高速列車轉(zhuǎn)向架結(jié)冰特性風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究

趙長龍 ，王田天 ，馮永華 ，周果 ，薛源 ，王鈺 ，施方成 ，姜琛

（1.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2.湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；3.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

高速列車在風(fēng)雪嚴(yán)寒環(huán)境運(yùn)行時(shí)，道床上的積雪易被轉(zhuǎn)向架與地面之間的強(qiáng)剪切流動卷入轉(zhuǎn)向架區(qū)域，雪粒經(jīng)歷跟隨、粘附和沉積等復(fù)雜過程，在轉(zhuǎn)向架表面堆積［1-2］.在轉(zhuǎn)向架發(fā)熱部件（如制動夾鉗、電機(jī)等）的作用下，部分積雪融化成水滴，并滴落在旋轉(zhuǎn)的輪對和制動盤上，擴(kuò)散至轉(zhuǎn)向架各個(gè)區(qū)域，形成甩水現(xiàn)象［3］.四處飛濺的液滴致使轉(zhuǎn)向架表面濕度增加，雪粒更容易粘附到轉(zhuǎn)向架表面，加劇轉(zhuǎn)向架積雪結(jié)冰.轉(zhuǎn)向架結(jié)冰不僅增加列車軸重，嚴(yán)重時(shí)甚至引起制動系統(tǒng)失效，威脅列車運(yùn)行安全［4-5］.

針對轉(zhuǎn)向架積雪結(jié)冰問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究.Shishido 等［6］研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪主要來自于列車底部或側(cè)面，且認(rèn)為輪對旋轉(zhuǎn)對轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪分布具有重要影響.Xie 等［7］基于離散相模型，預(yù)測了高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域雪粒的運(yùn)動軌跡，揭示了雪粒在轉(zhuǎn)向架上的分布情況.Wang等［8］分析了雪粒進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域的運(yùn)動過程和機(jī)理，探明了輪對旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對風(fēng)雪運(yùn)動的影響.Bae 等［9］通過建立雪粒起跳的躍移模型，模擬了多車編組列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪，總結(jié)出積雪在第三節(jié)車廂后保持穩(wěn)定的規(guī)律.Wang 等［10］采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，再現(xiàn)了列車通過積雪道床的場景，并分析了列車風(fēng)卷雪機(jī)理.馮永華等［11］研究了高寒列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域空氣流場特性，總結(jié)了形成積雪的可能原因，為轉(zhuǎn)向架防積雪的優(yōu)化工作提供依據(jù)和基礎(chǔ).何德華等［12］和王東屏等［13］通過設(shè)計(jì)流線型擾流板的防冰雪方案，成功減少了轉(zhuǎn)向架區(qū)域的雪粒黏附數(shù)量，提升了轉(zhuǎn)向架防結(jié)冰能力.

以上文獻(xiàn)研究了雪粒在轉(zhuǎn)向架區(qū)域的運(yùn)動軌跡和分布，但是沒有涉及結(jié)冰相變過程.近年來，關(guān)于高速列車輪對甩水致轉(zhuǎn)向架結(jié)冰的研究才被報(bào)道.Liu 等［3］采用歐拉-拉格朗日耦合數(shù)值模擬方法研究了輪對甩水對高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域結(jié)冰的影響，發(fā)現(xiàn)水滴聚集在制動夾鉗處，易導(dǎo)致大量結(jié)冰.婁振等［14］采用液膜模型研究制動盤甩出的水滴在轉(zhuǎn)向架表面及轉(zhuǎn)向架艙的沉積，總結(jié)了水滴在轉(zhuǎn)向架各區(qū)域的分布特性.除了數(shù)值模擬，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)也被用于開展轉(zhuǎn)向架積雪結(jié)冰領(lǐng)域的研究.Allain 等［15］在法國氣候風(fēng)洞開展了列車車底積雪實(shí)驗(yàn)研究，采用1∶2 的列車縮比模型，探究了風(fēng)速、氣流溫度和雪粒特性等不同參數(shù)對積雪結(jié)冰增長和分布的影響.Shon 等［16］和Ji 等［17］在維也納的小型氣候風(fēng)洞開展了比例為 2∶3的轉(zhuǎn)向架積雪實(shí)驗(yàn)，并以此驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的正確性.Liu 等［18］在風(fēng)洞中模擬了轉(zhuǎn)向架周圍粒子運(yùn)輸過程，評估了轉(zhuǎn)向架底部不同防護(hù)方案的效果.Wang等［19］和Zhang等［20］在中南大學(xué)開展了列車轉(zhuǎn)向架積雪結(jié)冰實(shí)驗(yàn)，提出防結(jié)冰設(shè)計(jì)，并通過對比實(shí)驗(yàn)討論了其效果；然而，這僅是為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)方案的性能，并沒有進(jìn)行足夠的研究來定量分析轉(zhuǎn)向架的結(jié)冰特性.

