高速列車(chē)過(guò)車(chē)站受電弓氣動(dòng)沖擊載荷研究

牛紀(jì)強(qiáng)　梁習(xí)鋒　周丹

摘要：采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)2車(chē)編組的CRHl型高速列車(chē)以不同速度通過(guò)車(chē)站和于車(chē)站內(nèi)交會(huì)進(jìn)行了模擬，研究了DSA型受電弓升力變化及運(yùn)行狀態(tài)（閉口和開(kāi)口）和屏蔽門(mén)對(duì)受電弓升力的影響。研究表明，列車(chē)進(jìn)、出車(chē)站過(guò)程受電弓升力波動(dòng)顯著。單車(chē)以閉口和開(kāi)口狀態(tài)下過(guò)車(chē)站時(shí)，均為弓頭和上框架升力變化最大，受電弓運(yùn)行狀態(tài)不改變弓頭升力變化幅值與車(chē)速冪次方呈線(xiàn)性關(guān)系，且開(kāi)口狀態(tài)下弓頭升力變化大于閉口狀態(tài)，屏蔽門(mén)對(duì)受電弓升力影響有限。列車(chē)在站內(nèi)交會(huì)時(shí)，受電弓運(yùn)行狀態(tài)顯著改變了受電弓各部件升力變化及其隨車(chē)速變化規(guī)律，屏蔽門(mén)對(duì)交會(huì)工況的影響比單車(chē)工況顯著；車(chē)站內(nèi)交會(huì)位置對(duì)受電弓升力變化基本無(wú)影響；不等速交會(huì)對(duì)受電弓變化影響明顯。

關(guān)鍵詞：高速列車(chē)；受電弓；氣動(dòng)力；車(chē)站；屏蔽門(mén)

引言

縮短運(yùn)行時(shí)間可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)列車(chē)越站情況。列車(chē)從開(kāi)闊線(xiàn)路突人空間相對(duì)狹小的車(chē)站內(nèi)時(shí)，列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)也會(huì)隨之發(fā)生突變，這會(huì)對(duì)桿件結(jié)構(gòu)的受電弓穩(wěn)定性造成影響。隨著列車(chē)速度的不斷提高，在加劇受電弓氣動(dòng)噪聲的同時(shí)，產(chǎn)生的氣動(dòng)載荷也成為影響受電弓穩(wěn)定性和弓網(wǎng)關(guān)系的主要因素。不正常的弓網(wǎng)接觸會(huì)導(dǎo)致弓網(wǎng)溫度過(guò)高而損壞。升力是影響受電弓受流質(zhì)量的主要?dú)鈩?dòng)力因素，因此，研究受電弓氣動(dòng)升力可以有效保證高速列車(chē)安全運(yùn)行。

李瑞平等對(duì)高速列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)受電動(dòng)弓空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究，得出列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)產(chǎn)生的受電弓氣動(dòng)抬升力變化對(duì)弓網(wǎng)接觸壓力和接觸線(xiàn)抬升位移具有顯著影響；李瑞平等還對(duì)高速受電弓的氣動(dòng)力進(jìn)行數(shù)值模擬，并且建立受電弓氣動(dòng)抬升力計(jì)算模型。推導(dǎo)出受電弓氣動(dòng)抬升力的計(jì)算方法，受電弓各部件的氣動(dòng)力轉(zhuǎn)換成升力的傳遞系數(shù)。金海等采用數(shù)值模擬中的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)列車(chē)高速過(guò)站進(jìn)行數(shù)值模擬研究，定量評(píng)估壓力波傳遞對(duì)屋蓋結(jié)構(gòu)壓力分布的影響，結(jié)合高速列車(chē)通過(guò)時(shí)車(chē)站區(qū)域風(fēng)速的空問(wèn)分布范圍，給出車(chē)站區(qū)域人員活動(dòng)的安全和舒適范圍。何連華等對(duì)武漢站高速列車(chē)過(guò)站列車(chē)風(fēng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了不同部位的列車(chē)風(fēng)分布形態(tài)及空問(wèn)分布特性，并分析了結(jié)構(gòu)物受到的列車(chē)風(fēng)風(fēng)荷載作用，確定了車(chē)站安全退避距離。曹登敬等采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬了高速列車(chē)穿越車(chē)站，得到列車(chē)過(guò)站中列車(chē)風(fēng)空問(wèn)分布形態(tài)和屏蔽門(mén)上壓力分布的規(guī)律，分析了車(chē)站的風(fēng)環(huán)境，給出用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的荷載取值建議。蔡國(guó)華利用低速風(fēng)洞對(duì)不同受電弓的氣動(dòng)阻力進(jìn)行了對(duì)比分析，得知弓頭阻力占受電弓總氣動(dòng)阻力的14%～21%，不同高度和斜度檔板可以有效降低受電弓氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)噪音，并且對(duì)弓頭動(dòng)態(tài)接觸壓力進(jìn)行測(cè)量，得知其與車(chē)速的平方呈正比關(guān)系。張永升等對(duì)受電弓氣動(dòng)特性進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究，得知受電弓相對(duì)列車(chē)運(yùn)行方向?qū)κ茈姽μ匦杂酗@著影響，導(dǎo)風(fēng)板角度可以有效控制弓網(wǎng)接觸壓力。付善強(qiáng)等對(duì)受電弓在不同狀態(tài)下的氣動(dòng)力、弓頭抬升力以及關(guān)鍵部件的振動(dòng)加速度進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究，給出了受電弓氣動(dòng)力弓頭抬升力、風(fēng)致振動(dòng)隨風(fēng)速、側(cè)偏角、升降弓的變化規(guī)律。郭迪龍等采用DES對(duì)高速列車(chē)受電弓的非定常氣動(dòng)特性進(jìn)行研究，研究表明受電弓脫體渦的強(qiáng)度脫落頻率對(duì)受電弓氣動(dòng)升力系數(shù)影響很大，橫風(fēng)對(duì)受電弓的升力振動(dòng)頻率有顯著影響。吳燕等建立了接觸網(wǎng)和受電弓子系統(tǒng)的有限元和空氣動(dòng)力學(xué)耦合模型，對(duì)弓網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，得知簡(jiǎn)單鏈型懸掛比彈性鏈型懸掛接觸線(xiàn)動(dòng)態(tài)抬升量和平均接觸壓力均小。趙萌等建立了弓-車(chē)-網(wǎng)組合模型，對(duì)強(qiáng)側(cè)風(fēng)條件下的受電弓氣動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，得知隨側(cè)風(fēng)速度及角度的增大，受電弓的氣動(dòng)力及力矩呈非線(xiàn)性變化，受電弓流場(chǎng)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生大量漩渦及低速尾流區(qū)，接觸網(wǎng)及車(chē)體對(duì)受電弓流場(chǎng)有明顯影響。劉星等通過(guò)將受電弓非穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)力及平均穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)力分別加載至受電弓三質(zhì)量塊模型下，得知穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)弓網(wǎng)受流影響差別不大，當(dāng)外部激勵(lì)振幅較大或頻率與弓網(wǎng)系統(tǒng)頻率接近時(shí)，弓網(wǎng)受流特性會(huì)受到顯著影響。

本文對(duì)高速列車(chē)單列車(chē)通過(guò)車(chē)站和于車(chē)站內(nèi)交會(huì)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了車(chē)速、受電弓運(yùn)行狀態(tài)、屏蔽門(mén)、交會(huì)位置和速度對(duì)受電弓各部件的影響。