苗秀娟，何侃

高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪形成原因及防積雪研究

苗秀娟1, 2，何侃3

(1.工程車(chē)輛安全性設(shè)計(jì)與可靠性技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410076； 2. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 汽車(chē)與機(jī)械工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410076； 3. 中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410075)

為解決大風(fēng)雪環(huán)境下高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架區(qū)域發(fā)生的嚴(yán)重積雪結(jié)冰問(wèn)題，采用三維雷諾時(shí)均SST雙方程湍流模型和有限體積法對(duì)CRH380型高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪成因及易積雪部位，提出轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)流動(dòng)控制方法。研究結(jié)果表明：氣流經(jīng)列車(chē)底部至轉(zhuǎn)向架區(qū)域時(shí)發(fā)生上揚(yáng)，直接作用在轉(zhuǎn)向架迎風(fēng)側(cè)，進(jìn)而形成雪花堆積；部分氣流在轉(zhuǎn)向架各死角處減速，導(dǎo)致隨氣流運(yùn)動(dòng)的雪花在附近滯留、黏附；制動(dòng)裝置、彈簧懸掛裝置、心盤(pán)以及轉(zhuǎn)向架迎風(fēng)側(cè)等為主要的積雪結(jié)冰部位；轉(zhuǎn)向架周?chē)能?chē)體底板距離軌面的高度直接影響氣流進(jìn)入到轉(zhuǎn)向架的揚(yáng)起角，建議保持車(chē)體底板高度一致；設(shè)計(jì)的流動(dòng)控制裝置有效減少了進(jìn)入到轉(zhuǎn)向架區(qū)域46.51%的氣流，從而改善了轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