綜上所述，僅有少數(shù)學(xué)者開展了轉(zhuǎn)向架結(jié)冰實(shí)驗(yàn)研究，高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域的結(jié)冰分布特性有待進(jìn)一步探究，列車長時(shí)間運(yùn)行條件下轉(zhuǎn)向架的結(jié)冰速率尚不明確.因此，本文將開展高速列車輪對甩水致轉(zhuǎn)向架結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，分析轉(zhuǎn)向架區(qū)域的動態(tài)結(jié)冰過程，探明轉(zhuǎn)向架區(qū)域結(jié)冰分布特性，建立轉(zhuǎn)向架結(jié)冰速率公式，為轉(zhuǎn)向架結(jié)冰質(zhì)量快速預(yù)測提供參考依據(jù).

1 轉(zhuǎn)向架輪對甩水致結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

1.1 積雪結(jié)冰實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞系統(tǒng)

本研究在中南大學(xué)軌道車輛積雪結(jié)冰風(fēng)洞開展［1］.如圖1 所示，該風(fēng)洞是專門為軌道車輛轉(zhuǎn)向架積雪結(jié)冰實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的閉路風(fēng)洞，包括制冷系統(tǒng)、動力段、整流段和實(shí)驗(yàn)段.制冷系統(tǒng)可以將空氣溫度下降至0 ℃以下，并由動力段的風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)將冷空氣輸送到實(shí)驗(yàn)段.本次實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)段的噴口尺寸為4 m×1 m，最大風(fēng)速可達(dá)100 km/h.在制冷系統(tǒng)的作用下，整個(gè)風(fēng)洞的最低溫度可達(dá)-20 ℃.實(shí)驗(yàn)前對風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行了流場標(biāo)定，并評價(jià)了風(fēng)洞流場品質(zhì)，達(dá)到了《低速風(fēng)洞和高速風(fēng)洞流場品質(zhì)要求》（GJB 1179A—2012）中規(guī)定的要求［21］.因此，該風(fēng)洞系統(tǒng)可再現(xiàn)轉(zhuǎn)向架區(qū)域的流場特性，滿足本次研究的要求.

圖1 風(fēng)洞系統(tǒng)組成Fig.1 Wind tunnel system components

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本研究采用縮比尺寸為1∶3 的某高速列車動力轉(zhuǎn)向架，其基本結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，除了部分線路、管路被簡化外，轉(zhuǎn)向架的主要結(jié)構(gòu)均被保留，以準(zhǔn)確再現(xiàn)轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場.此類轉(zhuǎn)向架包含電機(jī)和齒輪箱等動力裝置.列車在風(fēng)雪環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，這些關(guān)鍵零部件區(qū)域容易受到風(fēng)雪侵?jǐn)_并產(chǎn)生結(jié)冰.為實(shí) 現(xiàn)轉(zhuǎn)向架輪對的旋轉(zhuǎn)，采用三相變頻電機(jī)作為動力源，通過皮帶輪帶動轉(zhuǎn)向架的輪對轉(zhuǎn)動，動力裝置如圖2（b）所示.

