氣動(dòng)力作用對(duì)弓網(wǎng)受流影響的研究分析

張 冰，劉會(huì)平，韓通新

（中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

弓網(wǎng)受流是電化列車獲得動(dòng)力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著250～350 km／h高速鐵路的投入運(yùn)營，弓網(wǎng)系統(tǒng)受到的高速氣流動(dòng)力作用顯著增大，干擾弓網(wǎng)受流性能，影響列車正常運(yùn)行和安全。研究氣動(dòng)力作用對(duì)改進(jìn)受電弓設(shè)計(jì)、調(diào)試弓網(wǎng)關(guān)系、保障高速列車行車安全，都具有重要理論意義和應(yīng)用價(jià)值。目前國內(nèi)外針對(duì)弓網(wǎng)關(guān)系的研究取得了很大進(jìn)展，研究受電弓的氣動(dòng)力特性，可以采用理論計(jì)算、隨車運(yùn)行測(cè)試和風(fēng)洞模擬試驗(yàn)等手段［1－3］。隨著京津、武廣、鄭西、滬杭、京滬高鐵的運(yùn)營，在實(shí)際運(yùn)營線路上進(jìn)行動(dòng)車組受電弓氣動(dòng)力學(xué)及弓網(wǎng)受流的運(yùn)行測(cè)試，是有效的研究試驗(yàn)手段。

分析了弓網(wǎng)受流與氣動(dòng)力學(xué)的關(guān)系，建立受電弓氣動(dòng)力學(xué)分析模型，采用隨車運(yùn)行測(cè)試和風(fēng)洞試驗(yàn)取得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析比較不同受電弓類型、運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)行速度條件下的受電弓氣動(dòng)力變化與弓網(wǎng)受流的影響關(guān)系，為受電弓優(yōu)化氣動(dòng)力性能，改善弓網(wǎng)受流提供技術(shù)依據(jù)。

1 弓網(wǎng)受流與氣動(dòng)力效應(yīng)

1.1 弓網(wǎng)受流系統(tǒng)

接觸網(wǎng)和受電弓是弓網(wǎng)系統(tǒng)的基本組成部分。弓網(wǎng)受流是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，只有保持弓網(wǎng)間的平滑運(yùn)行和可靠接觸才能保證列車不斷地從接觸網(wǎng)上獲得電能。弓網(wǎng)接觸力不穩(wěn)定和弓網(wǎng)間跟隨性不好，是造成離線火花、功率傳輸不穩(wěn)定、接觸線及受電弓滑板磨耗、電磁干擾的重要因素［4］。受電弓與接觸線在滑動(dòng)過程中，若接觸力過小，功率損耗增加，受電弓運(yùn)行起來容易產(chǎn)生離線和燃弧，從而導(dǎo)致接觸線和滑板的電磨損增加；若接觸力過大，又會(huì)使機(jī)械磨損增加，接觸網(wǎng)抬升量增大，嚴(yán)重時(shí)造成滑板局部磨損，進(jìn)而造成接觸線彈跳拉弧，以致刮弓?？梢姡W(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力是在列車高速運(yùn)行條件下，描述受電弓與接觸線之間的接觸程度和狀態(tài)的關(guān)鍵力學(xué)因素，動(dòng)態(tài)接觸力范圍是評(píng)價(jià)與控制受流質(zhì)量的重要條件及內(nèi)容。

1.2 氣動(dòng)力效應(yīng)

列車在以空氣為介質(zhì)的空間中運(yùn)行并受到氣動(dòng)作用力。隨著列車運(yùn)行速度的提高，空氣阻力與車速平方成正比關(guān)系增大，并在列車周圍形成較大的不穩(wěn)定氣流，對(duì)車身產(chǎn)生橫向和豎向的振動(dòng)與沖擊作用，影響列車穩(wěn)定性和安全。因此，氣動(dòng)力影響成為高速列車設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行的重要問題。

從弓網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)看，高速列車的氣動(dòng)力作用能顯著影響弓網(wǎng)之間動(dòng)態(tài)接觸力的穩(wěn)定性。根據(jù)氣動(dòng)力學(xué)原理，當(dāng)列車高速運(yùn)行時(shí)，受電弓受到空氣壓差力F和空氣摩擦力R的綜合作用。前者是沿運(yùn)行方向在受電弓前后兩面形成的空氣壓力差；后者是在受電弓滑板和框架外表面形成的空氣黏附阻力［5－6］。弓網(wǎng)結(jié)構(gòu)還會(huì)造成空氣的紊流振動(dòng)作用；當(dāng)受電弓設(shè)置導(dǎo)流裝置時(shí)，還會(huì)因?qū)Я饕砥舷驴諝鈮翰钚纬筛郊迂Q向升力。列車高速運(yùn)動(dòng)形成的氣動(dòng)力作用能顯著影響受電弓的總體豎向抬升力，進(jìn)而影響弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力變化范圍。

