受電弓設備對列車氣動特性影響的風洞試驗

張雷，楊明智

(中南大學 交通運輸工程學院，軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙，410075)

強側風作用下，高速列車氣動性能惡化，嚴重影響列車運行的穩(wěn)定性，因此，容易造成列車脫軌、傾覆事故[1-2]。我國建鐵路沿線多有風區(qū)，尤其在青藏和蘭新線風區(qū)多且風速高[3-4]，而在高風速高車速的條件下，受電弓設備的安裝會使列車周圍流場變得更為復雜，不僅會影響受電弓的受流質量，消弱弓網系統(tǒng)的跟隨性、穩(wěn)定性，增加弓網的磨損度[4-7]，嚴重時會導致列車氣動力顯著增加，使列車脫軌、傾覆的可能性大大增加[8-10]。由側風導致的列車事故在世界各國時有發(fā)生，大風給鐵路運輸安全、人民生命財產造成嚴重威脅[11-13]。為此本文作者通過風洞試驗對受電弓設備影響下的列車氣動性能進行研究，從而為我國鐵路既有線路和新建線路的提速及高速鐵路的發(fā)展提供空氣動力學方面的科學依據。

1 試驗裝置及測試方法

1.1 風洞和試驗模型

本次試驗在中國空氣動力研究與發(fā)展中心寬×高為8 m×6 m的風洞中進行。該風洞為直流式、閉口、串列雙試驗段大型低速風洞。試驗在第二試驗段進行，風洞長度為15 m，穩(wěn)定風速為20～70 m/s[14]。

列車模型比例為1:8，本次試驗中，高速列車采用三節(jié)車編組，受電弓設備(受電弓和導流罩)安裝在動車組模型中間車的后部，在受電弓模型周圍采用“擋板”式和“浴盆”式2種導流罩，如圖1和圖2所示。

圖1 受電弓和“擋板”式導流罩模型Fig.1 Models of pantograph and “baffle” dome

圖2 受電弓和“浴盆”式導流罩模型Fig.2 Models of pantograph and “bathtub” dome

1.2 測試方法

為了測量在受電弓設備的影響下列車在不同側滑角下的氣動特性，在給定的動壓條件下，采用六分量天平測量列車模型的氣動力。列車模型在進行風洞試驗時，除了要求風洞的流場足夠均勻外，還需要有地板來模擬地面效應。在進行高速列車試驗研制的列車試驗地板中間設置有1個直徑為7 m、可旋轉360°的轉盤，通過轉動轉盤能夠研究動車模型在不同側滑角條件下的氣動性能[15]。其他為固定部分，地板前、后緣加工成流線型，以減少對氣流的干擾，地板之間有傾斜的縫隙，以降低地板附面層的影響。

2 實驗結果分析

為模擬列車實際運行狀態(tài)，實驗中受電弓處于升弓狀態(tài)。來流速度為60 m/s，并通過轉動轉盤使動車模型與來流方向成 0°，5°，10°，15°和 20°的側滑角，得到高速列車模型在受電弓設備影響下所受阻力系數(shù)、升力系數(shù)和側力系數(shù)，并分析其特性。

2.1 阻力系數(shù)

圖3所示為列車模型阻力系數(shù)隨側滑角變化曲線。從圖3可知：當側滑角小于15°時，列車模型各車及整車的阻力系數(shù)隨著側滑角的增大而增加，當側滑角為 15°時，列車模型阻力系數(shù)出現(xiàn)拐點，拐點后阻力系數(shù)開始下降。

受電弓設備對頭車阻力系數(shù)影響較小，由于受電弓安裝在中車尾部，所以，其對中車和尾車的阻力系數(shù)影響較大。受電弓設備使中車的阻力系數(shù)增大，而“浴盆”式導流罩對中車阻力系數(shù)的影響明顯強于“擋板”式導流罩的影響，這是因為“浴盆”式導流罩為四周有擋板的結構，來流到達其正面的擋板時會使中車阻力明顯增加，而“擋板”式導流罩為僅兩側有擋板的結構，氣流可從兩擋板之間流過。當側滑角為 15°時，中車阻力系數(shù)達到最大，此時，阻力系數(shù)比無受電弓設備時增加了1.32倍。由于受電弓設備中導流罩的存在，會阻擋部分尾流流過尾車，因此，安裝受電弓設備后，尾車阻力系數(shù)會減小，其中“浴盆”式導流罩使阻力系數(shù)下降的更為明顯；當側滑角為 15°時，相比無受電弓設備時阻力系數(shù)下降了 24.8%，受電弓設備會使整車阻力系數(shù)明顯增加，而2種形式的導流罩相比，由于“浴盆”式導流罩的設置阻礙了氣流沿列車車身方向的直線流動，使來流產生繞流，造成整車阻力的明顯增大，因此，“擋板”式導流罩對整車減阻的效果優(yōu)于“浴盆”式導流罩的效果。