圖2 動力轉(zhuǎn)向架模型Fig.2 Motor bogie model

為了模擬列車運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)向架周圍車體邊界，制作了車體模型，如圖3 所示.本次實(shí)驗(yàn)主要對轉(zhuǎn)向架以及車體底部（轉(zhuǎn)向架艙）的結(jié)冰特性進(jìn)行研究，車體的上部被適當(dāng)簡化［19-20］，但是保留了車體底部以及前、后端板等主要部分，以準(zhǔn)確模擬轉(zhuǎn)向架區(qū)域的真實(shí)流場特性.此外，根據(jù)實(shí)際軌道參數(shù)，還制作了相應(yīng)的軌道模型.考慮到風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的地面效應(yīng)，將實(shí)驗(yàn)地板進(jìn)行了一定程度的抬高.

圖3 車體模型Fig.3 Train body model

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本次實(shí)驗(yàn)需在低溫環(huán)境下開展。根據(jù)冬季東北地區(qū)高速列車運(yùn)行條件，實(shí)驗(yàn)初始階段通過制冷系統(tǒng)將整個(gè)風(fēng)洞溫度調(diào)整為-15 ℃左右，再由動力段風(fēng)扇驅(qū)動系統(tǒng)高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生持續(xù)恒定的低溫氣流.在冬季運(yùn)行時(shí)，根據(jù)停站的需要，列車存在不同的運(yùn)行工況，包括加速、勻速、制動、停止等階段，共同組成一個(gè)運(yùn)行周期.為探究轉(zhuǎn)向架結(jié)冰分布特性，該實(shí)驗(yàn)對列車運(yùn)行工況進(jìn)行適當(dāng)簡化，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，列車輪對的轉(zhuǎn)速保持恒定.風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段噴口風(fēng)速設(shè)置為27.78 m/s，對應(yīng)100 km/h.調(diào)節(jié)電機(jī)頻率值為 83 Hz，使輪對旋轉(zhuǎn)速度與風(fēng)速相匹配.

為模擬列車制動時(shí)制動夾鉗周圍融水產(chǎn)生的噴水現(xiàn)象以及輪對高速旋轉(zhuǎn)時(shí)液滴四處飛濺的情況，設(shè)計(jì)了如圖4 所示的噴水系統(tǒng).該噴水系統(tǒng)共包含8個(gè)噴頭，分別安裝在4 個(gè)制動夾鉗的兩側(cè).噴水總流量由一端的總閥控制，并通過電子流量計(jì)顯示讀數(shù).根據(jù)Wang 等［19］和Zhang 等［20］噴水流量的選取依據(jù)，考慮到本文采用的是縮比模型，噴水總流量設(shè)計(jì)為1.3 L/min.為防止低溫環(huán)境下噴水管道和噴頭結(jié)冰導(dǎo)致的噴水流量下降，采用電加熱帶和保溫材料包裹水管，并在整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段都開啟加熱功能.在冬季風(fēng)雪環(huán)境下，列車勻速行駛階段會采取間歇制動以保持制動能力［19］，因此，噴水系統(tǒng)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中都保持工作.

圖4 噴水系統(tǒng)布局示意圖Fig.4 Water-spray system layout schematic

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，將轉(zhuǎn)向架及車體模型安裝在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段中間位置，以確保來流能夠均勻地流過實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停w布置如圖5 所示.實(shí)驗(yàn)溫度和實(shí)驗(yàn)風(fēng)速達(dá)到實(shí)驗(yàn)條件時(shí)開始實(shí)驗(yàn)，設(shè)置電機(jī)參數(shù)，帶動轉(zhuǎn)向架輪對以特定速度旋轉(zhuǎn)，同時(shí)啟動噴水系統(tǒng).實(shí)驗(yàn)設(shè)定運(yùn)行時(shí)間結(jié)束后，收集整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

圖5 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾肍ig.5 Experimental model layout

