受電弓設(shè)備對(duì)列車氣動(dòng)特性影響的風(fēng)洞試驗(yàn)

張雷，楊明智

(中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410075)

強(qiáng)側(cè)風(fēng)作用下，高速列車氣動(dòng)性能惡化，嚴(yán)重影響列車運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此，容易造成列車脫軌、傾覆事故[1-2]。我國(guó)建鐵路沿線多有風(fēng)區(qū)，尤其在青藏和蘭新線風(fēng)區(qū)多且風(fēng)速高[3-4]，而在高風(fēng)速高車速的條件下，受電弓設(shè)備的安裝會(huì)使列車周圍流場(chǎng)變得更為復(fù)雜，不僅會(huì)影響受電弓的受流質(zhì)量，消弱弓網(wǎng)系統(tǒng)的跟隨性、穩(wěn)定性，增加弓網(wǎng)的磨損度[4-7]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致列車氣動(dòng)力顯著增加，使列車脫軌、傾覆的可能性大大增加[8-10]。由側(cè)風(fēng)導(dǎo)致的列車事故在世界各國(guó)時(shí)有發(fā)生，大風(fēng)給鐵路運(yùn)輸安全、人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[11-13]。為此本文作者通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)受電弓設(shè)備影響下的列車氣動(dòng)性能進(jìn)行研究，從而為我國(guó)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(dòng)力學(xué)方面的科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置及測(cè)試方法

1.1 風(fēng)洞和試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本次試驗(yàn)在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心寬×高為8 m×6 m的風(fēng)洞中進(jìn)行。該風(fēng)洞為直流式、閉口、串列雙試驗(yàn)段大型低速風(fēng)洞。試驗(yàn)在第二試驗(yàn)段進(jìn)行，風(fēng)洞長(zhǎng)度為15 m，穩(wěn)定風(fēng)速為20～70 m/s[14]。

列車模型比例為1:8，本次試驗(yàn)中，高速列車采用三節(jié)車編組，受電弓設(shè)備(受電弓和導(dǎo)流罩)安裝在動(dòng)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(dǎo)流罩，如圖1和圖2所示。

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

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

1.2 測(cè)試方法

為了測(cè)量在受電弓設(shè)備的影響下列車在不同側(cè)滑角下的氣動(dòng)特性，在給定的動(dòng)壓條件下，采用六分量天平測(cè)量列車模型的氣動(dòng)力。列車模型在進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)，除了要求風(fēng)洞的流場(chǎng)足夠均勻外，還需要有地板來(lái)模擬地面效應(yīng)。在進(jìn)行高速列車試驗(yàn)研制的列車試驗(yàn)地板中間設(shè)置有1個(gè)直徑為7 m、可旋轉(zhuǎn)360°的轉(zhuǎn)盤，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤能夠研究動(dòng)車模型在不同側(cè)滑角條件下的氣動(dòng)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(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為模擬列車實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)中受電弓處于升弓狀態(tài)。來(lái)流速度為60 m/s，并通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤使動(dòng)車模型與來(lái)流方向成 0°，5°，10°，15°和 20°的側(cè)滑角，得到高速列車模型在受電弓設(shè)備影響下所受阻力系數(shù)、升力系數(shù)和側(cè)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(cè)滑角變化曲線。從圖3可知：當(dāng)側(cè)滑角小于15°時(shí)，列車模型各車及整車的阻力系數(shù)隨著側(cè)滑角的增大而增加，當(dāng)側(cè)滑角為 15°時(shí)，列車模型阻力系數(shù)出現(xiàn)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)后阻力系數(shù)開(kāi)始下降。

受電弓設(shè)備對(duì)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(duì)中車和尾車的阻力系數(shù)影響較大。受電弓設(shè)備使中車的阻力系數(shù)增大，而“浴盆”式導(dǎo)流罩對(duì)中車阻力系數(shù)的影響明顯強(qiáng)于“擋板”式導(dǎo)流罩的影響，這是因?yàn)椤霸∨琛笔綄?dǎo)流罩為四周有擋板的結(jié)構(gòu)，來(lái)流到達(dá)其正面的擋板時(shí)會(huì)使中車阻力明顯增加，而“擋板”式導(dǎo)流罩為僅兩側(cè)有擋板的結(jié)構(gòu)，氣流可從兩擋板之間流過(guò)。當(dāng)側(cè)滑角為 15°時(shí)，中車阻力系數(shù)達(dá)到最大，此時(shí)，阻力系數(shù)比無(wú)受電弓設(shè)備時(shí)增加了1.32倍。由于受電弓設(shè)備中導(dǎo)流罩的存在，會(huì)阻擋部分尾流流過(guò)尾車，因此，安裝受電弓設(shè)備后，尾車阻力系數(shù)會(huì)減小，其中“浴盆”式導(dǎo)流罩使阻力系數(shù)下降的更為明顯；當(dāng)側(cè)滑角為 15°時(shí)，相比無(wú)受電弓設(shè)備時(shí)阻力系數(shù)下降了 24.8%，受電弓設(shè)備會(huì)使整車阻力系數(shù)明顯增加，而2種形式的導(dǎo)流罩相比，由于“浴盆”式導(dǎo)流罩的設(shè)置阻礙了氣流沿列車車身方向的直線流動(dòng)，使來(lái)流產(chǎn)生繞流，造成整車阻力的明顯增大，因此，“擋板”式導(dǎo)流罩對(duì)整車減阻的效果優(yōu)于“浴盆”式導(dǎo)流罩的效果。