高速列車(chē)；轉(zhuǎn)向架；積雪成因；流動(dòng)控制；數(shù)值模擬

我國(guó)鐵路線(xiàn)路長(zhǎng)、區(qū)域跨度大，列車(chē)所處的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變。當(dāng)列車(chē)在我國(guó)東北、新疆北部以及青藏高原等寒冷區(qū)域運(yùn)行時(shí)，將不可避免地遭受風(fēng)雪襲擊。目前，高速列車(chē)雖然整體上采用流線(xiàn)型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但在轉(zhuǎn)向架區(qū)域，為了檢修方便(觀察檢查)以及避免轉(zhuǎn)向架和車(chē)體的干涉(有相對(duì)運(yùn)動(dòng))，轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)大都裸露在外。當(dāng)列車(chē)長(zhǎng)時(shí)間在風(fēng)雪環(huán)境中高速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)向架底部和側(cè)部的空氣直接灌入到轉(zhuǎn)向架區(qū)域，形成復(fù)雜的湍流運(yùn)動(dòng)。由于雪花質(zhì)量很小，其運(yùn)動(dòng)軌跡容易受到氣流擾動(dòng)的影響，因此，環(huán)境風(fēng)中攜帶的雪花顆粒隨之流入到轉(zhuǎn)向架區(qū)域。當(dāng)運(yùn)動(dòng)行程中產(chǎn)生較多氣流漩渦時(shí)，雪花顆粒便在漩渦內(nèi)相互吸附，黏附在轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)表面，進(jìn)而形成堆積[1]。雪花顆粒將會(huì)隨著列車(chē)運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)而越積越多。當(dāng)轉(zhuǎn)向架上存在電機(jī)、齒輪箱、彈簧、制動(dòng)盤(pán)等發(fā)熱部件時(shí)，其產(chǎn)生的熱量將會(huì)被雪花吸收，形成雪水。當(dāng)熱源冷卻或雪水運(yùn)動(dòng)至熱源遠(yuǎn)端時(shí)，受到周?chē)h(huán)境的冷空氣影響，雪水又轉(zhuǎn)化成冰，周而復(fù)始，轉(zhuǎn)向架上的積雪結(jié)冰情況將會(huì)越來(lái)越惡劣，最終導(dǎo)致軸質(zhì)量增加、懸掛及制動(dòng)部件動(dòng)作不良甚至失效，惡化車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能，致使運(yùn)行出現(xiàn)故障，可能導(dǎo)致事故發(fā)生。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)中的結(jié)冰墜落威脅著地面設(shè)備(設(shè)施)、車(chē)下設(shè)備，而積雪也會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域的流場(chǎng)產(chǎn)生干擾，可能會(huì)惡化流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，加劇雪花堆積，所以，列車(chē)回庫(kù)需要耗費(fèi)大量人力除冰。因此，有必要對(duì)動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪成因進(jìn)行深入研究，從而找到改善轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)并減少積雪結(jié)冰的方案。隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，很多學(xué)者采用數(shù)值模擬對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)進(jìn)行了分析。IGLESIAS等[2]指出空氣進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域圍繞其各部件形成循環(huán)復(fù)雜的紊流。黃莎等[3]通過(guò)數(shù)值模擬研究，設(shè)置裙板對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)進(jìn)行了整流。FLYNN等[4]發(fā)現(xiàn)某型貨運(yùn)列車(chē)空氣流速最高的地方在轉(zhuǎn)向架區(qū)域。鄭循皓等[5]研究了高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架的氣動(dòng)阻力特性，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架區(qū)域的空氣流動(dòng)是非常復(fù)雜的，并且提出適當(dāng)改變列車(chē)底部形狀，可以改善轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)。ORELLANO等[6]研究了側(cè)風(fēng)下列車(chē)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。以上對(duì)于轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)及流場(chǎng)方面的研究主要考慮的是噪聲與氣動(dòng)力，并未涉及轉(zhuǎn)向架積雪結(jié)冰形成原因以及積雪防治方面的研究。而人們對(duì)列車(chē)積雪方面的研究大多集中在改善列車(chē)運(yùn)行環(huán)境以及清除已形成的積雪上。FUJII等[7]在考慮了經(jīng)濟(jì)方面可行的情況下，提出適當(dāng)降低的列車(chē)的運(yùn)行速度從而減少雪花落入轉(zhuǎn)向架區(qū)域。KIM等[8]通過(guò)數(shù)值模擬研究了列車(chē)上安裝的電熱融雪系統(tǒng)。AZUMA等[9]利用管道將空調(diào)系統(tǒng)排出的氣體引入轉(zhuǎn)向架區(qū)域從而起到融雪作用。韓運(yùn)動(dòng)等[10]測(cè)試了高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)，提出轉(zhuǎn)向架區(qū)域的雪花源自底部來(lái)流。LUDVIGSEN 等[11]統(tǒng)計(jì)了大量數(shù)據(jù)并通過(guò)建立回歸模型研究了風(fēng)雪天氣對(duì)歐洲貨運(yùn)列車(chē)運(yùn)行帶來(lái)的負(fù)面影響，但是未能從流場(chǎng)的角度分析積雪產(chǎn)生的原因以及其防治措施。雪花顆粒密度雖然比空氣的大，但是其形狀較復(fù)雜，易受空氣動(dòng)力的作用影響。研究表明[12]：當(dāng)起動(dòng)風(fēng)速達(dá)到10.7 m/s以上時(shí)，雪花顆粒會(huì)被運(yùn)動(dòng)的漩渦群卷入氣流并懸浮在空氣中隨風(fēng)運(yùn)動(dòng)；高速列車(chē)運(yùn)行時(shí)其周?chē)鲌?chǎng)的風(fēng)速一般可以達(dá)到50 m/s以上。所以，雪花顆粒相對(duì)氣流有較強(qiáng)的跟隨性，可以通過(guò)描述空氣的流動(dòng)來(lái)間接說(shuō)明雪花顆粒在空氣中的運(yùn)動(dòng)軌跡，并需要了解氣流在列車(chē)周?chē)牧鲃?dòng)情況。本文結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)CRH380型高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，從流場(chǎng)的角度分析轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪成因及易積雪部位。從氣流流動(dòng)控制入手，提出一種轉(zhuǎn)向架區(qū)域防積雪改進(jìn)方法，以便為防積雪轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值模擬方法的適用性分析

利用工程中廣泛應(yīng)用的剪切壓力傳輸SST?湍流模型進(jìn)行流場(chǎng)模擬。該模型綜合了近壁?模型的穩(wěn)定性及邊界層外部?獨(dú)立性的特點(diǎn)，對(duì)描述近壁面自由流精確性較高。夏超等[13]采用多種不同湍流模型模擬了列車(chē)外流場(chǎng)并將計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明了SST?湍流模型的準(zhǔn)確性非常高。毛軍等[14?15]采用SST?湍流模型對(duì)高速列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并將計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明SST?湍流模型是適用的。以上研究結(jié)果表明：對(duì)于高雷諾數(shù)的高速列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)，采用SST?湍流模型進(jìn)行模擬研究是準(zhǔn)確且可行的。流動(dòng)控制方程以及各常數(shù)的具體取值見(jiàn)文 獻(xiàn)[16]。

