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(jī)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jī)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(jì)不斷發(fā)展，城市化進(jìn)程加快，城際動(dòng)車組被廣泛應(yīng)用于城市與城市之間的短途運(yùn)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(yán)重影響著城際動(dòng)車組的運(yùn)行[1]。當(dāng)列車高速運(yùn)行時(shí)，列車周圍的積雪會(huì)在氣動(dòng)力的作用下卷入列車底部并進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域，轉(zhuǎn)向架區(qū)域?qū)?huì)出現(xiàn)嚴(yán)重積雪結(jié)冰現(xiàn)象[2-3]，從而帶來一系列嚴(yán)重的問題，如當(dāng)空氣彈簧處出現(xiàn)積雪結(jié)冰現(xiàn)象時(shí)會(huì)阻礙空氣彈簧的運(yùn)動(dòng)從而影響列車的減振效果[4]。當(dāng)列車制動(dòng)裝置出現(xiàn)積雪結(jié)冰現(xiàn)象，積冰會(huì)阻礙制動(dòng)裝置的活動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)從而導(dǎo)致列車出現(xiàn)制動(dòng)失效以及緩解失效，危害列車安全[5]。在列車運(yùn)行過程中，制動(dòng)夾鉗以及電機(jī)會(huì)散發(fā)大量的熱量，靠近這些區(qū)域的積雪將會(huì)被融化成水，但是由于列車運(yùn)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(shí)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(yùn)行時(shí)間的增加，轉(zhuǎn)向架區(qū)域會(huì)出現(xiàn)更嚴(yán)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(yùn)行安全以及成員舒適性，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)城際動(dòng)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(duì)高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域的導(dǎo)流板的防積雪效果進(jìn)行了研究。WANG等[1]研究了高速列車轉(zhuǎn)向架艙外形對(duì)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(duì)雪粒子運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析。蘇格蘭鐵路機(jī)構(gòu)采用對(duì)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(jī)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(shí)現(xiàn)除雪除冰。以上對(duì)列車積雪結(jié)冰問題及防治的研究主要針對(duì)高速列車，而對(duì)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(jìn)站才能實(shí)現(xiàn)，大大降低了列車運(yùn)行的效率。本文作者通過數(shù)值仿真方法研究城際動(dòng)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(dòng)車組每節(jié)車包含2個(gè)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(duì)完整編組的列車進(jìn)行雪粒子運(yùn)動(dòng)以及堆積預(yù)測(cè)將耗費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間[14]。因此，采用頭車與1/3 中間車組合的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算[15]，如圖1(a)所示，其中，車高h(yuǎn) 為3.9 m，模型總長為27.3 m，車寬為2.8 m。頭車2 個(gè)轉(zhuǎn)向架模型一致，都屬于無動(dòng)力型轉(zhuǎn)向架。轉(zhuǎn)向架保留了制動(dòng)裝置、踏面清掃器、空氣彈簧等較為完整的細(xì)節(jié)，如圖1(b)所示。

圖1 計(jì)算模型Fig.1 Computational model

1.2 計(jì)算區(qū)域與邊界條件

數(shù)值仿真計(jì)算區(qū)域如圖2所示。為了能夠準(zhǔn)確模擬城際動(dòng)車組周圍流場(chǎng)，使流場(chǎng)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(jì)算區(qū)域總長31h，總寬20h，總高13h。

圖2 數(shù)值仿真計(jì)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(duì)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(duì)雪粒子的壁面條件為逃逸條件，以車體以及轉(zhuǎn)向架輪對(duì)對(duì)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(dòng)夾鉗、踏面清掃器，對(duì)雪粒子的壁面條件為捕捉條件。

1.3 計(jì)算網(wǎng)格

采用CFD軟件STAR-CCM+對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。四面體和多面體網(wǎng)格用于離散幾何模型生成計(jì)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(jì)算區(qū)域采用三層空間加密，計(jì)算區(qū)域總網(wǎng)格數(shù)量為3 600 萬個(gè)，列車周圍局部網(wǎng)格以及列車附面層如圖3所示。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格Fig.3 Computational mesh

