高速列車過車站受電弓氣動沖擊載荷研究

牛紀強　梁習鋒　周丹

摘要：采用數值計算方法對2車編組的CRHl型高速列車以不同速度通過車站和于車站內交會進行了模擬，研究了DSA型受電弓升力變化及運行狀態（閉口和開口）和屏蔽門對受電弓升力的影響。研究表明，列車進、出車站過程受電弓升力波動顯著。單車以閉口和開口狀態下過車站時，均為弓頭和上框架升力變化最大，受電弓運行狀態不改變弓頭升力變化幅值與車速冪次方呈線性關系，且開口狀態下弓頭升力變化大于閉口狀態，屏蔽門對受電弓升力影響有限。列車在站內交會時，受電弓運行狀態顯著改變了受電弓各部件升力變化及其隨車速變化規律，屏蔽門對交會工況的影響比單車工況顯著；車站內交會位置對受電弓升力變化基本無影響；不等速交會對受電弓變化影響明顯。

關鍵詞：高速列車；受電弓；氣動力；車站；屏蔽門

引言

縮短運行時間可能會導致出現列車越站情況。列車從開闊線路突人空間相對狹小的車站內時，列車周圍流場也會隨之發生突變，這會對桿件結構的受電弓穩定性造成影響。隨著列車速度的不斷提高，在加劇受電弓氣動噪聲的同時，產生的氣動載荷也成為影響受電弓穩定性和弓網關系的主要因素。不正常的弓網接觸會導致弓網溫度過高而損壞。升力是影響受電弓受流質量的主要氣動力因素，因此，研究受電弓氣動升力可以有效保證高速列車安全運行。

李瑞平等對高速列車通過隧道時受電動弓空氣動力學效應對弓網動力學性能的影響進行了研究，得出列車通過隧道時產生的受電弓氣動抬升力變化對弓網接觸壓力和接觸線抬升位移具有顯著影響；李瑞平等還對高速受電弓的氣動力進行數值模擬，并且建立受電弓氣動抬升力計算模型。推導出受電弓氣動抬升力的計算方法，受電弓各部件的氣動力轉換成升力的傳遞系數。金海等采用數值模擬中的動網格技術對列車高速過站進行數值模擬研究，定量評估壓力波傳遞對屋蓋結構壓力分布的影響，結合高速列車通過時車站區域風速的空問分布范圍，給出車站區域人員活動的安全和舒適范圍。何連華等對武漢站高速列車過站列車風進行了數值模擬，得到了不同部位的列車風分布形態及空問分布特性，并分析了結構物受到的列車風風荷載作用，確定了車站安全退避距離。曹登敬等采用動網格技術模擬了高速列車穿越車站，得到列車過站中列車風空問分布形態和屏蔽門上壓力分布的規律，分析了車站的風環境，給出用于結構設計的荷載取值建議。蔡國華利用低速風洞對不同受電弓的氣動阻力進行了對比分析，得知弓頭阻力占受電弓總氣動阻力的14%～21%，不同高度和斜度檔板可以有效降低受電弓氣動阻力和氣動噪音，并且對弓頭動態接觸壓力進行測量，得知其與車速的平方呈正比關系。張永升等對受電弓氣動特性進行了風洞試驗研究，得知受電弓相對列車運行方向對受電弓升力特性有顯著影響，導風板角度可以有效控制弓網接觸壓力。付善強等對受電弓在不同狀態下的氣動力、弓頭抬升力以及關鍵部件的振動加速度進行了風洞試驗研究，給出了受電弓氣動力弓頭抬升力、風致振動隨風速、側偏角、升降弓的變化規律。郭迪龍等采用DES對高速列車受電弓的非定常氣動特性進行研究，研究表明受電弓脫體渦的強度脫落頻率對受電弓氣動升力系數影響很大，橫風對受電弓的升力振動頻率有顯著影響。吳燕等建立了接觸網和受電弓子系統的有限元和空氣動力學耦合模型，對弓網進行動態仿真，得知簡單鏈型懸掛比彈性鏈型懸掛接觸線動態抬升量和平均接觸壓力均小。趙萌等建立了弓-車-網組合模型，對強側風條件下的受電弓氣動特性進行了數值模擬，得知隨側風速度及角度的增大，受電弓的氣動力及力矩呈非線性變化，受電弓流場區域內產生大量漩渦及低速尾流區，接觸網及車體對受電弓流場有明顯影響。劉星等通過將受電弓非穩態氣動力及平均穩態氣動力分別加載至受電弓三質量塊模型下，得知穩態與非穩態空氣動力學對弓網受流影響差別不大，當外部激勵振幅較大或頻率與弓網系統頻率接近時，弓網受流特性會受到顯著影響。

本文對高速列車單列車通過車站和于車站內交會進行了數值模擬，研究了車速、受電弓運行狀態、屏蔽門、交會位置和速度對受電弓各部件的影響。