王旭如，叢成華，劉　峰，延九磊，許仲兵

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081；2.中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計(jì)及測試技術(shù)研究所，四川 綿陽　621000；3.成都暢通機(jī)車車輛技術(shù)開發(fā)有限公司，四川 成都 610100)

列車管堵塞會(huì)造成全列車制動(dòng)失效。在鐵路列車制動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測中，列車管貫通狀態(tài)的監(jiān)測是關(guān)系列車運(yùn)行安全的重要課題。多年來，鐵路部門采取了多種技術(shù)手段監(jiān)測列車管貫通狀態(tài)，取得了顯著的成效。其中，基于列車管空氣流量監(jiān)測原理，在機(jī)車上安裝列車管空氣流量計(jì)，用于測量列車管充、排風(fēng)時(shí)的列車管空氣流量，是監(jiān)測列車管貫通狀態(tài)的有效方法之一[1]。

列車管空氣流量計(jì)的流量感應(yīng)器是置于列車管中的金屬物體，在列車管充、排風(fēng)時(shí)受到氣流的頻繁沖擊。對(duì)機(jī)車操作記錄的調(diào)研統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在機(jī)車大修周期內(nèi)流量感應(yīng)器受沖擊的平均次數(shù)約達(dá)53萬次。若流量感應(yīng)器因機(jī)械強(qiáng)度不夠而產(chǎn)生脫落，就會(huì)成為列車管中的異物，對(duì)列車制動(dòng)造成安全隱患。因此，在流量感應(yīng)器的設(shè)計(jì)中，其結(jié)構(gòu)可靠性非常重要。以往對(duì)列車管空氣流量監(jiān)測的研究主要集中在列車管路流體力學(xué)模型仿真方面[2-3]，而對(duì)流量感應(yīng)器可靠性的研究還很少。

本文以目前機(jī)車上安裝數(shù)量較多的CHT-LGT1-LB型列車管空氣流量計(jì)為研究對(duì)象，采用流體力學(xué)仿真分析軟件，研究1輛和2輛車編組的列車在充、排風(fēng)過程中流量感應(yīng)器保護(hù)罩和傳感器的受力情況，提出了1種新的校核列車管空氣流量計(jì)流量感應(yīng)器結(jié)構(gòu)可靠性的方法。

1　氣動(dòng)仿真模型

建模時(shí)，以C61型貨車的列車管為例，其長度為11 m、直徑為25.4 mm，車輛間列車管的連接管長度為1.2 m。列車管空氣流量計(jì)的底座長度為600 mm、直徑為32 mm，保護(hù)罩和傳感器位于列車管空氣流量計(jì)底座的中心。

建模時(shí)，以列車管充排風(fēng)方向?yàn)閥軸，豎直方向?yàn)閦軸，按右手坐標(biāo)系法則設(shè)定x軸建立坐標(biāo)系。對(duì)仿真模型進(jìn)行簡化，只考慮車輛制動(dòng)機(jī)風(fēng)缸的容積，不考慮其外形；分別建立編組為1輛車編組和2輛車編組的列車管仿真模型，以進(jìn)行對(duì)比分析，其中1輛車編組的列車管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為1個(gè)風(fēng)缸位于中部的單根列車管，2輛車編組的列車管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為由連接管將2輛車列車管串聯(lián)而成的列車管。

在數(shù)值分析過程中，采用網(wǎng)格生成軟件將計(jì)算空間劃分為混合網(wǎng)格。保護(hù)罩和傳感器和風(fēng)缸附近的形狀較復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；其他求解區(qū)域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，仿真模型如圖1所示。

圖1　列車管仿真模型

考慮計(jì)算的規(guī)模和精度，在建立的仿真模型中，將保護(hù)罩和傳感器及其附近區(qū)域劃分為30萬個(gè)網(wǎng)格單元。1輛車編組的列車管網(wǎng)格數(shù)量為80萬個(gè)，且結(jié)構(gòu)網(wǎng)格為35萬個(gè)，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格為45萬個(gè)；2輛車編組的列車管網(wǎng)格數(shù)量為120萬個(gè)，其中結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格均為60萬個(gè)。模型中，傳感器的迎風(fēng)面積為8×10-7m2，保護(hù)罩的迎風(fēng)面積為6.665×10-5m2。

