城軌列車轉(zhuǎn)向架積雪結(jié)冰原因分析及其防治

高峰，劉明楊，馬冬莉，高廣軍

(1.中車唐山機車車輛有限公司技術(shù)研究中心，河北唐山，063000；2.中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南長沙，410075；3.中南大學(xué)軌道交通安全關(guān)鍵技術(shù)國際合作聯(lián)合實驗室，湖南長沙，410075；4.中南大學(xué)軌道交通列車安全保障技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，湖南長沙，410075；5.中車唐山機車車輛有限公司制造技術(shù)中心，河北唐山，063000)

隨著中國經(jīng)濟不斷發(fā)展，城市化進程加快，城際動車組被廣泛應(yīng)用于城市與城市之間的短途運輸。其中不少線路為明線，在高緯度與寒冷地區(qū)，例如中國的東北三省，積雪結(jié)冰問題嚴重影響著城際動車組的運行[1]。當(dāng)列車高速運行時，列車周圍的積雪會在氣動力的作用下卷入列車底部并進入轉(zhuǎn)向架區(qū)域，轉(zhuǎn)向架區(qū)域?qū)霈F(xiàn)嚴重積雪結(jié)冰現(xiàn)象[2-3]，從而帶來一系列嚴重的問題，如當(dāng)空氣彈簧處出現(xiàn)積雪結(jié)冰現(xiàn)象時會阻礙空氣彈簧的運動從而影響列車的減振效果[4]。當(dāng)列車制動裝置出現(xiàn)積雪結(jié)冰現(xiàn)象，積冰會阻礙制動裝置的活動部件運動從而導(dǎo)致列車出現(xiàn)制動失效以及緩解失效，危害列車安全[5]。在列車運行過程中，制動夾鉗以及電機會散發(fā)大量的熱量，靠近這些區(qū)域的積雪將會被融化成水，但是由于列車運行速度快、環(huán)境溫度低導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架區(qū)域的散熱快，液態(tài)水在短時間內(nèi)又將凝固成冰附著在轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)。轉(zhuǎn)向架區(qū)域表面濕度增加導(dǎo)致更易黏附雪粒子，隨著列車運行時間的增加，轉(zhuǎn)向架區(qū)域會出現(xiàn)更嚴重的積雪結(jié)冰現(xiàn)象，危害列車行車安全[6-7]。因此，為了提高列車運行安全以及成員舒適性，國內(nèi)外學(xué)者針對城際動車組轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪結(jié)冰問題開展了深入研究并提出防治方案。GAO等[8-9]對高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域的導(dǎo)流板的防積雪效果進行了研究。WANG等[1]研究了高速列車轉(zhuǎn)向架艙外形對轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪的影響。LIU等[10]研究了高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪分布，并對雪粒子運動特性進行分析。蘇格蘭鐵路機構(gòu)采用對轉(zhuǎn)向架噴射高溫氣流的方法來融化轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪積冰[11]。芬蘭鐵路機構(gòu)則是采用高溫水流來融化轉(zhuǎn)向架上的積雪積冰。PAULUKUHN[12]提出在火車底部噴灑水和丙烯的混合物可以消除列車底部積雪。BETTEZ[13]提出了有效消除新干線列車底部積雪結(jié)冰的方案，主要是通過在鐵路線上安裝除冰噴淋裝置來實現(xiàn)除雪除冰。以上對列車積雪結(jié)冰問題及防治的研究主要針對高速列車，而對于城軌列車積雪結(jié)冰問題的研究較少，而且提出的防積雪結(jié)冰方案大都需要進站才能實現(xiàn)，大大降低了列車運行的效率。本文作者通過數(shù)值仿真方法研究城際動車組積雪結(jié)冰問題，并提出高效的防積雪結(jié)冰方案。

