袁譽(yù)釗，賀德強(qiáng)，陳彥君，苗劍，單晟，李凱

基于兩車模型的地鐵隧道活塞風(fēng)對(duì)屏蔽門影響研究

袁譽(yù)釗1，賀德強(qiáng)1，陳彥君1，苗劍1，單晟2，李凱1

(1. 廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2. 株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001)

為研究隧道活塞風(fēng)對(duì)地鐵屏蔽門的影響，通過分析活塞風(fēng)形成機(jī)理，構(gòu)建兩車、兩車站、三區(qū)間隧道的地鐵隧道模型，利用滑移網(wǎng)格技術(shù)仿真模擬列車在隧道運(yùn)行時(shí)引起的活塞風(fēng)速度與壓力，并提取所研究車站屏蔽門區(qū)域所受活塞風(fēng)的壓力值。通過對(duì)屏蔽門進(jìn)行靜力學(xué)分析，利用屏蔽門所受最大阻力來衡量屏蔽門開關(guān)能力。將仿真結(jié)果與南寧地鐵1號(hào)線的實(shí)際故障進(jìn)行對(duì)比分析，研究不同工況下活塞風(fēng)對(duì)屏蔽門的影響。研究結(jié)果表明：所建仿真模型有效、合理，屏蔽門所受最大風(fēng)壓受列車運(yùn)行速度、屏蔽門位置及風(fēng)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(yùn)維提供理論參考。

地鐵屏蔽門；活塞風(fēng)；數(shù)值模擬；滑移網(wǎng)格

地鐵屏蔽門作為一種安全保護(hù)設(shè)施除了保障列車、乘客進(jìn)出站時(shí)的安全，還能夠有效減少區(qū)間隧道與站臺(tái)之間的空氣流通，減輕車站空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷，達(dá)到節(jié)能效果。但是，由于屏蔽門對(duì)氣流的阻隔作用導(dǎo)致列車的活塞效應(yīng)顯著增強(qiáng)，同時(shí)隨著行車密度的增加，活塞風(fēng)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(qū)間隧道內(nèi)活塞效應(yīng)影響發(fā)生屏蔽門故障。因此，開展地鐵活塞風(fēng)對(duì)屏蔽門故障影響研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1?2]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地鐵活塞效應(yīng)的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：針對(duì)地鐵隧道內(nèi)流場(chǎng)特征進(jìn)行研究，梅元貴等[3]以地鐵列車氣動(dòng)特征為切入點(diǎn)建立仿真模型，分析了列車在隧道內(nèi)行駛時(shí)的流場(chǎng)特征，但并沒有考慮站臺(tái)和活塞風(fēng)井等因素的影響；Kim等[4]考慮活塞風(fēng)井對(duì)隧道通風(fēng)的影響，分析了通風(fēng)豎井通風(fēng)量和豎井周圍地鐵隧道的流場(chǎng)特征，根據(jù)通風(fēng)豎井的位置來評(píng)價(jià)通風(fēng)性能，發(fā)現(xiàn)要使通風(fēng)效果最大化，通風(fēng)井的最佳位置應(yīng)布置在站臺(tái)附近，但并沒有考慮活塞效應(yīng)對(duì)站臺(tái)屏蔽門造成的影響。針對(duì)地鐵列車引起的活塞風(fēng)對(duì)屏蔽門的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量實(shí)測(cè)和模擬仿真[5?6]López等[7]建立了一個(gè)兩站雙向隧道三維模型，采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬了列車在兩站之間的位移，得出列車在雙向隧道流場(chǎng)內(nèi)的活塞效應(yīng)特征。以上研究的數(shù)值模擬均為三維模擬仿真，其模型建立復(fù)雜，耗用計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)[8]。為了簡(jiǎn)化復(fù)雜的三維問題， LIU等[9]基于地鐵隧道活塞風(fēng)仿真問題提出了6種二維仿真模型，利用實(shí)驗(yàn)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(cè)試了地鐵列車以不同速度等級(jí)通過站臺(tái)時(shí)的活塞風(fēng)壓大小，得出當(dāng)列車運(yùn)行在120 km/s時(shí)，屏蔽門上的風(fēng)壓結(jié)構(gòu)損傷相對(duì)最小。以上研究只考慮了單車在隧道中運(yùn)行時(shí)引起的活塞效應(yīng)，并沒有考慮兩車、多車運(yùn)行時(shí)隧道內(nèi)的活塞效應(yīng)。針對(duì)活塞風(fēng)引起的屏蔽門故障，韓二文[11]通過對(duì)行車密度增加后活塞風(fēng)壓增大造成屏蔽門故障的現(xiàn)象進(jìn)行分析，得出列車在通過1號(hào)屏蔽門時(shí)該屏蔽門受到的風(fēng)壓最大。針對(duì)受風(fēng)壓最大的1號(hào)屏蔽門，Lee等[12]對(duì)列車風(fēng)壓作用下的屏蔽門結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行了瞬態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)分析；部分學(xué)者以屏蔽門結(jié)構(gòu)為對(duì)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(yàn)驗(yàn)證了屏蔽門的可靠性。上述研究沒有針對(duì)活塞風(fēng)引起的屏蔽門故障對(duì)屏蔽門進(jìn)行具體的受力分析，針對(duì)如何解決因活塞風(fēng)壓過大導(dǎo)致關(guān)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(nèi)運(yùn)行的兩車、兩車站、三隧道模型，通過FLUENT仿真，根據(jù)仿真所得數(shù)據(jù)提取故障門所受風(fēng)壓。然后，構(gòu)建單個(gè)屏蔽門單元有限元模型，將風(fēng)壓載荷加載到屏蔽門有限元模型，求解并提取屏蔽門上應(yīng)力集中部位的壓力，結(jié)合其摩擦因數(shù)計(jì)算總摩擦阻力，通過阻力衡量屏蔽門開關(guān)門能力，從而得出兩車模型下地鐵隧道活塞風(fēng)對(duì)屏蔽門的影響。