1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分為定性結(jié)果和定量結(jié)果兩部分.定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果包括實(shí)驗(yàn)過程中轉(zhuǎn)向架艙和轉(zhuǎn)向架表面動態(tài)結(jié)冰過程和最終結(jié)冰分布，定量實(shí)驗(yàn)結(jié)果包括轉(zhuǎn)向架艙和轉(zhuǎn)向架表面各區(qū)域的結(jié)冰質(zhì)量和結(jié)冰速率.為了獲得定性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)時(shí)將兩臺分辨率為1 920×1 080 的防霧高清攝像機(jī)布置在轉(zhuǎn)向架兩側(cè)，從轉(zhuǎn)向架左右側(cè)面進(jìn)行錄像，確保可靠捕捉到轉(zhuǎn)向架表面完整的結(jié)冰過程.每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過相機(jī)拍照來記錄轉(zhuǎn)向架區(qū)域的結(jié)冰分布情況.為準(zhǔn)確表征轉(zhuǎn)向架表面的結(jié)冰分布特性，分別根據(jù)不同部位和不同部件［20］，將轉(zhuǎn)向架艙和轉(zhuǎn)向架表面分別劃分為不同區(qū)域，統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)域結(jié)冰質(zhì)量，如圖6 所示.根據(jù)轉(zhuǎn)向架各區(qū)域的結(jié)冰質(zhì)量，可判斷風(fēng)雪環(huán)境運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)向架結(jié)冰的嚴(yán)重程度，為防結(jié)冰方案的設(shè)計(jì)提供參考.

圖6 轉(zhuǎn)向架和轉(zhuǎn)向架艙結(jié)冰收集分區(qū)示意圖Fig.6 Schematic of ice collection regions for bogie and cabin

2 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的可靠性，進(jìn)行三次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)結(jié)冰時(shí)間設(shè)定為40 min.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)圖6 劃分的區(qū)域分別收集并測量轉(zhuǎn)向架艙表面和轉(zhuǎn)向架表面的結(jié)冰質(zhì)量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.

轉(zhuǎn)向架艙及轉(zhuǎn)向架各個(gè)區(qū)域的結(jié)冰質(zhì)量及總質(zhì)量結(jié)果如表1 和表2 所示.引入相對實(shí)驗(yàn)誤差［19］，其計(jì)算公式如下：

表1 轉(zhuǎn)向架艙各個(gè)區(qū)域結(jié)冰質(zhì)量重復(fù)性結(jié)果Tab.1 Repeatability results for icing mass in each region of the bogie cabin

表2 轉(zhuǎn)向架各個(gè)區(qū)域結(jié)冰質(zhì)量重復(fù)性結(jié)果Tab.2 Repeatability results of icing mass for each region of the bogie

式中，D表示實(shí)驗(yàn)誤差，M表示每次實(shí)驗(yàn)的結(jié)冰質(zhì)量，Ma表示3次實(shí)驗(yàn)結(jié)冰質(zhì)量的平均值.

從表1 和表2 可以看出，3 次實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)向架艙和轉(zhuǎn)向架各個(gè)區(qū)域的結(jié)冰質(zhì)量呈現(xiàn)出一致的分布趨勢.且由于3 次實(shí)驗(yàn)中總的噴水量相同，3 次實(shí)驗(yàn)所收集的結(jié)冰總質(zhì)量十分接近，轉(zhuǎn)向架艙、轉(zhuǎn)向架的結(jié)冰總質(zhì)量最大誤差分別為1.42%和2.88%.實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明該實(shí)驗(yàn)重復(fù)性良好，滿足本次實(shí)驗(yàn)的要求，同時(shí)表明了該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可靠且實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等各方面具有合理性和可行性.