1 數(shù)值仿真

1.1 幾何模型

城際動車組每節(jié)車包含2個轉(zhuǎn)向架。本文主要研究頭車轉(zhuǎn)向架的積雪結(jié)冰現(xiàn)象，如果對完整編組的列車進行雪粒子運動以及堆積預(yù)測將耗費大量的計算時間[14]。因此，采用頭車與1/3 中間車組合的簡化模型進行數(shù)值仿真計算[15]，如圖1(a)所示，其中，車高h 為3.9 m，模型總長為27.3 m，車寬為2.8 m。頭車2 個轉(zhuǎn)向架模型一致，都屬于無動力型轉(zhuǎn)向架。轉(zhuǎn)向架保留了制動裝置、踏面清掃器、空氣彈簧等較為完整的細節(jié)，如圖1(b)所示。

圖1 計算模型Fig.1 Computational model

1.2 計算區(qū)域與邊界條件

數(shù)值仿真計算區(qū)域如圖2所示。為了能夠準(zhǔn)確模擬城際動車組周圍流場，使流場充分發(fā)展，速度入口至列車頭部距離為9h，壓力出口至列車尾部距離為15h。計算區(qū)域總長31h，總寬20h，總高13h。

圖2 數(shù)值仿真計算域Fig.2 Computational domain of numerical simulation

邊界ABCD面為速度入口，來流速度與列車速度相同，設(shè)定為40 m/s；邊界BCGF，ADHE，ABFE 設(shè)定為對稱平面；邊界EFGH 為壓力出口，設(shè)定壓力為0 Pa。軌道與CGHD 設(shè)定為滑移壁面，滑移速度與來流速度均為40 m/s。環(huán)境溫度設(shè)置為-30℃。

雪粒子發(fā)射面建立在頭車前方底部區(qū)域，高度從列車底部至軌道，寬度為轉(zhuǎn)向架寬度。雪粒子質(zhì)量流率為4 kg/s，粒徑為0.2 mm，密度設(shè)定為250 kg/m3[14,16-17]。以軌道以及地面CGHD 對雪粒子的壁面條件為逃逸條件，以車體以及轉(zhuǎn)向架輪對對雪粒子的壁面條件為反彈條件，以轉(zhuǎn)向架包括構(gòu)架、空氣彈簧、制動夾鉗、踏面清掃器，對雪粒子的壁面條件為捕捉條件。

1.3 計算網(wǎng)格

采用CFD軟件STAR-CCM+對模型進行數(shù)值計算。四面體和多面體網(wǎng)格用于離散幾何模型生成計算網(wǎng)格。軌道與車體最小表面網(wǎng)格大小為0.04 m，列車底部設(shè)備包括轉(zhuǎn)向架最小表面網(wǎng)格大小為0.02 m。為了較好地捕捉列車與轉(zhuǎn)向架表面的邊界層，附面層層數(shù)設(shè)置為6層。計算區(qū)域采用三層空間加密，計算區(qū)域總網(wǎng)格數(shù)量為3 600 萬個，列車周圍局部網(wǎng)格以及列車附面層如圖3所示。

圖3 計算網(wǎng)格Fig.3 Computational mesh

使用有限體積軟件STAR-CCM+對流體控制方程進行求解。二階迎風(fēng)格式以及中心差分格式的混合數(shù)值格式被用于連續(xù)相與離散相耦合的非定常計算。時間離散格式采用二階隱式格式。為保證計算單元的庫朗數(shù)小于1，時間步長設(shè)定為0.1 ms。非定常計算前，采用可實現(xiàn)的k - ε 方程先進行流場的定常計算，待列車區(qū)域的流場穩(wěn)定再進行非定常計算。非定常計算持續(xù)時間為2 s。