2 受電弓受力模型

目前國內(nèi)高速列車普遍采用的受電弓結(jié)構(gòu)，一般由固定支座、上臂桿、下臂桿、平衡桿、空氣彈簧、中間鉸接支座、弓頭滑板、導(dǎo)流翼片等部件組成，受電弓結(jié)構(gòu)、運(yùn)行速度和方向、自然風(fēng)以及電力機(jī)車及動(dòng)車頂部形狀等，都對(duì)受電弓的氣動(dòng)力作用產(chǎn)生影響。列車高速運(yùn)行對(duì)受電弓臂桿、滑板和導(dǎo)流翼片等產(chǎn)生的氣動(dòng)力合力可分解為豎向分力和水平分力。水平分力對(duì)弓網(wǎng)接觸力和受流影響較小，可忽略不計(jì)；而豎向分力即抬升力則對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力產(chǎn)生較大的直接作用，從而影響受流關(guān)系。因此只需考慮空氣抬升力對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力的影響。

根據(jù)上述分析，影響弓網(wǎng)受流的動(dòng)態(tài)接觸力是多種力學(xué)因素豎向分力的綜合作用結(jié)果（如圖1所示），包括受電弓支架的初始抬升力，受電弓高度快速變化產(chǎn)生的豎向慣性力，氣動(dòng)力作用的動(dòng)態(tài)抬升力，受電弓高度變化時(shí)鉸接處的摩擦阻力。根據(jù)力學(xué)平衡原理，受電弓在高速運(yùn)行過程中的弓網(wǎng)力學(xué)方程的豎向分量可表示為公式（1），當(dāng)受電弓向上運(yùn)動(dòng)時(shí)取負(fù)號(hào)，受電弓向下運(yùn)動(dòng)時(shí)取正號(hào)。

圖1 典型受電弓動(dòng)態(tài)豎向受力分析模型

式中B為弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力，N；B0為受電弓初始抬升力，N；B m為受電弓鉸接處摩擦阻力，N；B a為受電弓壓力的動(dòng)力分量，N，B a＝ma，其中m為受電弓歸算質(zhì)量，a為豎向運(yùn)動(dòng)加速度并隨受電弓高度變化；Bk為受電弓的氣動(dòng)力豎向分量，N，隨機(jī)車運(yùn)行速度的變化在很大范圍發(fā)生改變。

3 受電弓氣動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)研究

目前國內(nèi)高速動(dòng)車組安裝的受電弓包括：（1）雙滑板單臂受電弓，即DSA250型、DSA380型、SSS400型，均為非主動(dòng)控制型受電弓；（2）單滑板單臂受電弓即法維萊CX型，為主動(dòng)控制型受電弓。以上各類型受電弓在正式運(yùn)營之前都完成了受電弓氣動(dòng)力學(xué)的線路運(yùn)行測(cè)試，獲得了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以優(yōu)化受電弓氣動(dòng)力性能，并確定最優(yōu)的氣動(dòng)力性能調(diào)整方案。以DSA250型、SSS400型、法維萊CX型受電弓為例，分析不同受電弓類型、運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)行速度條件下受電弓氣動(dòng)力變化對(duì)弓網(wǎng)受流的影響。

受電弓所受的氣動(dòng)力是弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力的重要組成；弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力必須保持在合適的范圍內(nèi)，才能保證受電弓正常的取流。在列車高速運(yùn)行過程中，氣動(dòng)力變化直接影響弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力變化范圍，從而影響受流質(zhì)量。根據(jù)式（1），確定3組試驗(yàn)的測(cè)試參數(shù)。

3.1 DSA250型受電弓測(cè)試

DSA250型受電弓是目前用在250 km／h速度以下動(dòng)車組的雙滑板單臂受電弓。在實(shí)際線路測(cè)試中，開口方向運(yùn)行時(shí)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力顯著偏小，影響受電弓取流，因此進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)來分析優(yōu)化氣動(dòng)力性能。圖2為優(yōu)化前后的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線，在弓頭的橫桿上加裝導(dǎo)流板以改善氣動(dòng)力特性來加大弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力。調(diào)整后在實(shí)際線路上進(jìn)行了測(cè)試，進(jìn)一步調(diào)整導(dǎo)流板的角度，使氣動(dòng)力性能更加優(yōu)化，弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力達(dá)到了合理的范圍，其弓網(wǎng)受流性能得到顯著的提高。

圖2 DSA250型加裝導(dǎo)流板前后的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果

3.2 SSS400型受電弓測(cè)試

SSS400為雙滑板單臂高速受電弓，滿足運(yùn)行速度350 km／h高速動(dòng)車組的需要。采用在每個(gè)滑板和頂管彎頭彈簧箱下各加裝兩個(gè)導(dǎo)流翼片的結(jié)構(gòu)，來改變氣動(dòng)力學(xué)性能。

利用受電弓氣動(dòng)力學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)分兩個(gè)步驟進(jìn)行測(cè)試，以解決受電弓開口方向和閉口方向所受到的氣動(dòng)力以及兩條滑板受到的氣動(dòng)力的平衡問題。第1步被測(cè)受電弓不作為取流弓，滑板與接觸線不接觸，測(cè)試受電弓氣動(dòng)力，并依據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)受電弓導(dǎo)流翼片角度進(jìn)行反復(fù)調(diào)整；第2步當(dāng)受電弓滑板氣動(dòng)力調(diào)整達(dá)到預(yù)定目標(biāo)時(shí)，進(jìn)行被測(cè)受電弓取流的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力測(cè)試，并再次對(duì)受電弓導(dǎo)流翼片進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到受電弓受流良好［4］。

