時間:2020年10月27日 分類:科學(xué)技術(shù)論文 次數(shù):
摘要:在某鐵路特大橋聲屏障試驗段,布置超低壓壓力傳感器陣列,采用自主研發(fā)的壓力采集系 統(tǒng),測試獲得了 CRH3 動車組以時速 300km/h~350km/h 往返行駛進出聲屏障時的壓力時程曲線。 采用雙線性插值方式,得到了壓力傳感器陣列布置區(qū)域的動態(tài)壓力場。通過測試得到了壓力場高 低壓區(qū)的形狀、相對于聲屏障的位置、高低壓區(qū)的距離間隔等。分析了頭波和尾波最大正、負壓 力值的差異。基于頭波和尾波的壓力場,得到壓力場的最大正、負壓力值與車速的平方近似成線 性關(guān)系。研究結(jié)果可為聲屏障的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供基礎(chǔ)載荷數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞:聲屏障;CRH3 動車組;壓力場;沖擊強度;實車試驗
1 引 言
高速列車的噪聲是制約其速度的主要因素之 一[1-2],因而具有吸聲、隔聲功能的聲屏障被廣泛 應(yīng)用于鐵路沿線以降低噪聲[3-4]。科隆-法蘭克福高 鐵是德國首條時速達 300km 的鐵路,投運一年多以 后,其聲屏障出現(xiàn)了松動、脫落等情況,不僅大大 影響降噪效果、造成安全隱患,還耗費了大量維 修資金。
為保證聲屏障的結(jié)構(gòu)安全,德國在紐倫 堡-英戈斯塔特高速鐵路進行了聲屏障試驗研究。測 試結(jié)果表明,高速列車駛過聲屏障產(chǎn)生的壓力波表 現(xiàn)出明顯的頭波和尾波特性,這種特性也得到了我 國鐵道科學(xué)研究院對京津城際鐵路聲屏障測試結(jié)果的驗證[5]。頭車車鼻進入聲屏障時,聲屏障近軌迎 風(fēng)面先承受正壓,再承受負壓;尾車車鼻進入聲屏 障時則相反,聲屏障先承受負壓,再承受正壓。紐 倫堡-英戈斯塔特和京津城際鐵路聲屏障的測試獲 得了關(guān)鍵點的壓力時程曲線,但沒有得到聲屏障表 面壓力場的分布,而聲屏障表面壓力場是聲屏障強 度設(shè)計的重要依據(jù)。壓力波的作用可導(dǎo)致聲屏障結(jié) 構(gòu)的瞬時應(yīng)力過大或疲勞破壞[6-7]。
為得到聲屏障表 面的壓力場,文獻[8-10]采用數(shù)值模擬的方式,獲得 了壓力場相對聲屏障的位置、頭波和尾波正、負壓 力場的距離等,但數(shù)值模擬的準確性和有效性還需 要試驗驗證。文獻[11]采取了風(fēng)洞試驗測試聲屏障 表面的壓力和應(yīng)變。高速列車行駛產(chǎn)生的壓力場與 風(fēng)洞氣流產(chǎn)生的壓力場有本質(zhì)區(qū)別。
依托某鐵路特大橋聲屏障試驗段,布置了超低壓壓力傳感器陣列, 采用自主研發(fā)的壓力采集系統(tǒng),測試獲得 CRH3 動 車組以時速 300km/h~350km/h 往返行駛進出聲屏障 的壓力時程曲線。采用雙線性插值方式,計算得到壓力傳感器陣列布置區(qū)域的動態(tài)壓力場,分析 其分布規(guī)律,以為聲屏障的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供基礎(chǔ)載荷數(shù)據(jù)。
2 聲屏障壓力傳感器陣列布置方案
現(xiàn)場試驗在某鐵路特大橋聲屏障試驗段進行, 插入式聲屏障由鋁合金單元板和H型鋼立柱裝配而 成。聲屏障高度為 3.15m,立柱間距為 2m。根據(jù)數(shù) 值模擬結(jié)果[6],測點布置在第 1、3、4、6 立柱的底 部(0m)、以及底部以上 0.4m(對應(yīng)防撞墻高度)、1m、 2.15m、2.65m 和 3.15m(立柱頂部)位置。距端口 2.5m 處第二單元板 1/4 跨度處的測點,布置在底部以上 0.4m、1m、2.15m、3.15m 高度處,共計 28 個測點。
在測試現(xiàn)場,有一根接觸網(wǎng)立柱位于 立柱 5 和立柱 6 之間,立柱 4、5 間的安裝間距僅為 0.7m,這樣不必在立柱 5 上布置壓力傳感器。差壓 式傳感器陣列布置在聲屏障端口處的迎風(fēng)面,測試 迎風(fēng)面和背風(fēng)面的壓差。 靠近聲屏障一側(cè)的軌道為試驗軌道,試驗車輛 為 CRH3 型動車組。
在鐵路相關(guān)部門的配合下, CRH3 動車組在聲屏障的近軌軌道專門往返行駛, 以獲得進出聲屏障的相關(guān)壓力波數(shù)據(jù)。現(xiàn)場測試采 用西南交通大學(xué)自主研發(fā)的超低壓動態(tài)壓力測試系 統(tǒng),該系統(tǒng)基于 Power PC405 嵌入式實時處理器,主頻工作在 200MHz,儲深度高為 8MSa。通過模擬 仿真,計算的聲屏障的壓力波正波幅值、負波幅值 均約為 1000Pa,因此,選擇壓力量程為±1250Pa 的 HONEYWELL 差壓式壓力傳感器。經(jīng)中國計量科 學(xué)研究院測試,整套自主研發(fā)的測試系統(tǒng)的精度可 達±2Pa,滿足試驗要求。