1.4 數(shù)值計算方法

采用三維、不可壓縮的Realizable k - ε湍流模型求解列車周圍特別是轉(zhuǎn)向架區(qū)域的湍流流動現(xiàn)象。通過在計算區(qū)域中釋放雪粒子從而模擬雪粒子在列車周圍的運動以及轉(zhuǎn)向架區(qū)域的堆積情況。對于雪粒子運動的預(yù)測采用離散相模型(DPM)實現(xiàn)[18]。在壁面實現(xiàn)堆積后的雪粒子采用積冰模型進行計算，模擬雪花轉(zhuǎn)變?yōu)楸倪^程[19]，此過程考慮了環(huán)境溫度對流場以及積冰過程的影響。針對離散相與空氣相耦合的問題，GAO等[8,14,20-21]采用縮比模型進行凈風(fēng)場以及兩相流風(fēng)洞試驗，試驗結(jié)果得出了數(shù)值計算結(jié)果與風(fēng)洞試驗結(jié)果具有很高的一致性。本文研究采用相同的數(shù)值仿真模型與模型建立方法。

2 數(shù)值計算結(jié)果

2.1 速度場分析

為了研究轉(zhuǎn)向架上制動夾鉗、踏面清掃器、空氣彈簧的積雪結(jié)冰成因，對這些部件切片處的流場特性進行分析。由于此轉(zhuǎn)向架模型近似對稱，因此轉(zhuǎn)向架流場也會出現(xiàn)近似對稱的現(xiàn)象[1,22]。由于3 個關(guān)鍵部件處于同一截面并且考慮流場對稱性，主要分析Y軸負向的切片。

制動夾鉗、踏面清掃器、空氣彈簧截面的流線情況如圖4所示，圖中U為量綱一速度：

式中：Uinf為入口速度，Uinf=40 m/s；uT-ave為轉(zhuǎn)向架區(qū)域時間平均速度。

由圖4 可見：轉(zhuǎn)向架1 前端區(qū)域氣流出現(xiàn)上揚，車輪前端氣流速度差較大并且在車輪前方出現(xiàn)較大的低速渦流，雪粒子進入轉(zhuǎn)向架區(qū)域時將會跟隨這一上揚流線運動從而進入到轉(zhuǎn)向架上部區(qū)域并且在低速渦流區(qū)域集聚。前端制動夾鉗周圍出現(xiàn)較多低速渦流，但是由于輪對對雪粒子起到一定的阻礙作用，少部分雪粒子將會撞擊黏附在前端制動夾鉗上，大部分粒子在慣性作用下將沿流線切線繼續(xù)運動。轉(zhuǎn)向架1 中部區(qū)域較為空闊，氣流在此區(qū)域出現(xiàn)上揚情況，并且流速相對較高，雪粒子將會沿著這一流線從中部區(qū)域上揚進入轉(zhuǎn)向架上部區(qū)域撞擊空氣彈簧以及直接撞擊后端制動夾鉗和底部扭桿。由于列車底部設(shè)備以及轉(zhuǎn)向架2距離車頭距離較遠，轉(zhuǎn)向架2區(qū)域的總體流速明顯降低，運動到此區(qū)域的粒子在重力的作用下總體運動高度會有所下降，因此相對于進入轉(zhuǎn)向架1區(qū)域的雪粒子量有所下降。轉(zhuǎn)向架2前端區(qū)域、中部區(qū)域同轉(zhuǎn)向架1類似，同樣出現(xiàn)了上揚趨勢以及低速渦流區(qū)域，制動夾鉗、底部扭桿將依舊是受雪粒子嚴重沖擊的部件。