3 轉(zhuǎn)向架結(jié)冰特性

3.1 轉(zhuǎn)向架區(qū)域動態(tài)結(jié)冰過程

本次實(shí)驗(yàn)在一定程度上還原了高速列車轉(zhuǎn)向架的真實(shí)動態(tài)結(jié)冰過程.圖7 為結(jié)冰時(shí)間40 min 工況下，每間隔8 min轉(zhuǎn)向架區(qū)域的結(jié)冰特性.整體上，轉(zhuǎn)向架區(qū)域的結(jié)冰和冰柱隨結(jié)冰時(shí)間增加而迅速發(fā)展，不同部位的冰塊展現(xiàn)出不同的形狀、大小，直至整個(gè)轉(zhuǎn)向架區(qū)域都被冰層覆蓋.

圖7 轉(zhuǎn)向架區(qū)域的動態(tài)結(jié)冰過程Fig.7 Dynamic icing process in the bogie region

對于轉(zhuǎn)向架艙，在前、后端板處能夠清晰觀察到形成的塊狀冰和條帶狀冰，并且隨時(shí)間增加結(jié)冰形態(tài)變得更加明顯，如圖7 綠色虛線區(qū)域所示.前者是由于前輪對甩出的水滴沿著前端板流出，在前方來流作用下形成，后者則是后端板處直接受到后輪對甩出水滴的沖擊而形成，這與Wang 等［19］和Zhang等［20］的研究結(jié)果一致.隨著結(jié)冰時(shí)間的增加，緊貼車體底部的冰層逐漸變厚，如圖7 藍(lán)色輪廓線所示.以上分析表明列車運(yùn)行時(shí)，輪對高速旋轉(zhuǎn)甩出的水滴在紊亂流場作用下四處飛濺，導(dǎo)致車體底部大量結(jié)冰.

對于轉(zhuǎn)向架局部區(qū)域，隨結(jié)冰時(shí)間的增加，轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架、軸箱、旋轉(zhuǎn)臂表面覆有層冰.在第24 min以后，空氣彈簧表面的結(jié)冰量基本不再改變，水滴開始沿著其表面滴落，在低溫作用下形成細(xì)小的冰柱.如圖7 紅色虛線區(qū)域所示，由于制動夾鉗靠近輪對，其結(jié)冰情況更為嚴(yán)重，造成大量不規(guī)則結(jié)冰堆積.

轉(zhuǎn)向架區(qū)域的結(jié)冰形態(tài)在一定程度上反映了車體底部的流場特性。如圖7（d）～圖7（f）紫色虛線區(qū)域所示，冰柱向前傾斜，表明該區(qū)域形成一個(gè)回流，氣流方向與來流方向相反.對于轉(zhuǎn)向架底部以及前、后端板，冰柱向后傾斜，說明轉(zhuǎn)向架底部的氣流直接從前往后流動.這導(dǎo)致輪對甩出的水滴跟隨氣流流動，大部分聚集在轉(zhuǎn)向架后部和轉(zhuǎn)向架艙的后端板處.

3.2 轉(zhuǎn)向架結(jié)冰分布特性

該小節(jié)對轉(zhuǎn)向架區(qū)域的最終結(jié)冰分布特性，包括轉(zhuǎn)向架艙、轉(zhuǎn)向架各個(gè)區(qū)域的結(jié)冰分布和結(jié)冰質(zhì)量進(jìn)行詳細(xì)分析.圖8 給出了實(shí)驗(yàn)時(shí)間為40 min 時(shí)，轉(zhuǎn)向架艙的最終結(jié)冰分布.從圖8（a）可以看出，由于來流的作用，轉(zhuǎn)向架艙前底板沒有發(fā)生結(jié)冰，結(jié)冰主要集中在前底板以后的區(qū)域.圖8（b）展示了整個(gè)轉(zhuǎn)向架艙有大量結(jié)冰產(chǎn)生.圖8（c）、圖8（d）顯示前、后端板的結(jié)冰以塊狀為主，且后端板的結(jié)冰量大于前端板.轉(zhuǎn)向架艙頂板表面呈水平方向，其結(jié)冰以柱狀為主，水滴沿著來流方向在輪對正對位置兩側(cè)形成多個(gè)長短不一的冰柱.