2 數(shù)值模擬計(jì)算模型、區(qū)域及邊界條件

2.1 數(shù)值模擬幾何模型

本文研究對(duì)象是車(chē)型為CRH380型高寒動(dòng)車(chē)組。該車(chē)型一般為8節(jié)車(chē)輛編組運(yùn)營(yíng)，全長(zhǎng)200.65 m，每節(jié)車(chē)廂下各有2個(gè)轉(zhuǎn)向架，因此，共有16個(gè)轉(zhuǎn)向架。若從列車(chē)頭部開(kāi)始研究各個(gè)轉(zhuǎn)向架區(qū)域的流場(chǎng)以及分析積雪情況，則計(jì)算量較大。實(shí)際上，由于列車(chē)是1個(gè)細(xì)長(zhǎng)體，當(dāng)高速列車(chē)在運(yùn)行時(shí)，氣流在離車(chē)頭一定距離后，在列車(chē)中部的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)基本保持穩(wěn)定，所以，將縮短的列車(chē)模型與完整列車(chē)模型相比，其流場(chǎng)基本特征變化并不大[17]。為減小計(jì)算規(guī)模而又不失準(zhǔn)確性，采用3節(jié)車(chē)模型進(jìn)行模擬，整個(gè)計(jì)算模型由1節(jié)頭車(chē)、1節(jié)中間車(chē)和1節(jié)尾車(chē)組成，共包含6個(gè)轉(zhuǎn)向架區(qū)域。為方便區(qū)分，從頭車(chē)第個(gè)轉(zhuǎn)向架至尾車(chē)最后1個(gè)轉(zhuǎn)向架分別編號(hào)為1~6號(hào)。圖1所示為車(chē)體幾何模型示意圖，其中頭車(chē)轉(zhuǎn)向架為動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架，中間車(chē)轉(zhuǎn)向架為拖車(chē)轉(zhuǎn)向架。

本文主要研究轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)，故對(duì)車(chē)體和轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，省略了轉(zhuǎn)向架表面的管線(xiàn)等細(xì)小結(jié)構(gòu)，同時(shí)，對(duì)各個(gè)運(yùn)動(dòng)件之間的間隙進(jìn)行調(diào)整，以方便網(wǎng)格離散和數(shù)值計(jì)算。考慮轉(zhuǎn)向架各個(gè)部件對(duì)其所在流場(chǎng)的影響，盡可能地保障動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架的完整性。在轉(zhuǎn)向架上存在的許多發(fā)熱元件如制動(dòng)鉗夾、制動(dòng)盤(pán)在列車(chē)制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，電機(jī)在車(chē)輛運(yùn)行時(shí)也會(huì)產(chǎn)生熱量，齒輪箱內(nèi)的齒輪之間的摩擦也會(huì)產(chǎn)生熱量。這些熱量都可能使覆蓋在其上的雪花融化，甚至在列車(chē)運(yùn)行時(shí)，空氣中的雪粒子碰到上述設(shè)備就直接融化為水，所以，在計(jì)算時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注這些部位。

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算模型及邊界條件

采用3節(jié)CRH380B型高寒動(dòng)車(chē)組為計(jì)算模型，同時(shí)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行簡(jiǎn)化，省略車(chē)體表面的一些細(xì)小部件。車(chē)體、轉(zhuǎn)向架及其周?chē)鷧^(qū)域均采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。為準(zhǔn)確模擬轉(zhuǎn)向架周?chē)鷾u流的形成和脫落以及附面層效應(yīng)，對(duì)車(chē)體、轉(zhuǎn)向架、地面、道床以及鋼軌等近壁面附近的單元進(jìn)行加密處理。本文研究的是轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪形成原因，故主要關(guān)心轉(zhuǎn)向架周?chē)牧熊?chē)底部流場(chǎng)情況。相對(duì)轉(zhuǎn)向架周?chē)W(wǎng)格而言，車(chē)體兩端以及頂部網(wǎng)格對(duì)車(chē)體底部流場(chǎng)影響不大，因此，該網(wǎng)格較稀疏。密網(wǎng)格和稀疏網(wǎng)格之間以一定的增長(zhǎng)因子均勻過(guò)渡，這樣既保證了精度要求，又減少了計(jì)算量，并加快了收斂速度?？臻g體單元總數(shù)約為3 000萬(wàn)。流場(chǎng)整體網(wǎng)格如圖2所示。計(jì)算采用天河二號(hào)廣州超級(jí)計(jì)算中心高性能計(jì)算平臺(tái)，采用60個(gè)CPU并行計(jì)算。

