風(fēng)向角對(duì)動(dòng)車組用雨刷器的氣動(dòng)性能的影響研究

陳曉麗 晉永榮

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲 412000）

1 概述

雨刷器位于列車頭部，當(dāng)列車高速運(yùn)行時(shí)，列車頭部壓縮空氣的變化將會(huì)對(duì)雨刷器的運(yùn)行造成一定的影響。

2 計(jì)算工況設(shè)置

本文研究大風(fēng)對(duì)雨刷器運(yùn)行安全性的影響, 對(duì)雨刷器在大風(fēng)中運(yùn)行的安全性進(jìn)行評(píng)估，研究中選取列車速度分別為300km/h 與600km/h。選取風(fēng)力為9～14 級(jí)，擬研究風(fēng)力與雨刷器壓力分布、受力的影響；選取不同風(fēng)向角開展風(fēng)向?qū)τ晁⑵鲏毫Ψ植己褪芰Φ挠绊憽Ｑ芯恐泄苍O(shè)置28 個(gè)工況，如表1 所示。

表1 研究工況一覽表

3 風(fēng)向角對(duì)壓力的影響

選取列車速度分別為300km/h，風(fēng)力為10 級(jí)，分析雨刷器正面、背面和側(cè)面壓力分布情況。選取風(fēng)向角依次為180°、150°、135°、120°、90°、60°、45°、30°、0°。

3.1 風(fēng)向角對(duì)雨刷器正面壓力分布的影響

圖1 所示為列車以300km/h 速度在10 級(jí)大風(fēng)環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，不同風(fēng)向角對(duì)應(yīng)的雨刷器正面壓力分布，由圖可見，壓力正面分布最大的部位為雨刷器臂中部與雨刷支座臺(tái)階部位。

圖1 雨刷器正面壓力受風(fēng)向角影響

圖2 列車在10 級(jí)大風(fēng)環(huán)境下運(yùn)行時(shí)雨刷器正面測(cè)點(diǎn)受風(fēng)向角影響變化趨勢(shì)

3.2 風(fēng)向角對(duì)雨刷器背面壓力分布的影響

圖3 所示為列車以300km/h 速度在10 級(jí)大風(fēng)環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，不同風(fēng)向角對(duì)應(yīng)的雨刷器背面壓力分布，由圖可見，壓力背面分布最大的部位為雨刷器臂中部。雨刷器支架下方存在明顯的高壓區(qū)。

圖3 雨刷器背面壓力受風(fēng)向角影響

圖4 所示為列車以300km/h 在10 級(jí)大風(fēng)環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，雨刷器背面測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)5、測(cè)點(diǎn)6、測(cè)點(diǎn)7 和測(cè)點(diǎn)8 壓力隨風(fēng)向角變化而發(fā)生的變化趨勢(shì)。

圖4 列車以300km/h 在10 級(jí)大風(fēng)環(huán)境下運(yùn)行時(shí)雨刷器背面測(cè)點(diǎn)受風(fēng)向角影響變化趨勢(shì)

由圖可見，首先，當(dāng)列車以不同速度運(yùn)行時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的壓力隨風(fēng)向角的變化趨勢(shì)大致相同，隨著風(fēng)向角的逐漸減小，壓力首先快速增大，大約在風(fēng)向角為120°時(shí)取得最大壓力值，然后壓力開始緩慢下降，在0°時(shí)取得最小的壓力值。其次，在雨刷器支架背部各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)來看，在各風(fēng)向角下，測(cè)點(diǎn)8 的壓力值明顯高于其他測(cè)點(diǎn)的值，并且從測(cè)點(diǎn)8 開始，沿雨刷背部測(cè)點(diǎn)7、測(cè)點(diǎn)6、測(cè)點(diǎn)5、測(cè)點(diǎn)4，壓力呈依次遞減的趨勢(shì)。

3.3 風(fēng)向角對(duì)雨刷器側(cè)面壓力分布的影響

圖5 所示分布為列車以300km/h 速度在10 級(jí)大風(fēng)環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，不同風(fēng)向角對(duì)應(yīng)的雨刷器側(cè)面壓力分布。由壓力云圖可見，無論在何種風(fēng)向角下，雨刷器臂中上部均為較大的正壓區(qū)，隨著風(fēng)向角的變化，雨刷器支架上壓力變化幅度較大。

圖5 雨刷器側(cè)面壓力受風(fēng)向角影響

在雨刷器臂與支架上布置測(cè)點(diǎn)如圖6 所示，觀察測(cè)點(diǎn)壓力變化。由圖可見，首先，當(dāng)列車以不同速度運(yùn)行時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的壓力隨風(fēng)向角的變化趨勢(shì)大致相同，隨著風(fēng)向角的逐漸減小，壓力首先快速增大，大約在風(fēng)向角為120°時(shí)取得最大壓力值，然后壓力開始緩慢下降，在0°時(shí)取得最小的壓力值。其次，無論風(fēng)向角為多大，雨刷器臂部受側(cè)向力（測(cè)點(diǎn)9）均明顯大于支架測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)10、測(cè)點(diǎn)11、測(cè)點(diǎn)12）。從雨刷器支架測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)來看，雨刷器下部（測(cè)點(diǎn)10）側(cè)向力明顯大于上部（測(cè)點(diǎn)12），中間部分（測(cè)點(diǎn)11）壓力最小。

圖6 列車以300km/h 在10 級(jí)大風(fēng)環(huán)境下運(yùn)行時(shí)雨刷器側(cè)面測(cè)點(diǎn)受風(fēng)向角影響變化趨勢(shì)

3.4 風(fēng)向角對(duì)雨刷器受力的影響分析

列車以300km/h 速度運(yùn)行，風(fēng)向角由180°逐漸減小到0°過程中，雨刷器受力隨風(fēng)向角變化趨勢(shì)。首先，隨著風(fēng)向角的逐漸減小升力先增大后減小，大約在風(fēng)向角為150°時(shí)取得最大值，然后逐漸降低，升力值依次為-25.72N、-39.75N、-37.86N、-36.32N、-22.45N、-14.69N、-13.92N、-13.47N、-6.25N。當(dāng)風(fēng)向角為180°和0°時(shí)，側(cè)向力的方向與其他風(fēng)向角時(shí)相反，隨著風(fēng)向角的逐漸降低，側(cè)向力先增大后減小，在大約90°時(shí)取得最大值，側(cè)向力值依次為-7.34N、116.07N、151.16N、169.8N、183.83N、136.94N、97.94N、58.38N、-2.28N。風(fēng)向角逐漸減小的過程中，阻力先增大后減小，方向并未發(fā)生變化，大約在風(fēng)向角為135°時(shí)取得最大值，阻力大小依次為116.68N、182.13N、199.24N、199.15N、177.39N、126.58N、97.66N、70.83N、28.47N。