1 兩車模型的模擬仿真

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

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(nèi)1車在前方車站靠站停車、1車向后方車站行進(jìn)的兩車、兩車站、三區(qū)間隧道的地鐵隧道模型，示意簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 兩車模型示意簡(jiǎn)圖

本文以南寧地鐵1號(hào)線為研究對(duì)象，選取動(dòng)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?？吭隰敯嗦氛?，另一列車在從白蒼嶺站駛出以80 km/h速度沿廣西大學(xué)站方向行進(jìn)。為保證模型的真實(shí)性且便于計(jì)算，將部分對(duì)流場(chǎng)仿真影響不大且增加模型復(fù)雜性的部分進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。

1.2 控制方程

地鐵隧道內(nèi)空氣流動(dòng)為不可壓縮非穩(wěn)態(tài)流體，選取?方程模型對(duì)所建三維仿真模型進(jìn)行模擬，采用三維非定常流動(dòng)計(jì)算方法進(jìn)行分析，其控制方程即連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程分別為：

式中：為密度；為時(shí)間；為速度矢量；為空氣溫度；為導(dǎo)熱系數(shù)；c為定壓比熱；為速度變量；為動(dòng)力黏度；為廣義源項(xiàng)。

1.3 計(jì)算網(wǎng)格的劃分

本文采用ICEM對(duì)所建三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分[15]。由于所建模型復(fù)雜且長(zhǎng)度較大，本文采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行劃分，劃分的計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 兩車模型計(jì)算網(wǎng)格

1.4 邊界條件及求解器設(shè)置

基于fluent19.1軟件進(jìn)行流體計(jì)算仿真，邊界條件反映了計(jì)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(shè)置如表1所示。

設(shè)置列車行駛速度為22.2 m/s，列車與隧道之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)采用滑移網(wǎng)格處理。對(duì)于地鐵隧道出入口、活塞風(fēng)井口以及屏蔽門口等與室外環(huán)境連接等邊界條件，將其設(shè)置為壓力出、入口，其中將壓力入流設(shè)為入口邊界，將壓力出流設(shè)為出口邊界；隧道壁與列車設(shè)為壁面邊界條件；參考南寧地鐵1號(hào)線自然通風(fēng)條件，設(shè)置環(huán)境壓力為100.4 kPa。

表1 邊界條件設(shè)置

1.5 數(shù)值仿真結(jié)果與分析

仿真所得地鐵活塞風(fēng)數(shù)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(yùn)行過程中活塞風(fēng)沿列車運(yùn)行方向存在明顯的壓力梯度，活塞風(fēng)以壓力波的形式傳遞。根據(jù)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(gè)位置所受風(fēng)壓存在差異，屏蔽門區(qū)域的應(yīng)力分布由進(jìn)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(qū)域壓力云圖