圖4 轉(zhuǎn)向架流線切片F(xiàn)ig.4 Slices of streamlines for bogies

2.2 轉(zhuǎn)向架表面積冰分析

圖5所示為t=2 s時刻轉(zhuǎn)向架1和2的表面積冰情況。由圖5(a)可知：轉(zhuǎn)向架1的前端軸箱、軸箱垂向減振器迎風(fēng)面出現(xiàn)較多積冰現(xiàn)象。前端制動夾鉗受到前端車輪的保護，其積冰主要集中在閘片處，但是，此處出現(xiàn)積冰現(xiàn)象將會影響列車的制動性能甚至危害列車行車安全，這是因為當(dāng)列車制動時，閘片處的積冰會影響閘片的摩擦因數(shù)導(dǎo)致摩擦力減少使得制動效率降低。轉(zhuǎn)向架中部區(qū)域空曠出現(xiàn)氣流上揚的情況導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫梁出現(xiàn)較多的積冰現(xiàn)象。轉(zhuǎn)向架底部扭桿由于沒有保護并且處于流速較快的區(qū)域，將直接受到雪粒子的沖擊并不斷堆積，同樣會出現(xiàn)嚴重的積冰現(xiàn)象而影響其正常工作。與前端制動夾鉗不同，后端制動夾鉗積冰現(xiàn)象主要集中在迎面處，閘片處于背風(fēng)面因而堆積較少。由于粒子從中部區(qū)域上揚以及轉(zhuǎn)向架外側(cè)上揚撞擊到空氣彈簧，空氣彈簧迎風(fēng)面也出現(xiàn)了較為嚴重的積冰現(xiàn)象，隨著運行時間的加長，此處堆積不斷增加，彈簧的緩沖行程減小將會影響到列車的減振性能，從而降低乘員舒適性。轉(zhuǎn)向架上表面的積冰現(xiàn)象呈現(xiàn)出前少后多的特征，前端積冰現(xiàn)象主要集中在踏面清掃器與制動夾鉗上方，后端積雪結(jié)冰現(xiàn)象主要集中在構(gòu)架與踏面清掃器處。

對于轉(zhuǎn)向架2，由于此區(qū)域流速降低，粒子運動速度與運動高度在一定程度上有所降低。上揚至前端軸箱以及構(gòu)架上表面的雪粒子數(shù)減少，使得前端軸箱、軸箱垂向減振器迎風(fēng)面積冰情況相對轉(zhuǎn)向架1有所緩解。上部前端區(qū)域的積冰現(xiàn)象出現(xiàn)在了前端踏面清掃器以及前端制動夾鉗處并且堆積量較少，中部區(qū)域流速低導(dǎo)致大部分粒子所受氣動力小于重力，使上揚粒子運動高度較低不足以進入轉(zhuǎn)向架上部區(qū)域，轉(zhuǎn)向架上部區(qū)域后端積冰現(xiàn)象不明顯。與轉(zhuǎn)向架1相比，底部區(qū)域堆積現(xiàn)象也明顯減少，主要集中在轉(zhuǎn)向架后部的底部扭桿以及后端制動夾鉗迎風(fēng)面。

為比較轉(zhuǎn)向架各部件的積冰情況，對各部件積冰質(zhì)量進行量化比較。圖6所示為轉(zhuǎn)向架各部件積冰質(zhì)量隨時間變化的曲線圖。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架由于本身表面積較大導(dǎo)致受雪粒子沖擊概率也較大，從而使其積冰質(zhì)量也最多，由于進入轉(zhuǎn)向架1區(qū)域的雪粒子數(shù)比轉(zhuǎn)向架2區(qū)域的大，并且粒子運動速度與運動高度較高，因此，轉(zhuǎn)向架1構(gòu)架積冰質(zhì)量比轉(zhuǎn)向架2構(gòu)架的大。轉(zhuǎn)向架2構(gòu)架從0.5 s時刻才開始出現(xiàn)堆積現(xiàn)象，堆積速率也比轉(zhuǎn)向架1構(gòu)架的小。轉(zhuǎn)向架2區(qū)域流速較低，雪粒子運動高度有所下降，使得轉(zhuǎn)向架2空氣彈簧處堆積較少，其質(zhì)量遠遠小于轉(zhuǎn)向架1 空氣彈簧的積冰質(zhì)量。轉(zhuǎn)向架1上各踏面清掃器積冰質(zhì)量相近，積冰速率也相近并且大于轉(zhuǎn)向架2上的各踏面清掃器積冰速率。與轉(zhuǎn)向架1相比，達到轉(zhuǎn)向架2上部區(qū)域的雪粒子較少，運動高度較高的雪粒子大部分撞擊到構(gòu)架迎風(fēng)面(包括軸箱、垂向減振器)，少部分沉降在轉(zhuǎn)向架2上表面前端區(qū)域。因此，轉(zhuǎn)向架1踏面清掃器積冰質(zhì)量比轉(zhuǎn)向架2踏面清掃器的積冰質(zhì)量大。由于轉(zhuǎn)向架2中部區(qū)域大部分上揚的雪粒子重力占主導(dǎo)作用，進入轉(zhuǎn)向架上部區(qū)域的粒子數(shù)量減少，因而與前端相比，轉(zhuǎn)向架2后端踏面清掃器積冰質(zhì)量大幅下降。由于制動夾鉗本身安裝高度較低，制動夾鉗區(qū)域總體流速較快，容易直接受到雪粒子沖擊，在車輪的影響下，制動夾鉗主要呈現(xiàn)出后端積冰質(zhì)量大于前端積冰質(zhì)量的趨勢，并且轉(zhuǎn)向架1 處的制動夾鉗積冰質(zhì)量比轉(zhuǎn)向架2 處的大。制動夾鉗是轉(zhuǎn)向架上表面積較小的部件，然而，積冰質(zhì)量量級與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的相同，這表明城軌列車轉(zhuǎn)向架上制動夾鉗是受積雪結(jié)冰影響最嚴重的部件。制動夾鉗作為影響列車安全的重要部件，亟需提出優(yōu)化方案緩解制動夾鉗積雪結(jié)冰現(xiàn)象。

