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        空氣動(dòng)力對(duì)弓網(wǎng)接觸壓力影響的研究

        2010-09-21 11:25:50徐海東
        電氣化鐵道 2010年6期
        關(guān)鍵詞:來(lái)流上臂電弓

        宋 偉,徐海東

        0 引言

        近年來(lái),舒適化、高速化是鐵路的發(fā)展方向。具有高效、重載和對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)的電氣化鐵路[1]是高速鐵路發(fā)展的重要途徑之一。然而,隨著列車運(yùn)行速度的不斷提高,不僅導(dǎo)致列車空氣阻力急劇增大、能耗急劇增加,還出現(xiàn)了一系列危及行車安全、降低旅客舒適度和影響周圍環(huán)境的列車空氣動(dòng)力學(xué)方面的問(wèn)題。

        列車在高速運(yùn)行時(shí),高速氣流產(chǎn)生的空氣動(dòng)力影響到高速鐵路中受電弓-接觸網(wǎng)的受流質(zhì)量,弓網(wǎng)間的接觸壓力是評(píng)價(jià)受流質(zhì)量和安全運(yùn)營(yíng)的重要指標(biāo)。因此,研究空氣動(dòng)力對(duì)弓網(wǎng)接觸壓力的影響具有重要的實(shí)際意義。

        本文利用 Matlab軟件對(duì)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值仿真,研究了不同運(yùn)行速度下的空氣動(dòng)力對(duì)弓網(wǎng)接觸壓力的影響,為進(jìn)一步提高受電弓空氣動(dòng)力性能可采取的措施提供了仿真手段和理論研究基礎(chǔ)。

        1 受電弓的空氣動(dòng)力學(xué)研究

        高速列車是在以空氣為介質(zhì)的空間運(yùn)行,其研究對(duì)象可歸納為研究空氣流體及在空氣流體中的剛體間相互作用力的問(wèn)題,于是引入了空氣動(dòng)力學(xué)理論。

        在空氣動(dòng)力學(xué)理論中,忽略流體系的分子結(jié)構(gòu),將流體看作是連續(xù)介質(zhì),稱之為連續(xù)性假設(shè)或流體介質(zhì)密度稠度性假設(shè)。由于流體的連續(xù)性可將運(yùn)動(dòng)流體的運(yùn)動(dòng)學(xué)上的各個(gè)基本量(如速度、壓力等)看作是某些物理量(如時(shí)間、空間坐標(biāo))的連續(xù)函數(shù),即可對(duì)建立在連續(xù)函數(shù)基礎(chǔ)上的數(shù)學(xué)模型求解空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

        按照空氣動(dòng)力學(xué)原理[2,3],受電弓受到的空氣動(dòng)力可分為空氣壓差力F和空氣摩擦力R兩大項(xiàng)。前者是受電弓沿運(yùn)行方向的前后兩面所受的空氣壓力差,這與受電弓前后兩面空氣的流動(dòng)有關(guān)。后者是由于空氣具有粘性,在受電弓滑板和框架的外表面上,因粘附著一層空氣阻礙其運(yùn)動(dòng)而引起的阻力,稱為空氣摩擦力。

        2 受電弓空氣抬升力計(jì)算

        受電弓在高速運(yùn)行時(shí),由于受電弓拉桿、推桿和鉸鏈等構(gòu)件迎風(fēng)面較小,作用在其上的空氣動(dòng)力也相對(duì)較小,所以在計(jì)算時(shí)僅考慮具有較大迎風(fēng)面的受電弓上、下臂桿和滑板上的空氣抬升力,受電弓為雙滑板,上臂按雙臂桿計(jì)算。

        先對(duì)受電弓弓頭,上臂和下臂進(jìn)行x,z方向上的空氣動(dòng)力分析,再對(duì)整個(gè)受電弓進(jìn)行受力分析。根據(jù)列車空氣動(dòng)力學(xué)的定義,在通常研究中,定義空氣動(dòng)力系數(shù)為Cx,可有:

        式中,F(xiàn)x為受電弓受到的壓差力;ν為列車速度;ρ為空氣質(zhì)量密度;A為車頭正面投影面積。

        對(duì)于空氣流程中受電弓空氣摩擦力大小,可由儒可夫斯基定理求得

        式中,Γ為附著渦的強(qiáng)度,V∞為空氣來(lái)流速度。

        2.1 受電弓上下臂桿空氣抬升力計(jì)算

        根據(jù)式(1)計(jì)算出受電弓上、下臂桿的空氣壓差力后,得出受電弓運(yùn)行時(shí)作用在受電弓上、下臂桿垂直方向上的空氣壓差升力(符號(hào)上部分表示順弓;下部分表示逆弓)

        根據(jù)式(2)受電弓運(yùn)行時(shí),作用在受電弓上、下臂桿垂直方向上的空氣摩擦升力(符號(hào)上部分表示順弓;下部分表示逆弓)

        根據(jù)公式的計(jì)算,得到受電弓運(yùn)行時(shí),作用在上、下臂桿上的空氣抬升力

        式(3)—式(5)中,L1為下臂桿的長(zhǎng)度,a為上臂桿截面半徑,L2為上臂桿的長(zhǎng)度,b為下臂桿截面半徑,α為下臂桿傾斜角,β為上臂桿傾斜角,θ∞為空氣來(lái)流的弓角。