1.6 屏蔽門區(qū)域壓力提取

南寧地鐵1號(hào)線站廳每側(cè)站臺(tái)包括24個(gè)屏蔽門單元，選取單個(gè)屏蔽門單元的滑動(dòng)門進(jìn)行該單元的應(yīng)力分析，并將該單元?jiǎng)澐秩舾蓚€(gè)壓力微元。每個(gè)壓力微元的應(yīng)力分布取平均值，且作用點(diǎn)在正方形應(yīng)力微元中心，以此來提取屏蔽門單元的應(yīng)力值，為下一步屏蔽門受力分析提供載荷數(shù)據(jù)。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(fēng)對(duì)屏蔽門的受力分析

2.1 屏蔽門結(jié)構(gòu)及受力分析

屏蔽門系統(tǒng)由機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣系統(tǒng)2部分構(gòu)成，機(jī)械部分包括門體結(jié)構(gòu)和門機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，電氣部分包括供電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

本文研究對(duì)象主要是地鐵屏蔽門的門體結(jié)構(gòu)，包括固定門、應(yīng)急門、滑動(dòng)門、端門、頂箱、承重結(jié)構(gòu)、門檻、預(yù)埋件、密封件和絕緣件，屏蔽門單元圖如圖5所示。

對(duì)于單個(gè)屏蔽門單元，地鐵列車在運(yùn)行時(shí)存在4種不同的力作用在屏蔽門上，分別是電機(jī)作用于屏蔽門的驅(qū)動(dòng)力N；屏蔽門導(dǎo)軌和屏蔽門之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成的摩擦力1；屏蔽門受到隧道活塞風(fēng)的壓力F；由于車站隧道內(nèi)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(dòng)門；2—應(yīng)急門；3—固定門；4—立柱；5—頂部支撐結(jié)構(gòu)；6—底部支撐結(jié)構(gòu)；7—頂部箱體。

(a) 滑動(dòng)屏蔽門受力分析圖；(b) 單扇滑動(dòng)屏蔽門受力分析圖

根據(jù)屏蔽門受力分析可得，當(dāng)靜壓力F與摩擦力1接近驅(qū)動(dòng)力或瞬時(shí)超過驅(qū)動(dòng)力時(shí)，屏蔽門可能發(fā)生開關(guān)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(duì)屏蔽門單元進(jìn)行有限元分析。

2.2 屏蔽門有限元模型建立

本文針對(duì)地鐵列車到站，屏蔽門即將開啟受到過大活塞風(fēng)而產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致屏蔽門故障的情況進(jìn)行有限元靜力分析。

根據(jù)表3滑動(dòng)屏蔽門主要參數(shù)，選取單個(gè)屏蔽門單元內(nèi)的2扇滑動(dòng)門作為研究對(duì)象，建立有限元模型。其中滑動(dòng)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(shù)如表4所示。

表3 滑動(dòng)門主要參數(shù)

表4 材料參數(shù)

2.3 載荷分析

地鐵屏蔽門承受的外載荷主要有：風(fēng)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(fā)生情況概率較小。因此根據(jù)載荷之間的相關(guān)性，本文主要考慮乘客擠壓力、風(fēng)壓載荷、地震載荷作用下的工況。

風(fēng)壓載荷主要是由列車活塞效應(yīng)和車站空調(diào)系統(tǒng)造成，一般由空調(diào)系統(tǒng)造成的風(fēng)壓靜止載荷為1 500 Pa，列車活塞效應(yīng)造成的載荷采用上文求解所得數(shù)據(jù)。對(duì)于乘客擠壓力，根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)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(dòng)門自重后作用在門體底部。各類載荷的具體數(shù)值如表5所示。

表5 載荷參數(shù)表

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

圖7 滑動(dòng)門門體載荷加載示意圖

2.4 結(jié)果分析

求解后屏蔽門滑動(dòng)門部分應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D8 所示。

圖8 屏蔽門應(yīng)變圖

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

總摩擦力為各處最大靜摩擦力之和，本文主要計(jì)算3個(gè)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(dòng)門閉合處。最大靜摩擦力計(jì)算采用經(jīng)典的滑動(dòng)摩擦力計(jì)算公式：