3.2.1 氣動(dòng)力測(cè)試結(jié)果

在武廣高速線路，對(duì)CRH2－068C動(dòng)車組安裝的SSS400型受電弓進(jìn)行氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試分析，以改善氣動(dòng)力對(duì)受電弓的影響。圖3～圖6分別為開口方向和閉口方向受電弓氣動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，其中包括前滑板、后滑板和總氣動(dòng)力變化曲線。

分析受電弓氣動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)可知，在速度達(dá)到350 km／h時(shí)，開口方向前后滑板受力均勻，但是閉口方向前后滑板受力相差20 N，不平衡；多次調(diào)整導(dǎo)流翼板角度后，開閉口方向前后滑板受力相差都降低到10 N以內(nèi)，前后滑板受力比值均調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)值（0.8～1.2）范圍內(nèi)。

圖3 開口方向氣動(dòng)力曲線（導(dǎo)流翼板調(diào)整前）

圖4 閉口方向氣動(dòng)力曲線（導(dǎo)流翼板調(diào)整前）

圖5 開口方向氣動(dòng)力曲線（導(dǎo)流翼板調(diào)整后）

圖6 閉口方向氣動(dòng)力曲線（導(dǎo)流翼板調(diào)整后）

3.2.2 弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力測(cè)試結(jié)果

被測(cè)受電弓開始取流，進(jìn)行弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力的測(cè)試，以確定實(shí)際開口和閉口方向平均接觸力是否在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。圖7、圖8的動(dòng)態(tài)接觸力實(shí)測(cè)曲線表明，受電弓導(dǎo)流翼片調(diào)整后，開閉口運(yùn)行時(shí)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力比較均衡，開口方向平均動(dòng)態(tài)接觸力在80～90 N之間，閉口方向平均動(dòng)態(tài)接觸力在100～110 N之間，弓網(wǎng)受流性能良好。

圖7 開口方向接觸力動(dòng)態(tài)曲線（導(dǎo)流翼板調(diào)整后）

圖8 閉口方向接觸力動(dòng)態(tài)曲線（導(dǎo)流翼板調(diào)整后）

3.3 法維萊CX型受電弓測(cè)試

法維萊CX型為單滑板單臂主動(dòng)控制型受電弓，其結(jié)構(gòu)特性與雙滑板有明顯不同。它克服了雙滑板在運(yùn)行過程中前后滑板不平衡和跟隨性差的問題，因此在進(jìn)行氣動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試時(shí)只需考慮開閉口運(yùn)行時(shí)氣動(dòng)力的差別。采用與SSS400型相同的測(cè)試方法，在武廣高速線路，通過CRH3動(dòng)車組進(jìn)行氣動(dòng)力學(xué)實(shí)測(cè)分析。第1步通過主動(dòng)控制調(diào)整，使開閉口氣動(dòng)力比較接近。圖9、圖10所示氣動(dòng)力學(xué)性能調(diào)整后的數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在350 km／h速度下，開口方向總的氣動(dòng)力為180 N左右，閉口方向總的氣動(dòng)力為150 N左右。第2步通過弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力測(cè)試，確定實(shí)際最終開閉口方向的接觸力是否在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期效果。

圖9 閉口方向氣動(dòng)力曲線（調(diào)整后）

圖10 開口方向氣動(dòng)力曲線（調(diào)整后）

4 結(jié)論

通過闡述弓網(wǎng)受流與空氣動(dòng)力學(xué)的關(guān)系，分析受電弓氣動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合實(shí)際線路運(yùn)行試驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)的具體數(shù)據(jù)結(jié)果，研究氣動(dòng)力作用對(duì)弓網(wǎng)受流的影響。研究結(jié)果表明：

（1）列車運(yùn)行速度、受電弓結(jié)構(gòu)特性和運(yùn)行方向都對(duì)氣動(dòng)力有顯著影響，從而影響弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力；

（2）通過優(yōu)化和調(diào)整受電弓結(jié)構(gòu)特性，改善了受電弓氣動(dòng)力學(xué)性能，使弓網(wǎng)接觸力保持在合理的范圍內(nèi)，并受力平穩(wěn)，可以提高弓網(wǎng)受流質(zhì)量；

（3）雙滑板受電弓與單滑板主控式受電弓在結(jié)構(gòu)特性及主動(dòng)控制的功能方面存在差別，導(dǎo)致了弓網(wǎng)受流性能的不同，需要進(jìn)一步深入研究。

［1］劉會(huì)平，韓通新，劉 摩，等.高速受電弓空氣動(dòng)力學(xué)性能測(cè)量與分析［C］.中國鐵道科學(xué)研究院60周年學(xué)術(shù)論文集，2010：418－420.

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