在數(shù)值分析過程中，列車的充風(fēng)和排風(fēng)過程都是非定常過程，須按照時(shí)間推進(jìn)方法求解并獲得流量感應(yīng)器保護(hù)罩和傳感器的受力情況，以判斷流量感應(yīng)器受力最大的工作狀態(tài)及該狀態(tài)下的壓應(yīng)力分布情況。從模型結(jié)構(gòu)看，流量感應(yīng)器的繞流情況較為復(fù)雜，包含柱體繞流、管道內(nèi)部流動(dòng)及多個(gè)腔體繞流，存在漩渦和分離現(xiàn)象。為了對(duì)列車管內(nèi)流量感應(yīng)器周圍的空氣流場能夠進(jìn)行較為精確的分析，采用納維葉—斯托克斯(Navier-Stokes)方程和空氣湍流模型[4-6]進(jìn)行仿真計(jì)算。

列車管內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)控制方程使用納維葉—斯托克斯(N-S)方程，具體如下。

連續(xù)方程為

(1)

動(dòng)量方程為

(2)

能量方程為

(3)

式中：ρ為空氣密度；t為時(shí)間；s為位移向量；v為速度向量；p為空氣壓力；μ為空氣動(dòng)力黏度系數(shù)；δ為克羅內(nèi)克δ符號(hào)；E為內(nèi)能；T為溫度；τ為應(yīng)力張量；下標(biāo)i，j，l為向量的坐標(biāo)符號(hào)，即取值范圍為x，y，z。

空氣湍流模型使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，該模型需要求解湍動(dòng)能k及其耗散率ε方程，其方程如下。

(4)

(5)

其中，

式中：Gk為平均速度梯度引起湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)耗散率的影響程度；μt為湍流黏性系數(shù)；C1ε為常數(shù)，值取1.44，C2ε為常數(shù)，值取1.92，Cμ為常數(shù)，值取0.09，湍動(dòng)能k與耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)分別為σk=1.0，σε=1.3。

在流場求解中使用有限體積法，對(duì)流項(xiàng)使用Roe算法求解，時(shí)間上使用Rugge-kutta迭代方法推進(jìn)求解，直至流場收斂。

邊界條件包括物面邊界和入口與出口邊界數(shù)值。充風(fēng)時(shí)，入口空氣壓力恒定為600 kPa，排風(fēng)時(shí)，出口為外界大氣壓力，考慮較大壓差情況，外界空氣壓力取偏低氣壓值，且恒定為95 kPa。在物面上給定黏性固壁邊界。

2　仿真計(jì)算結(jié)果

2.1　1輛車編組的列車管充風(fēng)工況

設(shè)t=0 s為列車管充風(fēng)開始時(shí)刻，此時(shí)開始記錄流量感應(yīng)器保護(hù)罩和傳感器表面各點(diǎn)中數(shù)值最大的壓應(yīng)力，簡稱壓應(yīng)力。圖2和圖3分別為1輛車編組的列車管充風(fēng)時(shí)保護(hù)罩和傳感器表面的壓應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線。由圖2和圖3可見：在制動(dòng)機(jī)充風(fēng)過程中，最大壓應(yīng)力僅出現(xiàn)在充風(fēng)起始階段，保護(hù)罩表面的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)間為0.026 s，傳感器表面的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)間為0.028 s(具體數(shù)值見表1)；傳感器表面的壓應(yīng)力明顯小于保護(hù)罩表面的。