式中：μ為摩擦因數(shù)，根據(jù)配合材料不同取不同的數(shù)值；FN為接觸面正壓力。

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

表6 摩擦參數(shù)與數(shù)值

計(jì)算可得，總摩擦阻力為370.37 N，超過設(shè)計(jì)規(guī)程要求的300 N(2扇)，說明該工況下，屏蔽門發(fā)生故障的可能性較大，與實(shí)際故障情況相吻合。

3 不同工況下活塞風(fēng)對(duì)屏蔽門的影響

3.1 屏蔽門位置對(duì)屏蔽門壓力的影響

屏蔽門壓力幅值沿站臺(tái)分布情況見圖10。根據(jù)圖10所示仿真結(jié)果可知：站臺(tái)進(jìn)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(jìn)口段1-5號(hào)屏蔽門不斷增長(zhǎng)，在5號(hào)屏蔽門位置達(dá)到峰值，其5號(hào)屏蔽門的壓力幅值為0.254 kPa；6～24號(hào)壓力幅值逐漸下降，最低幅值出現(xiàn)在23號(hào)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(fēng)井處的1號(hào)及24號(hào)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(duì)屏蔽門壓力的影響

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

根據(jù)表7所示仿真結(jié)果顯示，列車運(yùn)行速度從60 km/h增速到70 km/h時(shí)，1號(hào)，3號(hào)和5號(hào)屏蔽門壓力分別增加了0.64，0.69和0.69 hPa；列車運(yùn)行速度從70 km/h增速到80 km/h時(shí)，1號(hào)，3號(hào)和5號(hào)屏蔽門壓力分別增加了0.86，0.86和0.88 hPa；列車運(yùn)行速度從80 km/h增速到90 km/h時(shí)，1號(hào)，3號(hào)和5號(hào)屏蔽門壓力分別增加了0.98，0.97和0.97 hPa；列車運(yùn)行速度從90 km/h增速到100 km/h時(shí)，1號(hào)，3號(hào)和5號(hào)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(yùn)行速度的不斷增加，地鐵車站屏蔽門所受風(fēng)壓也不斷增加，屏蔽門所受活塞風(fēng)壓力幅值與列車運(yùn)行速度呈正相關(guān)，且變化趨勢(shì)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(fēng)井布置對(duì)屏蔽門壓力的影響

為了研究活塞風(fēng)井布置對(duì)屏蔽門壓力的影響，分別對(duì)如下3種不同的風(fēng)井布置工況進(jìn)行仿真：

1) 雙活塞風(fēng)井布置模式：在車站的區(qū)間隧道進(jìn)站口、出站口分別布置活塞風(fēng)井。

2) 進(jìn)站口單活塞風(fēng)井布置模式：在車站區(qū)間隧道進(jìn)站口布置活塞風(fēng)井。

3) 出站口單活塞風(fēng)井布置模式：在車站區(qū)間隧道進(jìn)站口布置活塞風(fēng)井。

仿真所得不同布置模式下屏蔽門所受活塞風(fēng)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(jié)果顯示，與雙活塞風(fēng)井布置模型對(duì)比，在進(jìn)站端布置單活塞風(fēng)井導(dǎo)致屏蔽門壓力整體增加了2.11%，在出站端布置單活塞風(fēng)井導(dǎo)致屏蔽門壓力整體增加了117.98%。說明了雙活塞風(fēng)井布置模式優(yōu)于單活塞風(fēng)井布置模式；在進(jìn)站端布置單個(gè)活塞風(fēng)井對(duì)壓力的緩解效果大大優(yōu)于在出站端布置活塞風(fēng)井。

4 結(jié)論

1) 通過有限元模型計(jì)算得到的屏蔽門最大阻力，與南寧地鐵1號(hào)線實(shí)際故障進(jìn)行對(duì)比顯示屏蔽門所受最大阻力為370.37 N，超過設(shè)計(jì)規(guī)程300 N，有較大可能造成屏蔽門故障?；钊L(fēng)壓過大時(shí)引起的屏蔽門故障實(shí)際存在，驗(yàn)證了建立的仿真模型的準(zhǔn)確性和有效性。

2) 屏蔽門所受最大風(fēng)壓受到列車運(yùn)行速度、屏蔽門布置位置及風(fēng)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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51765006)；廣西自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2017GXNSFDA198012)；廣西研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(YCSW2019033)

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

(編輯 涂鵬)