使用有限體積軟件STAR-CCM+對(duì)流體控制方程進(jìn)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(jì)算。時(shí)間離散格式采用二階隱式格式。為保證計(jì)算單元的庫朗數(shù)小于1，時(shí)間步長設(shè)定為0.1 ms。非定常計(jì)算前，采用可實(shí)現(xiàn)的k - ε 方程先進(jìn)行流場(chǎng)的定常計(jì)算，待列車區(qū)域的流場(chǎng)穩(wěn)定再進(jìn)行非定常計(jì)算。非定常計(jì)算持續(xù)時(shí)間為2 s。

1.4 數(shù)值計(jì)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(dòng)現(xiàn)象。通過在計(jì)算區(qū)域中釋放雪粒子從而模擬雪粒子在列車周圍的運(yùn)動(dòng)以及轉(zhuǎn)向架區(qū)域的堆積情況。對(duì)于雪粒子運(yùn)動(dòng)的預(yù)測(cè)采用離散相模型(DPM)實(shí)現(xiàn)[18]。在壁面實(shí)現(xiàn)堆積后的雪粒子采用積冰模型進(jìn)行計(jì)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(duì)流場(chǎng)以及積冰過程的影響。針對(duì)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(jìn)行凈風(fēng)場(chǎng)以及兩相流風(fēng)洞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果得出了數(shù)值計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)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(jì)算結(jié)果

2.1 速度場(chǎng)分析

為了研究轉(zhuǎn)向架上制動(dòng)夾鉗、踏面清掃器、空氣彈簧的積雪結(jié)冰成因，對(duì)這些部件切片處的流場(chǎng)特性進(jìn)行分析。由于此轉(zhuǎn)向架模型近似對(duì)稱，因此轉(zhuǎn)向架流場(chǎng)也會(huì)出現(xiàn)近似對(duì)稱的現(xiàn)象[1,22]。由于3 個(gè)關(guān)鍵部件處于同一截面并且考慮流場(chǎng)對(duì)稱性，主要分析Y軸負(fù)向的切片。

制動(dòng)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(shí)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(yáng)，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(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域時(shí)將會(huì)跟隨這一上揚(yáng)流線運(yùn)動(dòng)從而進(jìn)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(dòng)夾鉗周圍出現(xiàn)較多低速渦流，但是由于輪對(duì)對(duì)雪粒子起到一定的阻礙作用，少部分雪粒子將會(huì)撞擊黏附在前端制動(dòng)夾鉗上，大部分粒子在慣性作用下將沿流線切線繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。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(yáng)情況，并且流速相對(duì)較高，雪粒子將會(huì)沿著這一流線從中部區(qū)域上揚(yáng)進(jìn)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(dòng)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(yuǎn)，轉(zhuǎn)向架2區(qū)域的總體流速明顯降低，運(yùn)動(dòng)到此區(qū)域的粒子在重力的作用下總體運(yùn)動(dòng)高度會(huì)有所下降，因此相對(duì)于進(jìn)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(yáng)趨勢(shì)以及低速渦流區(qū)域，制動(dòng)夾鉗、底部扭桿將依舊是受雪粒子嚴(yán)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(shí)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(dòng)夾鉗受到前端車輪的保護(hù)，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(huì)影響列車的制動(dòng)性能甚至危害列車行車安全，這是因?yàn)楫?dāng)列車制動(dòng)時(shí)，閘片處的積冰會(huì)影響閘片的摩擦因數(shù)導(dǎo)致摩擦力減少使得制動(dòng)效率降低。轉(zhuǎn)向架中部區(qū)域空曠出現(xiàn)氣流上揚(yáng)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(hù)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(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的積冰現(xiàn)象而影響其正常工作。與前端制動(dòng)夾鉗不同，后端制動(dòng)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(yáng)以及轉(zhuǎn)向架外側(cè)上揚(yáng)撞擊到空氣彈簧，空氣彈簧迎風(fēng)面也出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的積冰現(xiàn)象，隨著運(yùn)行時(shí)間的加長，此處堆積不斷增加，彈簧的緩沖行程減小將會(huì)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(dòng)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(duì)于轉(zhuǎn)向架2，由于此區(qū)域流速降低，粒子運(yùn)動(dòng)速度與運(yùn)動(dòng)高度在一定程度上有所降低。上揚(yáng)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(duì)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(dòng)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(dòng)力小于重力，使上揚(yáng)粒子運(yùn)動(dòng)高度較低不足以進(jìn)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(dòng)夾鉗迎風(fēng)面。