圖8 轉(zhuǎn)向架艙整體結(jié)冰分布特性Fig.8 Overall icing distribution characteristics of the bogie cabin

圖9 展示了轉(zhuǎn)向架艙前、后端板的結(jié)冰特性.由于正面輪對前、后端板形成了較厚的結(jié)冰.在來向氣流的作用下，從輪對甩出的水滴沿著端板流出，在前端板底部形成體積較大的冰塊，而后端板的水滴則流向后底板，形成多個(gè)向后傾斜的冰柱.列車在實(shí)際運(yùn)行過程中，聚集在車底的結(jié)冰會逐漸增加，并且靠近輪對.這不僅增加了列車的重量，掉落的冰塊還會威脅到車下設(shè)備，對列車運(yùn)行環(huán)境造成不利影響［22］.

圖9 轉(zhuǎn)向架艙前、后端板結(jié)冰特性Fig.9 Icing characteristics of the front and rear end panels of the bogie cabin

圖10 顯示了轉(zhuǎn)向架整體以及部分區(qū)域的結(jié)冰分布特性.構(gòu)架、制動夾鉗和空氣彈簧是結(jié)冰較為嚴(yán)重的區(qū)域.由于構(gòu)架靠近轉(zhuǎn)向架艙頂板，從頂板流下的水滴不斷形成冰柱，并填滿構(gòu)架與頂板之間的間隙，如圖10 綠色線框區(qū)域所示.制動夾鉗靠近電機(jī)、齒輪箱和橫梁等部件，空間相對狹窄，水滴更容易粘附在其表面并迅速積聚，結(jié)冰幾乎覆蓋了整個(gè)制動夾鉗，在其底部更是懸掛了多個(gè)向后傾斜的冰柱.部分水滴來不及結(jié)冰，沿著已經(jīng)凝結(jié)的冰柱不斷生長，甚至接觸到地面，如圖10 紅色線框區(qū)域所示.當(dāng)制動夾鉗結(jié)冰時(shí)，其制動效率降低，導(dǎo)致制動失效，直接威脅列車的運(yùn)行安全.空氣彈簧表面覆蓋了結(jié)冰以及懸掛的冰柱.值得注意的是，在空氣彈簧下部及周邊均有結(jié)冰，如圖10 藍(lán)色線框區(qū)域所示，這無疑會阻礙空氣彈簧的有效行程.除此之外，在齒輪箱和電機(jī)的迎風(fēng)面也觀察到大量結(jié)冰.

圖10 轉(zhuǎn)向架整體及部分區(qū)域結(jié)冰特性Fig.10 Icing characteristics of the whole bogie and some regions

為了定量分析轉(zhuǎn)向架區(qū)域的結(jié)冰分布特性，收集了轉(zhuǎn)向架艙和轉(zhuǎn)向架各個(gè)區(qū)域的冰塊并測量其質(zhì)量.轉(zhuǎn)向架艙各區(qū)域結(jié)冰質(zhì)量如圖11 所示.可以看出：整個(gè)轉(zhuǎn)向架艙中，后端板的結(jié)冰質(zhì)量較大，占結(jié)冰總質(zhì)量的28%，這與之前的分析較為符合.其次是前端板的結(jié)冰質(zhì)量，占結(jié)冰總質(zhì)量的18%.轉(zhuǎn)向架艙頂板的結(jié)冰質(zhì)量之和占結(jié)冰總質(zhì)量的37%，這是由于頂板所覆蓋的面積最大，從輪對甩出的水滴和跟隨流場運(yùn)動的水滴易粘附到該區(qū)域.在頂板區(qū)域，頂板后部的結(jié)冰質(zhì)量仍要大于頂板前部，這與轉(zhuǎn)向架艙整體的結(jié)冰分布特性一致.