圖21輛車編組的列車管充風(fēng)時(shí)保護(hù)罩表面的壓應(yīng)力變化曲線

圖31輛車編組的列車管充風(fēng)時(shí)傳感器表面的壓應(yīng)力變化曲線

結(jié)合管路結(jié)構(gòu)分析圖2和圖3可知，充風(fēng)開始后，在制動(dòng)機(jī)充風(fēng)閥門后部形成激波，激波向保護(hù)罩和傳感器方向移動(dòng)，并壓縮列車管內(nèi)的空氣，使得保護(hù)罩和傳感器表面的壓應(yīng)力快速上升，當(dāng)激波到達(dá)傳感器和保護(hù)罩位置時(shí)，在傳感器和保護(hù)罩表面形成較大的壓應(yīng)力。之后，激波受到傳感器和保護(hù)罩的擾動(dòng)并繼續(xù)向前傳播，由于波后氣流受到擾動(dòng)，在最大壓應(yīng)力過后，保護(hù)罩和傳感器的表面壓應(yīng)力形成小幅震蕩。激波在保護(hù)罩和傳感器附近形成膨脹波，之后保護(hù)罩和傳感器的表面壓應(yīng)力開始下降。在制動(dòng)機(jī)充風(fēng)氣源壓力維持不變的條件下，膨脹波很快減弱，保護(hù)罩和傳感器的表面壓應(yīng)力漸漸接近氣源壓力。此后壓力波動(dòng)源于激波在列車管尾部的反射和膨脹波的傳播，但反射激波和膨脹波都較弱，故壓力波動(dòng)不大，而傳感器表面的壓應(yīng)力明顯小于保護(hù)罩表面的，表明保護(hù)罩對(duì)激波的擾動(dòng)作用保護(hù)了傳感器。

圖4為t=0.026 s時(shí)保護(hù)罩表面的壓應(yīng)力分布和流態(tài)特性。由圖4可見：最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在保護(hù)罩的底部位置，此時(shí)空氣激波到達(dá)保護(hù)罩，在最大壓應(yīng)力位置前面的保護(hù)罩底部受到的壓應(yīng)力低于400 kPa；列車管內(nèi)空氣正激波受到保護(hù)罩?jǐn)_動(dòng)，激波波陣面成為曲面；從流線可知，激波經(jīng)過保護(hù)罩表面時(shí)流態(tài)復(fù)雜，在保護(hù)罩尾部存在大范圍分離，由于保護(hù)罩開孔的吹除作用，在分離區(qū)的尾部即尾流區(qū)得到部分抑制。

圖41輛車編組的列車管充風(fēng)時(shí)保護(hù)罩表面的壓應(yīng)力分布(t=0.026 s)

圖5為t=0.028 s時(shí)傳感器表面的壓應(yīng)力分布和流態(tài)特性。由圖5可見：最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在傳感器迎風(fēng)面未受到保護(hù)罩保護(hù)處，由于保護(hù)罩對(duì)氣流的擾動(dòng)，傳感器上半部未受到激波的沖擊；從流線可知，由于該部分傳感器位于保護(hù)罩形成的空腔中，該部分存在旋渦，且顯現(xiàn)在沿流向的截面；激波通過保護(hù)罩中部后，在0.028 s時(shí)到達(dá)傳感器，此時(shí)激波到達(dá)保護(hù)罩尾部，由于保護(hù)罩開孔的擾動(dòng)，激波到達(dá)傳感器的時(shí)間延遲了0.002 s，此時(shí)傳感器表面的旋渦更為強(qiáng)烈，表明保護(hù)罩能有效降低傳感器周圍的壓應(yīng)力，對(duì)傳感器起到良好的保護(hù)作用。

圖51輛車編組的列車管充風(fēng)時(shí)傳感器表面的壓應(yīng)力分布(t=0.028 s)

2.2　1輛車編組的列車管排風(fēng)工況

設(shè)t=0 s為列車管排風(fēng)開始時(shí)刻，此時(shí)開始記錄保護(hù)罩和傳感器表面的壓應(yīng)力。圖6和圖7分別為1輛車編組的列車管排風(fēng)時(shí)保護(hù)罩和傳感器表面壓應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線。由圖6和圖7可見：在排風(fēng)過程中，最大壓應(yīng)力僅出現(xiàn)在排風(fēng)起始時(shí)刻，數(shù)值不超過列車管定壓(最大壓應(yīng)力及其出現(xiàn)時(shí)間見表1)。