圖5 轉(zhuǎn)向架表面積冰厚度Fig.5 Ice thickness of bogie surface

圖6 轉(zhuǎn)向架各部件積冰質(zhì)量Fig.6 Mass of ice accreting on components of bogies

3 優(yōu)化方案結(jié)果對比

針對粒子運動路徑對轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪結(jié)冰現(xiàn)象進行防治。頭車整體優(yōu)化方案如圖7(a)所示。轉(zhuǎn)向架1區(qū)域優(yōu)化方案如圖7(b)所示，車頭前端導(dǎo)流裝置可降低進入轉(zhuǎn)向架區(qū)域的雪粒子運動高度；轉(zhuǎn)向架底部吊掛板可降低轉(zhuǎn)向架后部區(qū)域雪粒子運動高度；考慮列車運行雙向性，轉(zhuǎn)向架1后端安裝可收縮導(dǎo)流板并處于收縮狀態(tài)，轉(zhuǎn)向架2前端呈未收縮狀態(tài)，轉(zhuǎn)向架2后端呈收縮狀態(tài)。

優(yōu)化前后雪粒子在轉(zhuǎn)向架區(qū)域雪粒子體積分數(shù)分布如圖8 所示。從圖8 可見：在原始情況下，轉(zhuǎn)向架1和2的前端區(qū)域粒子運動高度較高，約為輪對高度的一半；在導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的作用下，進入轉(zhuǎn)向架區(qū)域雪粒子的運動高度得到抑制，輪對前端粒子被壓縮至較低高度，呈現(xiàn)出高體積分數(shù)低高度的趨勢；轉(zhuǎn)向架中部區(qū)域雪粒子在原始情況下出現(xiàn)上揚從而沖擊后端部件形成嚴重的積雪結(jié)冰現(xiàn)象；在中部吊掛板的作用下，阻礙了雪粒子上揚運動，減少了直接沖擊后端部件的粒子數(shù)，緩解了后端部件的積雪結(jié)冰現(xiàn)象，有效保護了后端部件；轉(zhuǎn)向架后端導(dǎo)流板在收縮狀態(tài)下并未有效阻礙轉(zhuǎn)向架區(qū)域中的雪粒子離開轉(zhuǎn)向架區(qū)域，因此，當(dāng)列車反向運行時，處于收縮狀態(tài)的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樯煺範(fàn)顟B(tài)時也將起到較好的防治作用。

圖7 優(yōu)化方案Fig.7 Optimize program

圖8 制動夾鉗切面處雪粒子體積分數(shù)對比Fig.8 Comparison of volume fraction of snow particles on wheel plane