圖11 轉(zhuǎn)向架艙結(jié)冰質(zhì)量分布Fig.11 Icing mass distribution in the bogie cabin

圖12 給出了轉(zhuǎn)向架各個(gè)區(qū)域的結(jié)冰質(zhì)量.結(jié)果顯示：構(gòu)架和制動夾鉗區(qū)域的結(jié)冰質(zhì)量最大，分別占轉(zhuǎn)向架結(jié)冰總質(zhì)量的34%和22%.一方面，構(gòu)架的表面積占比大，容易粘附更多的水滴.另一方面，構(gòu)架表面存在凹陷處，水滴易在這些區(qū)域聚集并不斷形成冰塊，從而導(dǎo)致構(gòu)架結(jié)冰嚴(yán)重.對于制動夾鉗，其正面輪對，從輪對甩出的水滴是其結(jié)冰的主要原因.齒輪箱和電機(jī)的結(jié)冰也較為嚴(yán)重，分別占結(jié)冰總質(zhì)量16%和9%.由于空氣彈簧、橫梁和縱梁分布在轉(zhuǎn)向架上半部分，水滴難以在這些區(qū)域聚集，結(jié)冰量相對于其它區(qū)域較少.轉(zhuǎn)向架的整體結(jié)冰分布特性揭示了列車在運(yùn)行過程中容易受到冰雪侵蝕的部位，為轉(zhuǎn)向架有針對性防結(jié)冰和回庫融冰提供了參考.

圖12 轉(zhuǎn)向架結(jié)冰質(zhì)量分布Fig.12 Bogie icing mass distribution

根據(jù)上述定性和定量分析得出如下結(jié)冰分布特性：轉(zhuǎn)向架艙呈現(xiàn)出后部結(jié)冰大于前部的分布規(guī)律；對于轉(zhuǎn)向架，由于水滴不斷往底部流動聚集，在制動夾鉗、電機(jī)和齒輪箱底部形成厚大的冰塊和長短不一的冰柱，呈現(xiàn)出底部結(jié)冰量大、結(jié)冰形狀復(fù)雜的特點(diǎn).整個(gè)轉(zhuǎn)向架區(qū)域的結(jié)冰呈現(xiàn)出底部多于上部，后部多于前部的分布特性.

3.3 轉(zhuǎn)向架結(jié)冰速率模型

已有關(guān)于轉(zhuǎn)向架結(jié)冰的實(shí)驗(yàn)研究主要集中在單一結(jié)冰時(shí)間下的結(jié)冰分布特性和防結(jié)冰裝置設(shè)計(jì)［19-20］，并未考慮結(jié)冰速率.列車長時(shí)間運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)向架表面結(jié)冰不斷增加［22］，可能引起結(jié)冰分布特性改變.因此，明確不同結(jié)冰時(shí)間下轉(zhuǎn)向架表面結(jié)冰質(zhì)量，提出結(jié)冰速率預(yù)測模型，可為列車轉(zhuǎn)向架針對性防除冰提供參考依據(jù).為此，除了開展結(jié)冰時(shí)間為40 min 的實(shí)驗(yàn)外，還分別開展了結(jié)冰時(shí)間為 30 min、50 min 和60 min 的甩水實(shí)驗(yàn)，以更好地評估轉(zhuǎn)向架的結(jié)冰速率特性.

圖13 給出了轉(zhuǎn)向架各區(qū)域的結(jié)冰速率.由圖13可知，各個(gè)區(qū)域的結(jié)冰質(zhì)量隨結(jié)冰時(shí)間的增加而增加，但是結(jié)冰速率不同.構(gòu)架、制動夾鉗和橫梁呈現(xiàn)出后端結(jié)冰質(zhì)量大于前端結(jié)冰質(zhì)量的特點(diǎn).前、后端齒輪箱的結(jié)冰速率保持一致，且前端齒輪箱的結(jié)冰質(zhì)量大于后端.隨著結(jié)冰時(shí)間的增加，前、后端電機(jī)的結(jié)冰質(zhì)量呈現(xiàn)出從基本相等到前端大于后端的規(guī)律.由于轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的中心對稱，左、右端空氣彈簧的結(jié)冰質(zhì)量和結(jié)冰速率并不相等.