圖3 列車阻力系數(shù)隨側滑角變化曲線Fig.3 Resistance coefficient curves of train with change of yaw angle

2.2 升力系數(shù)

圖4所示為列車模型升力系數(shù)隨側滑角變化曲線。由圖4可知：當側滑角小于 20°時，升力系數(shù)隨著側滑角的增大而增加，其中整車升力系數(shù)上升最為明顯。

有受電弓設備與無受電弓設備相比，頭車和中車升力系數(shù)隨側滑角變化曲線基本重合，即受電弓設備對頭車和中車的升力系數(shù)影響較??；受電弓設備對尾車的升力系數(shù)影響較大，受電弓設備的安裝可以使尾車升力系數(shù)降低，“擋板”式導流罩使升力系數(shù)降低的更為明顯，當側滑角為 20°時，與無受電弓設備時升力系數(shù)相比下降了 20.4%。由于受電弓設備僅對尾車升力系數(shù)影響較大，因此，其對整車升力系數(shù)的影響規(guī)律與對尾車升力系數(shù)的影響規(guī)律基本一致，即“擋板”式導流罩緩解整車升力的效果較好。

2.3 側向力系數(shù)

圖5所示為列車模型側向力系數(shù)隨側滑角變化曲線。從圖5可知：當側滑角小于 20°時，列車模型側向力系數(shù)的絕對值隨著側滑角的增大而明顯增加，這是由于隨著側滑角的增加，車輛被風面的膨脹區(qū)加大，負壓增加，側向力隨之增加。側向力的增大會使列車傾覆的可能性增加。

受電弓設備對頭車側向力系數(shù)影響較小，而對中車和尾車的側向力系數(shù)影響較大，受電弓設備使中車和尾車側向力系數(shù)的絕對值增大。由于受電弓安裝在中車尾部，所以，其對中車的側向力系數(shù)的影響最為明顯。由于“擋板”式導流罩為兩側有擋板的結構，當氣流流經此處時，會在導流罩迎風板的背側形成負壓區(qū)，從而使中車的側向力增加，同時，背風板也受到相同方向的側向力，中車側向力會進一步增大，而“浴盆”式導流罩四周皆有擋板，氣流在四周形成均勻繞流，因此，“擋板”式導流罩對中車側向力系數(shù)的影響明顯強于“浴盆”式導流罩的影響；當側滑角為20°時，各車側向力系數(shù)的絕對值最大，相比無受電弓設備時，“擋板式”導流罩使中車側向力系數(shù)絕對值增加了 1.22倍，尾車的側向力系數(shù)絕對值增加了 1.38倍，而“浴盆式”導流罩使中車側向力系數(shù)絕對值增加了71.6%，尾車的側向力系數(shù)絕對值增加了 93.5%，即相對“擋板”式導流罩，安裝有“浴盆”式導流罩列車模型中車和尾車的側向力系數(shù)絕對值較小，因此，“浴盆”式導流罩對整車側向力緩解效果較好。

圖4 列車升力系數(shù)隨側滑角變化曲線Fig.4 Lift coefficient curves of train with change of yaw angle

圖5 列車側向力系數(shù)隨側滑角變化曲線Fig.5 Side force coefficient curves of train with change of yaw angle

3 結論

(1) 受電弓設備對頭車的阻力、升力和側向力系數(shù)以及中車的升力系數(shù)影響較小。

(2) 當側滑角小于15°時，列車阻力系數(shù)隨著側滑角的增大而增加，當側滑角為 15°時，阻力系數(shù)出現(xiàn)拐點，拐點后阻力系數(shù)開始下降；受電弓設備會使中車的阻力系數(shù)增加，使尾車阻力系數(shù)減小，“浴盆”式導流罩使中車阻力系數(shù)增加和尾車阻力系數(shù)減小的效果強于“擋板”式導流罩的效果，但“浴盆”式導流罩會使整車的阻力系數(shù)增加，因此，“擋板”式導流罩對整車減阻效果較好。

(3) 列車升力系數(shù)隨著側滑角的增加而增大，但受電弓設備僅對尾車的升力系數(shù)有影響，安裝受電弓設備可以使尾車升力系數(shù)降低，“擋板”式導流罩使升力系數(shù)降低的更為明顯，其緩解列車升力的效果較好。

(4) 列車側向力系數(shù)的絕對值隨著側滑角的增加而增大，受電弓設備會使中車和尾車側向力系數(shù)的絕對值增加，而“擋板”式導流罩使中車和尾車側向力系數(shù)絕對值的增加比“浴盆”式導流罩的大，因此“浴盆”式導流罩對列車側向力緩解效果更好。

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