高寒动车组设备舱内进雪源监控跟踪试验研究

王利忠 1，黄磊 2，宋健 2，白永成 2，周伟 3

1. 长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春，130062；

2. 2．中国铁路哈尔滨局集团有限公司，黑龙江 哈尔滨，150006；

3. 3. 轨道交通安全教育部重点实验室，中南大学交通运输工程学院，湖南 长沙，410075

摘 要：随着高铁线路逐渐向高寒地区延伸，冻雨、暴雪等极端天气使得高寒动车组设备舱进雪积雪问题严重，导致列车关键电气设备发生故障，严重影响设备及列车运行安全。通过开展基于差异亮度对比捕捉光束内雪粒子运动轨迹跟踪试验，对积雪严重的关键部位进行视频监控，明确舱内积雪主要来源，为后续设备舱防进雪、防积雪结冰设计优化提供依据。通过试验发现主要进雪源包括：侧裙板、端板与底架下边梁三者交汇处，端板、裙板下沿、支撑槽三者交汇处，侧进风裙板滤网，密封不严的底板交接处，端板与侧裙板顶部密封条的缝隙。此外，设备舱部分区域的进雪情况随运行方向不同而异，当为靠近头车迎风运行时，端板与侧裙板顶部缝隙的进雪量要显著高于靠近尾车背风运行时的情况。靠近双线线路内侧时，地面积雪更容易被卷进用风滤网处，进雪较多；而靠近线路外侧路堤，积雪斜坡下沉不易卷起，进雪较少。因此，建议对裙板、底板缝隙进行封堵，此外针对进雪较多的通风裙板应使用加密滤网（如通风机进风侧、非进风侧裙板滤网、冷凝风机进风侧裙板滤网、污物箱进风侧裙板滤网以及空压机进风侧裙板滤网）。

关键词： 高寒动车组；设备舱；雪粒子；运动轨迹；视频监控

中图分类号：U270.1 文献标志码：A 文章编号：

自2012年哈大高铁开通以来，哈尔滨局相继开通哈齐高铁、哈佳高铁、哈牡高铁等主要高寒线路，使东北地区高铁网络继续向高寒地区延伸，累计增加约918.2公里。在冻雨、暴雪等极端天气下，设备舱内进雪积雪问题导致舱内关键设备无法正常工作，严重影响列车安全运行。此外，相较于以往粘性大、颗径大的雪粒子，近年来呈雪沙性较大，颗粒度较小的特点，使得设备舱进雪积雪问题愈发严重。对设备舱进雪问题进行深入研究，找出进雪源，分析设备舱内雪粒子运动轨迹，对制定行之有效的防进雪，防积雪对设备及列车运行安全有重要意义。

国内外的专家学者对于粒子运动轨迹有着深入的研究，尤其是沙粒、粉尘的运动特征。但对于在相对密闭的设备舱内环境的研究相对较少，不同于车厢底部、转向架等外露部件，雪粒子的进入途径复杂，除通风格栅外，还可能从裙板缝隙、孔洞等不易发现的位置进入。此外，雪粒子具有一定的粘着性，不同于沙粒、粉尘等颗粒，进入设备舱后易附着、堆积于设备部件上，对运动轨迹有一定的影响。因此，通过开展基于差异亮度对比捕捉光束内雪粒子运动轨迹跟踪试验，对积雪严重的关键部位进行视频监控，明确舱内积雪主要来源，为后续处置及优化提供依据。

1 试验概况

试验对象为某高寒动车组，在试验车1车和3车设备舱侧裙板进风滤网、端板/裙板密封挡板缝隙、底板接缝等疑似进雪部位，安装卡片式、半球式和枪式监控摄像机进行观测，监控设备为高分辨率广角摄像机，通过专用夹具安装在设备舱内端板、顶部纵梁和跨横梁部位（图1）；光源采用LED直射集中光束，利用舱内环境与光束亮度对比，捕捉光束内雪粒子的运动轨迹，同时通过仰角可调支座，使光束沿车长、车宽、车高三个方向均呈一定角度，保证在三个方向都能捕捉到雪粒子运动轨迹（图2）。

（a）卡片式摄像机 （b）半球式摄像机 （c）枪式摄像机

图1 监控相机安装实物图

（a）光束内颗粒运动 （b）光路设计与雪粒子捕捉效果

图2 直射LED光源与监控效果

在1车设备舱端板与侧裙板缝隙、通风机/冷凝单元侧裙板进风滤网等部位设置8个监控测点；在3车设备舱通风机、主空压机侧裙板进风滤网等位置设置8个监控测点，共计16个监测点。

2021年1月在哈大线随高寒运营动车组进行设备舱进雪监控跟踪试验，选取丰雪天气、舱内进雪明显运行区段的监控结果进行分析。

2 监控结果分析

2.1 进雪源分析

1）设备舱缝隙

1车作为头车运行时，在1车设备舱端部侧裙板与端板顶部缝隙位置，能够捕捉到自顶而下的进雪现象，此处舱内进雪主要沉积在第一块侧裙板滤网与端板之间的底部，另外部分沿车宽方向往中间沉积，如图3所示。

