路依靠科技进步寻求发展的技术方案,交流铁路局的科技成果和优秀论文,介绍国外先进铁路技术及有关轨道交通(城市铁路、地铁)技术。

  4 结 论

  采用超低压压力传感器阵列,对某铁路特大桥声屏障试验段的压力场进行了测试分析,得到动车组驶入、驶出声屏障时动态压力场的变化规律,具体结果如下。

  1) 无论是驶入还是驶出声屏障,头波的最大正、 负压力值明显大于尾波,头波的正、负压力场均呈靶形,靶心的压力值最大。防撞墙间隙和接触网立 柱会影响正负压力场的形状。

  2) 声屏障底部显现出明显的闭压效应,上部则显 现出明显的泄压效应,导致声屏障底部的压力梯度 小,压力值较大。声屏障上部的压力梯度大,压力 值较小。

  3) 基于冲击强度、压力值大小和压力场范围可知, CRH3 动车组驶出声屏障较驶入时更加危险,端部 是声屏障设计的重点。

  参 考 文 献 (References)

  [1] 田红旗.列车空气动力学[M].北京:中国铁道出版社,2007.(TIAN Hongqi.Train aerodynamics[M].Beijing:China Railway Publishing House,2007(in Chinese)).

  [2] LÜ Ming,LI Qiang,NING Zhi,et al.Study on the aerodynamic load characteristic of noise reduction barrier on high-speed railway[J]. Journal of wind engineering & industrial aerodynamics,2018, 176(3):254-262.

  [3] 苏卫青.高速铁路噪声影响评价研究[J].铁道标准设计,2011(5): 100-104.(SU Weiqing.Evaluation on influence of noises along high speed railway[J].Railway standard design,2011(5):100-104(in Chinese)).

  [4] WANG Yanpeng,JIAO Yinghou,CHEN Zhaobo.Research on the well at the top edge of noise barrier[J].Applied acoustics,2018, 133(9):118-122.

  作者:王言聿 1 郭旭 2 成志强 1

NOW!

Take the first step of our cooperation迈出我们合作第一步

符合规范的学术服务 助力您的学术成果走向世界


点击咨询学术顾问