圖61輛車編組的列車管排風(fēng)時(shí)保護(hù)罩表面的壓應(yīng)力變化曲線

圖71輛車編組的列車管排風(fēng)時(shí)傳感器表面的壓應(yīng)力值變化曲線

結(jié)合管路結(jié)構(gòu)分析圖6、圖7可知，列車管排風(fēng)開始后，在排風(fēng)閥處出現(xiàn)膨脹波，由于管內(nèi)空氣壓力與大氣壓力差異較大，在排風(fēng)開始階段膨脹波傳播速度快、空氣壓力快速下降，膨脹波傳播到列車管尾部時(shí)反射，導(dǎo)致保護(hù)罩和傳感器表面的壓應(yīng)力輕微上升，此后膨脹波減弱，壓應(yīng)力緩慢降低，最終與大氣壓力平衡；在排風(fēng)過程中，保護(hù)罩和傳感器表面和附近的壓應(yīng)力分布與流態(tài)特性主要是迎風(fēng)面的駐點(diǎn)壓應(yīng)力形成最大值；由于排風(fēng)過程未受到強(qiáng)激波擾動(dòng)，流態(tài)較簡單。

2.3　2輛車編組的列車管充風(fēng)工況

采用與1輛車編組時(shí)相同的計(jì)算方法，設(shè)t=0 s為制動(dòng)機(jī)充風(fēng)開始時(shí)刻，此時(shí)開始記錄保護(hù)罩和傳感器表面壓應(yīng)力。圖8和圖9分別為2輛車編組的列車管充風(fēng)時(shí)保護(hù)罩和傳感器表面的壓應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線。由圖8和圖9可見：在充風(fēng)過程中，最大壓應(yīng)力僅出現(xiàn)在充風(fēng)起始階段，保護(hù)罩表面的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)間為0.026 s，傳感器表面的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)間為0.028 s(具體數(shù)值見表1)；列車管內(nèi)空氣的動(dòng)力學(xué)過程與1輛車編組的列車管充風(fēng)時(shí)基本相同。

圖82輛車編組的列車管充風(fēng)時(shí)保護(hù)罩表面的壓應(yīng)力變化曲線

圖92輛車編組的列車管充風(fēng)時(shí)傳感器表面的壓應(yīng)力變化曲線

圖10和圖11分別為t=0.026 s時(shí)保護(hù)罩和傳感器表面的壓應(yīng)力分布及流態(tài)特性。由圖10和圖11可見：在該時(shí)刻附近，保護(hù)罩表面出現(xiàn)最大壓應(yīng)力；0.028 s時(shí)傳感器表面出現(xiàn)最大壓應(yīng)力；傳感器表面的壓應(yīng)力分布和流態(tài)特性與1輛車編組的列管充風(fēng)時(shí)基本相同。

圖102輛車編組的列車管充風(fēng)時(shí)保護(hù)罩表面的壓應(yīng)力分布(t=0.026 s)

圖112輛車編組的列車管充風(fēng)時(shí)傳感器表面的壓應(yīng)力分布(t=0.028 s)

2.4　2輛車編組的列車管排風(fēng)工況

圖12和圖13分別為2輛車編組的列車管排風(fēng)時(shí)保護(hù)罩和傳感器表面的壓應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線。由圖12和圖13可見：在排風(fēng)過程中，保護(hù)罩和傳感器表面的最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在排風(fēng)起始時(shí)刻，且不超過列車管定壓，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)間和壓應(yīng)力值見表1；列車管內(nèi)空氣的動(dòng)力學(xué)過程與1輛車編組的列車管排風(fēng)時(shí)的基本相同。