圖13 轉(zhuǎn)向架各個(gè)區(qū)域結(jié)冰速率Fig.13 Icing rate of each area of the bogie

圖14 給出了轉(zhuǎn)向架艙、轉(zhuǎn)向架的整體結(jié)冰速率模型，并擬合得出了結(jié)冰速率公式.轉(zhuǎn)向架艙結(jié)冰總質(zhì)量y與結(jié)冰時(shí)間x之間的擬合公式為y=0.129 2x，轉(zhuǎn)向架結(jié)冰總質(zhì)量y與結(jié)冰時(shí)間x之間的擬合公式為y=0.130 7x.上述兩個(gè)公式的決定系數(shù)R2分別為0.995 9 和0.998 8，表明該預(yù)測曲線的估計(jì)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的擬合程度較高.以上擬合公式表明轉(zhuǎn)向架艙、轉(zhuǎn)向架的結(jié)冰質(zhì)量隨結(jié)冰時(shí)間呈現(xiàn)線性增加的趨勢，在本實(shí)驗(yàn)結(jié)冰時(shí)間范圍內(nèi)結(jié)冰速率保持恒定.

圖14 轉(zhuǎn)向架結(jié)冰速率模型Fig.14 Icing rate model for bogies

由于本文結(jié)冰質(zhì)量預(yù)測模型是基于60 min 內(nèi)的結(jié)冰時(shí)間獲得，該預(yù)測模型對于長運(yùn)行時(shí)間下轉(zhuǎn)向架結(jié)冰質(zhì)量的預(yù)測，還存在不足.在后續(xù)的研究中，可以進(jìn)一步開展更長時(shí)間下的轉(zhuǎn)向架結(jié)冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，拓寬本文結(jié)冰質(zhì)量預(yù)測模型的適用范圍.

4 結(jié)論

本文基于中南大學(xué)軌道車輛積雪結(jié)冰風(fēng)洞開展了高速列車輪對甩水實(shí)驗(yàn)，分析探明了轉(zhuǎn)向架艙、轉(zhuǎn)向架的結(jié)冰分布特性，并擬合了結(jié)冰速率曲線，得出如下結(jié)論：

1）輪對甩出的水滴在紊亂流場作用下擴(kuò)散至轉(zhuǎn)向架各個(gè)區(qū)域并產(chǎn)生結(jié)冰，轉(zhuǎn)向架艙呈現(xiàn)出后端結(jié)冰質(zhì)量多于前端的結(jié)冰特性，轉(zhuǎn)向架呈現(xiàn)出底部結(jié)冰量大、結(jié)冰形狀復(fù)雜的特性.

2）對于轉(zhuǎn)向架艙，其后端板結(jié)冰嚴(yán)重，結(jié)冰質(zhì)量占轉(zhuǎn)向架艙結(jié)冰總質(zhì)量的28%；對于轉(zhuǎn)向架，其結(jié)冰主要分布在構(gòu)架、制動夾鉗、齒輪箱和電機(jī)底部，空氣彈簧、橫梁和縱梁等區(qū)域結(jié)冰較少，其中構(gòu)架和制動夾鉗結(jié)冰質(zhì)量占比權(quán)重最高，分別為轉(zhuǎn)向架結(jié)冰總質(zhì)量的34%和22%.

3）建立了一定運(yùn)行時(shí)間范圍內(nèi)轉(zhuǎn)向架結(jié)冰質(zhì)量快速預(yù)測模型，轉(zhuǎn)向架艙、轉(zhuǎn)向架的結(jié)冰總質(zhì)量與結(jié)冰時(shí)間呈一次函數(shù)關(guān)系，其結(jié)冰質(zhì)量隨結(jié)冰時(shí)間線性增長，為轉(zhuǎn)向架結(jié)冰質(zhì)量預(yù)測提供了參考依據(jù).