為比較轉(zhuǎn)向架各部件的積冰情況，對(duì)各部件積冰質(zhì)量進(jìn)行量化比較。圖6所示為轉(zhuǎn)向架各部件積冰質(zhì)量隨時(shí)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(jìn)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(yùn)動(dòng)速度與運(yùn)動(dòng)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(shí)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(yùn)動(dòng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(dá)到轉(zhuǎn)向架2上部區(qū)域的雪粒子較少，運(yùn)動(dòng)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(yáng)的雪粒子重力占主導(dǎo)作用，進(jìn)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(dòng)夾鉗本身安裝高度較低，制動(dòng)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(dòng)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(shì)，并且轉(zhuǎn)向架1 處的制動(dòng)夾鉗積冰質(zhì)量比轉(zhuǎn)向架2 處的大。制動(dòng)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(jí)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(dòng)夾鉗是受積雪結(jié)冰影響最嚴(yán)重的部件。制動(dòng)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(dòng)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(duì)比

針對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)路徑對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪結(jié)冰現(xiàn)象進(jìn)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(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域的雪粒子運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)高度；考慮列車運(yùn)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?jǐn)?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(yùn)動(dòng)高度較高，約為輪對(duì)高度的一半；在導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的作用下，進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域雪粒子的運(yùn)動(dòng)高度得到抑制，輪對(duì)前端粒子被壓縮至較低高度，呈現(xiàn)出高體積分?jǐn)?shù)低高度的趨勢(shì)；轉(zhuǎn)向架中部區(qū)域雪粒子在原始情況下出現(xiàn)上揚(yáng)從而沖擊后端部件形成嚴(yán)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(yáng)運(yùn)動(dòng)，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(hù)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(yùn)行時(shí)，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(shí)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(dòng)夾鉗切面處雪粒子體積分?jǐn)?shù)對(duì)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(duì)比圖9和圖5可以得出：轉(zhuǎn)向架前端雪粒子運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(hù)，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(dòng)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(yùn)行的安全性。對(duì)于轉(zhuǎn)向架2，原始情況下主要積冰集中的區(qū)域相對(duì)轉(zhuǎn)向架1較小，防治方案的保護(hù)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(duì)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(duì)比如表1 所示。由表1 可知：對(duì)于轉(zhuǎn)向架1，制動(dòng)夾鉗作為積冰嚴(yán)重的部件，在優(yōu)化方案的防護(hù)下，2 s 時(shí)的積冰質(zhì)量明顯下降，僅為6.2 g；轉(zhuǎn)向架2制動(dòng)夾鉗積冰質(zhì)量在2 s時(shí)的積冰質(zhì)量?jī)H為0.5 g；轉(zhuǎn)向架其他部件的積冰質(zhì)量減少了約1個(gè)量級(jí)；對(duì)于整個(gè)轉(zhuǎn)向架來說，在有效計(jì)算時(shí)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(dòng)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(duì)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(duì)于城際動(dòng)車組，由于車體底部存在較多設(shè)備阻礙了氣流的運(yùn)動(dòng)使得氣流抵達(dá)頭車轉(zhuǎn)向架2區(qū)域后流速降低，雪粒子進(jìn)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(yán)重。對(duì)于2臺(tái)轉(zhuǎn)向架，制動(dòng)夾鉗均為受積雪結(jié)冰影響最嚴(yán)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(yán)重區(qū)域，前端軸箱、垂向減振器等都存在嚴(yán)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(yùn)動(dòng)軌跡，提出了優(yōu)化防治方案。在非定常計(jì)算時(shí)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(dòng)車組在風(fēng)雪環(huán)境下運(yùn)行的安全性、舒適性。