圖122輛車編組的列車管排風(fēng)時(shí)保護(hù)罩表面的壓應(yīng)力變化曲線

圖132輛車編組的列車管排風(fēng)時(shí)傳感器表面的壓應(yīng)力變化曲線

3　流量感應(yīng)器的受力分析

表1為列車管充、排風(fēng)時(shí)保護(hù)罩和傳感器表面最大壓應(yīng)力仿真結(jié)果。由表1可見：保護(hù)罩和傳感器表面的沖擊壓應(yīng)力最大值與列車編組的輛數(shù)無關(guān)，受到的最大壓應(yīng)力分別約為1.1和0.9 MPa。

表1列車管充、排風(fēng)時(shí)保護(hù)罩和傳感器表面的最大壓應(yīng)力

編組及列車管工況保護(hù)罩傳感器時(shí)間/s最大壓應(yīng)力/kPa時(shí)間/s最大壓應(yīng)力/kPa1輛車編組的列車管充風(fēng)0026109800288771輛車編組的列車管排風(fēng)060006002輛車編組的列車管充風(fēng)0026109300288772輛車編組的列車管排風(fēng)06000600

對(duì)于保護(hù)罩和傳感器均可以按懸臂梁考慮簡化，簡化后如圖14所示。傳感器與底座連接的部位受到的最大彎曲力矩M=2.807×10-3Nm，傳感器的抗彎截面系數(shù)W=2.083×10-10m3；則傳感器內(nèi)部的最大彎曲應(yīng)力為σmax=M/W=13 MPa。同理，保護(hù)罩與底座連接的部位受到的最大彎曲力矩為0.585 Nm，保護(hù)罩的抗彎截面系數(shù)為9.94×10-7m3，則保護(hù)罩受到的最大彎曲應(yīng)力為0.59 MPa。

圖14　保護(hù)罩和傳感器簡化受力圖

CHT-LGT1-LB型流量計(jì)傳感器的材料為三氧化二鋁(Al2O3)、其靜態(tài)抗彎強(qiáng)度最小為160 MPa，保護(hù)罩的材料為奧氏體不銹鋼S316、其靜態(tài)抗壓強(qiáng)度最小為520 MPa。由以上計(jì)算結(jié)果可知，列車管空氣流量計(jì)在工作時(shí)，傳感器表面承受的最大力為彎曲應(yīng)力13 MPa，考慮3倍的安全系數(shù)，設(shè)計(jì)最大承受彎曲應(yīng)力應(yīng)為39 MPa。保護(hù)罩承受的最大壓應(yīng)力為1.1 MPa，考慮3倍的安全系數(shù)，設(shè)計(jì)最大承受壓應(yīng)力應(yīng)為3.3 MPa。保護(hù)罩和傳感器的最大受力都遠(yuǎn)小于其制造材料的靜態(tài)機(jī)械強(qiáng)度。

由此可見，該流量計(jì)在機(jī)車上工作時(shí)，在充風(fēng)與排風(fēng)過程中其結(jié)構(gòu)是安全的，具有良好的可靠性。

4　結(jié)　論

(1)CHT-LGT1-LB型流量計(jì)的保護(hù)罩和傳感器表面受到的沖擊壓應(yīng)力最大值與列車的編組輛數(shù)無關(guān)。

(2)充風(fēng)時(shí)保護(hù)罩和傳感器表面受到的最大沖擊壓應(yīng)力分別出現(xiàn)在充風(fēng)開始后的0.026和0.028 s。

(3)排風(fēng)時(shí)保護(hù)罩和傳感器表面受到的最大沖擊壓應(yīng)力均出現(xiàn)在排風(fēng)開始時(shí)刻。最大壓應(yīng)力值不超過列車管定壓。

(4)傳感器內(nèi)受到的最大壓應(yīng)力為0.9 MPa，最大彎曲應(yīng)力為13 MPa，保護(hù)罩受到的最大壓應(yīng)力為1.1 MPa，最大彎曲應(yīng)力為0.59 MPa。

(5)根據(jù)仿真計(jì)算獲得的列車管空氣流量計(jì)流量感應(yīng)器受力情況確定其需滿足的機(jī)械強(qiáng)度，是流量感應(yīng)器結(jié)構(gòu)可靠性分析的一種新方法。

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