為真實(shí)模擬動(dòng)車(chē)組運(yùn)行時(shí)車(chē)體底部的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際比例增加鋼軌和道床模型。為保證流場(chǎng)的充分發(fā)展，避免邊界條件對(duì)轉(zhuǎn)向架周?chē)鲌?chǎng)結(jié)構(gòu)的影響，計(jì)算采用1:8的縮比模型，建立了長(zhǎng)為30、寬為15、高為19的計(jì)算區(qū)域(其中，為車(chē)高)。計(jì)算區(qū)域如圖3所示。面與面定義為氣流入口，給定列車(chē)縱向速度為55.56 m/s以及側(cè)向速度為10 m/s的合成來(lái)流，模擬列車(chē)走行風(fēng)與橫風(fēng)；面與面定義為氣流壓力出口；頂部DCGH面定義為對(duì)稱(chēng)面，使流域擴(kuò)大。由于在列車(chē)運(yùn)行中，車(chē)輪旋轉(zhuǎn)以及列車(chē)相對(duì)地面的滑移都會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域空氣的流速產(chǎn)生一定的影響[18?19]，為真實(shí)地模擬列車(chē)與地面、輪對(duì)與地面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，地面、道床、鋼軌給定沿列車(chē)運(yùn)行方向相反的滑移速度，輪對(duì)給予列車(chē)運(yùn)行方向一致的旋轉(zhuǎn)角速度。

圖1 幾何模型

圖2 網(wǎng)格示意圖

圖3 計(jì)算區(qū)域

3 高速列車(chē)原型車(chē)轉(zhuǎn)向架積雪結(jié)冰成因分析

轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪結(jié)冰主要原因是轉(zhuǎn)向架區(qū)域雪粒子進(jìn)入，并在轉(zhuǎn)向架上堆積、融化、結(jié)冰而成。而雪花由于形狀復(fù)雜，受到氣動(dòng)力的影響較大，有較強(qiáng)的跟隨性，可以從流場(chǎng)流動(dòng)方面尋找成因。為此，本文分析轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)情況，提出可能積雪的部位，并找到轉(zhuǎn)向架積雪結(jié)冰成因。由于轉(zhuǎn)向架2和轉(zhuǎn)向架4、轉(zhuǎn)向架3和轉(zhuǎn)向架5的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)類(lèi)似，因此，分別選取原型車(chē)的1，2，3和6號(hào)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行重點(diǎn)分析。

3.1 轉(zhuǎn)向架區(qū)域流線(xiàn)

空間流線(xiàn)可以直接顯示轉(zhuǎn)向架區(qū)域空氣的流向和流速以及氣流漩渦情況。在轉(zhuǎn)向架區(qū)域取縱向截面，顯示二維空氣流線(xiàn)，如圖4所示。為了更清晰地觀察轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)的流場(chǎng)情況，隱藏了轉(zhuǎn)向架一側(cè)構(gòu)架、輪對(duì)、彈簧懸掛裝置等遮擋視線(xiàn)的部件。

圖4 轉(zhuǎn)向架區(qū)域二維流線(xiàn)

通過(guò)分析空間流線(xiàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)列車(chē)運(yùn)行時(shí)，高速氣流夾帶雪花顆粒流經(jīng)轉(zhuǎn)向架區(qū)域且上揚(yáng)，氣流進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域后受到轉(zhuǎn)向架各部件復(fù)雜結(jié)構(gòu)影響，形成低速漩渦，此時(shí)雪花顆粒跟隨性降低，從而容易黏附在轉(zhuǎn)向架各部件上，形成堆積。圖5所示為轉(zhuǎn)向架周?chē)?chē)體縱向剖面示意圖。結(jié)合圖4和圖5可以看出轉(zhuǎn)向架周?chē)?chē)體結(jié)構(gòu)有很大差異，導(dǎo)致頭、尾車(chē)和中間車(chē)轉(zhuǎn)向架空間流場(chǎng)差別很大，具體體現(xiàn)在：

1) 在轉(zhuǎn)向架1區(qū)域，由于車(chē)體端面距離轉(zhuǎn)向架較遠(yuǎn)、轉(zhuǎn)向架裙板較短，轉(zhuǎn)向架迎風(fēng)側(cè)區(qū)域空隙較大(如圖5(a)所示)，導(dǎo)致氣流通過(guò)車(chē)體底板、轉(zhuǎn)向架裙板后上揚(yáng)并作用在轉(zhuǎn)向架區(qū)域，造成轉(zhuǎn)向架1區(qū)域流線(xiàn)紊亂；同時(shí)，由于受到設(shè)備艙端面和轉(zhuǎn)向架各個(gè)部件之間的阻擋影響，導(dǎo)致氣流反射，在彈簧懸掛裝置、制動(dòng)裝置、牽引電機(jī)等形成漩渦。但在背風(fēng)側(cè)，端板傾斜，從而可以將氣流引出轉(zhuǎn)向架區(qū)域，形成較少漩渦，有效防止雪花停留。