優(yōu)化方案下轉(zhuǎn)向架表面積冰情況如圖9 所示。對比圖9和圖5可以得出：轉(zhuǎn)向架前端雪粒子運動高度降低使得能沖擊轉(zhuǎn)向架1前端軸箱、垂向減振器的粒子數(shù)減少，從而緩解這區(qū)域的積雪結(jié)冰現(xiàn)象；前端區(qū)域與中間區(qū)域的粒子運動高度都得到抑制，從而空氣彈簧處積冰情況也得到抑制，幾種減振部件得到保護，乘員舒適性提高；轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫梁迎風(fēng)面以及轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上表面的積冰現(xiàn)象明顯減少；制動夾鉗等關(guān)鍵部件的積冰現(xiàn)象也得到有效抑制，提高了列車在風(fēng)雪環(huán)境下運行的安全性。對于轉(zhuǎn)向架2，原始情況下主要積冰集中的區(qū)域相對轉(zhuǎn)向架1較小，防治方案的保護使得轉(zhuǎn)向架2區(qū)域內(nèi)積雪結(jié)冰現(xiàn)象得到有效抑制。

對比積冰質(zhì)量可以更直觀地反映優(yōu)化方案的防治效果。轉(zhuǎn)向架各部件積冰質(zhì)量對比如表1 所示。由表1 可知：對于轉(zhuǎn)向架1，制動夾鉗作為積冰嚴重的部件，在優(yōu)化方案的防護下，2 s 時的積冰質(zhì)量明顯下降，僅為6.2 g；轉(zhuǎn)向架2制動夾鉗積冰質(zhì)量在2 s時的積冰質(zhì)量僅為0.5 g；轉(zhuǎn)向架其他部件的積冰質(zhì)量減少了約1個量級；對于整個轉(zhuǎn)向架來說，在有效計算時間內(nèi)，轉(zhuǎn)向架1整體積冰質(zhì)量在優(yōu)化方案的防治下減少了96%，轉(zhuǎn)向架2整體積冰質(zhì)量減少了94%。城際動車組轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪結(jié)冰優(yōu)化方案具有明顯的防治效果，有效改善了轉(zhuǎn)向架積雪結(jié)冰情況。

圖9 優(yōu)化方案轉(zhuǎn)向架表面積冰厚度Fig.9 Ice thickness of bogie surface under optimized condition

表1 轉(zhuǎn)向架各部件積冰質(zhì)量對比Table 1 Comparison of mass of ice accreting on components of bogies 積冰質(zhì)量/g

4 結(jié)論

1)對于城際動車組，由于車體底部存在較多設(shè)備阻礙了氣流的運動使得氣流抵達頭車轉(zhuǎn)向架2區(qū)域后流速降低，雪粒子進入轉(zhuǎn)向架2區(qū)域粒子數(shù)量較轉(zhuǎn)向架1有所減少，轉(zhuǎn)向架1積雪結(jié)冰現(xiàn)象比轉(zhuǎn)向架2的嚴重。對于2臺轉(zhuǎn)向架，制動夾鉗均為受積雪結(jié)冰影響最嚴重的部件。空氣彈簧、踏面清掃器受到雪粒子不同程度的影響出現(xiàn)積雪結(jié)冰現(xiàn)象。轉(zhuǎn)向架迎風(fēng)面為受雪粒子沖擊的嚴重區(qū)域，前端軸箱、垂向減振器等都存在嚴重的積雪結(jié)冰現(xiàn)象。

2) 根據(jù)雪粒子在轉(zhuǎn)向架區(qū)域中的運動軌跡，提出了優(yōu)化防治方案。在非定常計算時間2 s 內(nèi)，優(yōu)化方案下轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪結(jié)冰情況得到有效抑制，轉(zhuǎn)向架1 和轉(zhuǎn)向架2 的積冰質(zhì)量分別減少了96%和94%。關(guān)鍵部件的積雪結(jié)冰現(xiàn)象得到明顯緩解，將有效提高城際動車組在風(fēng)雪環(huán)境下運行的安全性、舒適性。