圖3 列車阻力系數(shù)隨側(cè)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(cè)滑角變化曲線。由圖4可知：當(dāng)側(cè)滑角小于 20°時(shí)，升力系數(shù)隨著側(cè)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(shè)備與無(wú)受電弓設(shè)備相比，頭車和中車升力系數(shù)隨側(cè)滑角變化曲線基本重合，即受電弓設(shè)備對(duì)頭車和中車的升力系數(shù)影響較小；受電弓設(shè)備對(duì)尾車的升力系數(shù)影響較大，受電弓設(shè)備的安裝可以使尾車升力系數(shù)降低，“擋板”式導(dǎo)流罩使升力系數(shù)降低的更為明顯，當(dāng)側(cè)滑角為 20°時(shí)，與無(wú)受電弓設(shè)備時(shí)升力系數(shù)相比下降了 20.4%。由于受電弓設(shè)備僅對(duì)尾車升力系數(shù)影響較大，因此，其對(duì)整車升力系數(shù)的影響規(guī)律與對(duì)尾車升力系數(shù)的影響規(guī)律基本一致，即“擋板”式導(dǎo)流罩緩解整車升力的效果較好。

2.3 側(cè)向力系數(shù)

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

受電弓設(shè)備對(duì)頭車側(cè)向力系數(shù)影響較小，而對(duì)中車和尾車的側(cè)向力系數(shù)影響較大，受電弓設(shè)備使中車和尾車側(cè)向力系數(shù)的絕對(duì)值增大。由于受電弓安裝在中車尾部，所以，其對(duì)中車的側(cè)向力系數(shù)的影響最為明顯。由于“擋板”式導(dǎo)流罩為兩側(cè)有擋板的結(jié)構(gòu)，當(dāng)氣流流經(jīng)此處時(shí)，會(huì)在導(dǎo)流罩迎風(fēng)板的背側(cè)形成負(fù)壓區(qū)，從而使中車的側(cè)向力增加，同時(shí)，背風(fēng)板也受到相同方向的側(cè)向力，中車側(cè)向力會(huì)進(jìn)一步增大，而“浴盆”式導(dǎo)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(dǎo)流罩對(duì)中車側(cè)向力系數(shù)的影響明顯強(qiáng)于“浴盆”式導(dǎo)流罩的影響；當(dāng)側(cè)滑角為20°時(shí)，各車側(cè)向力系數(shù)的絕對(duì)值最大，相比無(wú)受電弓設(shè)備時(shí)，“擋板式”導(dǎo)流罩使中車側(cè)向力系數(shù)絕對(duì)值增加了 1.22倍，尾車的側(cè)向力系數(shù)絕對(duì)值增加了 1.38倍，而“浴盆式”導(dǎo)流罩使中車側(cè)向力系數(shù)絕對(duì)值增加了71.6%，尾車的側(cè)向力系數(shù)絕對(duì)值增加了 93.5%，即相對(duì)“擋板”式導(dǎo)流罩，安裝有“浴盆”式導(dǎo)流罩列車模型中車和尾車的側(cè)向力系數(shù)絕對(duì)值較小，因此，“浴盆”式導(dǎo)流罩對(duì)整車側(cè)向力緩解效果較好。

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

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

3 結(jié)論

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

(2) 當(dāng)側(cè)滑角小于15°時(shí)，列車阻力系數(shù)隨著側(cè)滑角的增大而增加，當(dāng)側(cè)滑角為 15°時(shí)，阻力系數(shù)出現(xiàn)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)后阻力系數(shù)開(kāi)始下降；受電弓設(shè)備會(huì)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(dǎo)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(qiáng)于“擋板”式導(dǎo)流罩的效果，但“浴盆”式導(dǎo)流罩會(huì)使整車的阻力系數(shù)增加，因此，“擋板”式導(dǎo)流罩對(duì)整車減阻效果較好。

(3) 列車升力系數(shù)隨著側(cè)滑角的增加而增大，但受電弓設(shè)備僅對(duì)尾車的升力系數(shù)有影響，安裝受電弓設(shè)備可以使尾車升力系數(shù)降低，“擋板”式導(dǎo)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(cè)向力系數(shù)的絕對(duì)值隨著側(cè)滑角的增加而增大，受電弓設(shè)備會(huì)使中車和尾車側(cè)向力系數(shù)的絕對(duì)值增加，而“擋板”式導(dǎo)流罩使中車和尾車側(cè)向力系數(shù)絕對(duì)值的增加比“浴盆”式導(dǎo)流罩的大，因此“浴盆”式導(dǎo)流罩對(duì)列車側(cè)向力緩解效果更好。

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