        2.2 受電弓滑板空氣抬升力計(jì)算

        受電弓滑板在進(jìn)行繞流計(jì)算時(shí),根據(jù)文獻(xiàn)[2]按平板繞流體處理。由式(1)求得受電弓滑板在垂直方向上的空氣壓差升力

        由式(2)求得受電弓滑板在垂直方向上的摩擦升力

        由式(6)和式(7)得到受電弓滑板空氣抬升力

        式(6)—式(7)中,X0為滑板的寬度,Y0為滑板的厚度,L3為滑板的長(zhǎng)度。

        3 空氣抬升力仿真計(jì)算

        3.1 受電弓上、下臂桿空氣抬升力仿真計(jì)算

        對(duì)于式(3)、式(4),通過(guò)在受電弓正下方的機(jī)車頂部安裝的風(fēng)向和風(fēng)速傳感器可以測(cè)到V∞和θ∞。取L1= 1.5 m、a= 0.025 m、α= 30°,L2=2 m、b= 0.015 m、β= 30°,ρ= 1.293 kg/m3,θ∞在10°左右波動(dòng),Cd取 0.7[4]。V∞分別取 70,100 m/s,分別對(duì)順弓和逆弓時(shí)受電弓上、下臂桿的空氣抬升力進(jìn)行仿真計(jì)算,得到抬升力的波形如圖1,圖2所示。

        由圖1可以看出,受電弓在順弓(閉口)運(yùn)行時(shí),隨著來(lái)流速度的增加,受電弓上、下臂桿的空氣抬升力會(huì)不斷增大。當(dāng)來(lái)流速度為70 m/s時(shí),受電弓上、下臂桿的空氣抬升力在2 N左右波動(dòng),方向向上;當(dāng)來(lái)流速度達(dá)到100 m/s時(shí),空氣抬升力將達(dá)到4.5 N左右,方向向上。

        由圖2可以看出,受電弓在逆弓(開口)運(yùn)行時(shí),隨著來(lái)流速度的增加,受電弓上、下臂桿的空氣抬升力會(huì)不斷增大。當(dāng)來(lái)流速度為70 m/s時(shí),受電弓上、下臂桿的空氣抬升力在1.7 N左右波動(dòng),方向向下;當(dāng)來(lái)流速度達(dá)到100 m/s時(shí),空氣抬升力將達(dá)到3.6 N左右,方向向下。

        圖1 受電弓順弓(閉口)上下臂桿空氣抬升力波形圖

        圖2 受電弓逆弓(開口)上下臂桿空氣抬升力波形圖

        3.2 受電弓滑板空氣抬升力仿真計(jì)算

        對(duì)于式(6)、式(7),取L3= 1.95 m,ρ=1.293 kg/m3,Cd= 0.7[4],X0= 0.075 m,Y0= 0.075,θ∞在 10°左右波動(dòng),V∞分別取 70,100 m/s,用 Matlab軟件進(jìn)行仿真得到抬升力的波形如圖 3和圖 4所示。

        由圖3、圖4可以看出,隨著來(lái)流速度的增加,受電弓滑板的空氣抬升力會(huì)不斷增大。當(dāng)來(lái)流速度為70 m/s時(shí),受電弓滑板的空氣抬升力在4.1 N左右波動(dòng),方向向上;但當(dāng)來(lái)流速度達(dá)到較高的100 m/s時(shí),受電弓滑板的空氣抬升力將達(dá)到8.4 N左右,方向向上。

        圖3 滑板的空氣抬升力(70 m/s)波形圖

        圖4 滑板的空氣抬升力(100 m/s)波形圖

        4 結(jié)論

        本文利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)不同運(yùn)行速度下的空氣抬升力進(jìn)行了仿真及對(duì)比分析,得出:

        (1)列車高速運(yùn)行時(shí),受電弓空氣抬升力60%~70%作用在受電弓的滑板上,其余部分作用在受電弓的框架結(jié)構(gòu)上。

        (2)隨著列車運(yùn)行速度的增加,受電弓空氣抬升力增大,與速度的平方成正比,而且隨著來(lái)流弓角的變化而發(fā)生變化。

        (3)空氣抬升力對(duì)弓網(wǎng)接觸壓力的影響:受電弓逆弓(開口)運(yùn)行時(shí)小于受電弓順弓(閉口)運(yùn)行時(shí)。

        因此,在改善受電弓的空氣動(dòng)力性能時(shí),可以從兩方面進(jìn)行考慮:①減小空氣抬升力可在受電弓裝有能隨上臂桿和弓架間角度變化的導(dǎo)風(fēng)板。②可裝別的零件以承擔(dān)滑板上的空氣阻力;或使受電弓結(jié)構(gòu)更緊湊、減少連接部件數(shù)目、桿臂剖面采用流線化設(shè)計(jì)以及盡量減小迎風(fēng)面積等氣動(dòng)減阻措施,從而使受電弓滑板始終保持水平位置,并能夠減小空氣抬升力對(duì)接觸壓力的影響。

        [1]于萬(wàn)聚.高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2003.

        [2]易中,吳萱,周麗珍.低速空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2005.

        [3]吳子牛,王兵,周睿.空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

        [4]張弘,于正平.吳鴻標(biāo).受電弓空氣動(dòng)力學(xué)模型及風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué),1995,16(1):37-49.

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