图3 端板与侧裙板顶部缝隙进雪源运动轨迹

在1车两侧通风机与侧裙板之间的底板交接处，发现了明显的局部无雪区域，初步分析是由于底部缝隙风携带雪粒子进入舱内，堆积在缝隙周围，如图4所示。

（a）运行前进方向左侧 （b）运行前进方向右侧

图4 底板交接缝隙位置

2）侧裙板进风滤网

明线运行时，通风机、冷凝单元、主空压机通风设备的进风裙板滤网均有较为明显的进雪现象，从光束内的雪粒子轨迹进行分析，外部雪颗粒沿滤网法向呈斜向上角进入设备舱，在进风滤网和支撑结构件附件产生积堆，如图5所示。

（a）通风机左侧裙板滤网 （b）通风机右侧裙板滤网

图5 侧裙板进风滤网进雪源及运动轨迹

2.2 进雪路径分析

1）高寒动车组1车进雪主要来源于端板与侧裙板顶部缝隙、侧裙板进风滤网和底板缝隙，在端板与侧裙板交汇处、进风滤网附近和支撑结构件产生积雪，如图6-（a）、6-（c）；

2）高寒动车组3车进雪主要来源于侧裙板进风滤网和底板缝隙，其中通风机靠转向架区域左侧的进雪，部分绕过通风机与污物箱通道在右侧进行堆积。总的来看，在端板与侧裙板进风滤网交汇处、进风滤网附近和支撑结构件产生进雪积堆，如图6-（b）、6-（d）。

（a）1车设备舱内进雪路径 （b）3车设备舱内进雪路径

（c）1车设备舱内积雪情况 （d）3车设备舱内积雪情况

图6 设备舱内进雪路径分析及积雪情况

2.3 行车影响分析

1）高寒车1车的端板与侧裙板顶部缝隙进雪，随列车运行方向的不同而异。当1车为靠近头车运行时，由于是沿车长迎风侧方向行驶，透过缝隙的进雪量要显著高于靠近尾车背风运行时的监控结果，如图7-（a）、7-（b）；

（a）1车近头车迎风运行 （b）1车近尾车背风运行

图7 列车运行方向对设备舱端部侧裙板与端板顶部缝隙进雪的影响

2）设备舱左右侧的侧裙板滤网进雪，受列车运行方向影响较大。通过对长春站-哈尔滨西站的运营车次经过积雪线路区段的客室内和车载弓网监控系统观测，发现在靠近双线线路内侧时，由于地面积雪与列车运行轨面平行，列车空气动力学作用下更容易被卷起为用风设备滤网所吸收，这种情况尤其在列车交会时最为明显，因此滤网进雪较多；而靠近线路外侧，积雪沿路堤斜坡下沉，不易被列车气动效应卷起，因此侧裙板滤网进雪相对较少，如图8所示。

（a）客室及弓网监控情况

（b）近线路内侧通风机进风滤网 （c）近线路外侧通风机进风滤网

图8 列车运行方向对设备舱侧裙板进风滤网进雪影响

3 结论与建议

通过在高寒动车组设备舱内疑似进雪部位安装视频监控设备，采用集中光束的倾斜式光路捕捉舱内雪粒子运动轨迹，并于2021年1月在哈大线运营线路进行了跟踪观测试验，结论和建议如下：

1）经视频监控分析，在侧裙板与端板顶部缝隙，底板交接部位，通风机、冷凝风机与主空压机所有侧进风裙板滤网均有不同程度进雪现象。

2）通过列车不同运行方向下端部侧裙板与端板顶部缝隙进雪情况的对比，近头车沿车长迎风侧方向运行时，透过该缝隙的进雪量要显著高于近尾车背风运行时的监控情况。

3）对不同运行方向的靠线路内侧和线路外侧进雪情况进行对比分析，由于线路内侧积雪卷起较多，靠线路内侧的侧裙板/端板顶部缝隙、侧裙板进风滤网进雪要明显多于线路外侧。建议可对通风设备的进、排风口进行自适应设计，根据某运行方向靠线路内外侧情况，智能切换其进排风方式，保证进风侧靠线路外侧、排风侧靠线路内侧。

4）后续除了对舱内缝隙进行封堵之外，将进一步优化进风滤网网格疏密度，确保通风足够的前提下能够阻挡飞雪入舱。优化后的滤网会经过冰雪模拟风洞进行试验验证后，在今年冬季安装运行，并通过视频监控验证其效果。

参考文献

[1] 李卓群, 郑晓静. 跃移沙粒起跃速度分布的风洞实验研究[C]// 中国力学学会学术大会. 中国力学学会, 2009.

[2] Beyers J H M, Sundsb P A, Harms T M. Numerical simulation of three-dimensional, transient snow drifting around a cube[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2004, 92(9): 725.

[3] 高琛光. 风沙环境下高速列车设备舱流动特性数值模拟研究[D]. 兰州交通大学, 2016.

[4] 康卫林. 高速动车组设备舱通风格栅气粒分离特性的数值模拟[D]. 兰州交通大学, 2015.

[5] 杨则云, 盖增杰, 周伟, 等. 列车底部内腔粉尘漫反射监测方法及轨迹分析[J]. 五邑大学学报(自然科学版), 2018, 32(3): 31-36.

[6] 高广军, 王家斌. 基于离散相模型的高速列车转向架积雪研究[C]// 2018世界交通运输大会. 2018.