3 測試結(jié)果及分析
3.1 壓力波的時程變化規(guī)律
現(xiàn)場測試持續(xù) 30 天,氣候條件較理想,2~3 級 東南風(fēng)、無雨。在 CRH3 動車組距聲屏障 100m 外 開始啟動動態(tài)壓力測試系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。分別是 CRH3 動車組駛?cè)搿Ⅰ偝?3.15m 聲屏障 時,壓力波幅值發(fā)生點的壓力時程曲線,可見它有典型的頭波和尾波特征,與德國紐倫堡-英戈斯塔特 高鐵、我國鐵道科學(xué)研究院在京津城際鐵路的測試 結(jié)果一致[3-4]。CRH3 動車組以速度 340km/h 駛?cè)肼?屏障時壓力波幅值發(fā)生在測點 10,正波幅值為 813Pa,負波幅值為-676Pa,正負峰值之間的時間間 隔為 40ms。以速度 350km/h 駛出聲屏障時壓力波幅 值發(fā)生在測點 14,正壓幅值為 681Pa,負壓幅值為 -848Pa,正負峰值之間的時間間隔為 33ms。
3.2 壓力場的分布規(guī)律
測試得到傳感器陣列 28 個測點的壓力時程曲 線后,參照數(shù)值計算中由離散點物理量繪制場云圖 的方法,采用雙線性插值方式[13],可得到各時刻聲 屏障迎風(fēng)面的壓力場。 由于頭波的正負壓力場幅值均明顯大于尾波,下面重點討論頭波壓力場的特點。CRH3 動車組以 速度 340km/h 駛?cè)肼暺琳蠒r(近軌下行),正壓場大致呈靶形,靶心正壓 值最大,最大正壓 813Pa 發(fā)生在第二單元板 1/4 跨 度處的測點 10,該測點離端口 2.5m,距底部 0.4m。
距靶心水平距離越遠,壓力值越小。若以垂向(聲屏 障高度方向)為對稱軸,正壓場表現(xiàn)出對稱的趨勢, 未完全形成對稱場的原因是,最高壓力發(fā)生點距端 口僅 2.5m,聲屏障端口的泄壓效應(yīng)和復(fù)雜形狀車鼻 的活塞效應(yīng)對此均有較大影響。防撞墻在聲屏障端 口外部 0.25m 處有一寬 0.11m 的縫隙,對正壓場的形 狀和大小有一定影響。負壓場亦呈靶形,靶心負壓值最大,最大負壓-731Pa, 發(fā)生在離端口 6m、距底部 0.4m 處的測點 21。
距靶 心水平距離越遠,壓力絕對值越小,聲屏障 1m 以 下的底部壓力場比較均勻,顯現(xiàn)出聲屏障的閉壓效 應(yīng),聲屏障上部壓力隨高度遞減,顯現(xiàn)出泄壓效應(yīng)。 若以垂向(聲屏障高度方向)為對稱軸,負壓場則顯現(xiàn)出較理想的靶形對稱場,這是由于最大負壓發(fā)生 在距端口 6m 距離,端口泄壓效應(yīng)影響較小的結(jié)果。 值得注意的是,最大正壓和最大負壓的發(fā)生位置一 般不同。
3.3 壓力場正、負壓力最大值與速度的關(guān)系
頭波的最大正、負壓力值均明顯比尾波大,聲屏 障結(jié)構(gòu)強度設(shè)計需著重關(guān)注頭波壓力場。CRH3 動車 組經(jīng)過聲屏障時,呈靶形的正、負壓力場在聲屏障迎 風(fēng)面隨動車組前移,使車鼻附近的聲屏障呈波浪狀起 伏,在測試現(xiàn)場肉眼可見。隨車移動的、間距基本保 持固定的正負壓力場及其間距是聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計的 關(guān)鍵。時速 350km/h 的壓力時程曲線可 計算得到正、負壓力場的靶心間距約為 3.2m。
鐵道論文投稿刊物:《上海鐵道科技》(季刊)創(chuàng)刊于1979年,由上海鐵路局主辦。本刊是一本綜合性鐵路科技期刊,為鐵路局科技進步服務(wù),為鐵路廣大科技工作者服務(wù)。著重介紹鐵路依靠科技進步尋求發(fā)展的技術(shù)方案,交流鐵路局的科技成果和優(yōu)秀論文,介紹國外先進鐵路技術(shù)及有關(guān)軌道交通(城市鐵路、地鐵)技術(shù)。
4 結(jié) 論
采用超低壓壓力傳感器陣列,對某鐵路特大橋聲屏障試驗段的壓力場進行了測試分析,得到動車組駛?cè)搿Ⅰ偝雎暺琳蠒r動態(tài)壓力場的變化規(guī)律,具體結(jié)果如下。
1) 無論是駛?cè)脒是駛出聲屏障,頭波的最大正、 負壓力值明顯大于尾波,頭波的正、負壓力場均呈靶形,靶心的壓力值最大。防撞墻間隙和接觸網(wǎng)立 柱會影響正負壓力場的形狀。
2) 聲屏障底部顯現(xiàn)出明顯的閉壓效應(yīng),上部則顯 現(xiàn)出明顯的泄壓效應(yīng),導(dǎo)致聲屏障底部的壓力梯度 小,壓力值較大。聲屏障上部的壓力梯度大,壓力 值較小。
3) 基于沖擊強度、壓力值大小和壓力場范圍可知, CRH3 動車組駛出聲屏障較駛?cè)霑r更加危險,端部 是聲屏障設(shè)計的重點。
參 考 文 獻 (References)
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作者:王言聿 1 郭旭 2 成志強 1