圖5 各轉(zhuǎn)向架區(qū)域周?chē)?chē)體結(jié)構(gòu)縱向剖面

2) 在轉(zhuǎn)向架2中，整體情況相比于轉(zhuǎn)向架1較好，主要是由于轉(zhuǎn)向架前端空隙距離比轉(zhuǎn)向架1的要小，相對(duì)設(shè)備艙距離較近(如圖5(b)所示)，導(dǎo)致氣流揚(yáng)起不夠，大部分氣流只能從轉(zhuǎn)向架下部流過(guò)；同時(shí)，轉(zhuǎn)向架后端底板傾斜且距離地面較高，氣流未受到阻擋，形成漩渦較少。但由于氣流受到轉(zhuǎn)向架迎風(fēng)側(cè)阻擋，加之裙板較短，致使轉(zhuǎn)向架區(qū)域構(gòu)架中心、制動(dòng)裝置、彈簧懸掛裝置等存在漩渦，形成較少積雪。

3) 在轉(zhuǎn)向架3處，由于“頭?中間車(chē)”間風(fēng)擋最低點(diǎn)、中間車(chē)端部底板距離地面較高以及轉(zhuǎn)向架裙板較短(如圖5(c)所示)，導(dǎo)致大部分氣流揚(yáng)起并覆蓋在整個(gè)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)上，直接沖刷轉(zhuǎn)向架各部件迎風(fēng)側(cè)；同時(shí)，轉(zhuǎn)向架后端氣流受到設(shè)備艙垂直端面阻礙，造成反射，在轉(zhuǎn)向架背風(fēng)側(cè)形成漩渦，致使雪花停留、黏附，整個(gè)轉(zhuǎn)向架?chē)?yán)重積雪。

4) 在轉(zhuǎn)向架6中，由于受到車(chē)頭曲面的影響，導(dǎo)致氣流通過(guò)面積增大(如圖5(d)所示)，大部分氣流較難流入轉(zhuǎn)向架區(qū)域，只在轉(zhuǎn)向架前端區(qū)域形成較少漩渦，并沒(méi)有大量氣流直接作用在轉(zhuǎn)向架上，但轉(zhuǎn)向架“前制動(dòng)裝置”受到氣流直接作用、中后部區(qū)域受到氣流反射作用，仍然能形成少量積雪。

3.2 轉(zhuǎn)向架區(qū)域壓力

在轉(zhuǎn)向架中間位置取水平截面顯示空間壓力云圖，如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)向架區(qū)域空間壓力

從圖6可見(jiàn)：轉(zhuǎn)向架3周?chē)鸀檩^大面積的正壓區(qū)，主要是氣流直接上揚(yáng)作用在轉(zhuǎn)向架上所致；轉(zhuǎn)向架1和轉(zhuǎn)向架2的正壓區(qū)較少，由于少部分氣流越過(guò)轉(zhuǎn)向架，造成轉(zhuǎn)向架存在部分極值較大的低壓區(qū)；轉(zhuǎn)向架6處在比較均勻的小負(fù)壓區(qū)，很少受到氣流的揚(yáng)起作用。結(jié)合轉(zhuǎn)向架區(qū)域流線(xiàn)可知：當(dāng)流線(xiàn)未揚(yáng)起，直接從轉(zhuǎn)向架下部通過(guò)時(shí)，將造成轉(zhuǎn)向架上部區(qū)域形成1個(gè)較小的均勻負(fù)壓區(qū)，從而改善轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)。

4 防積雪設(shè)計(jì)

由于高速列車(chē)的轉(zhuǎn)向架是經(jīng)過(guò)完善的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)研究設(shè)計(jì)的產(chǎn)物，因此，在設(shè)計(jì)防積雪方案時(shí)，不考慮改變轉(zhuǎn)向架自身的外形和結(jié)構(gòu)。防積雪方案主要基于原模型車(chē)進(jìn)行轉(zhuǎn)向架周?chē)?chē)體結(jié)構(gòu)改進(jìn)，而保持轉(zhuǎn)向架位置、結(jié)構(gòu)等與現(xiàn)有動(dòng)車(chē)組的一致性。由于最靠近車(chē)頭和車(chē)尾的2個(gè)轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)受車(chē)體外形影響較大，在實(shí)際運(yùn)行和數(shù)值計(jì)算中，中間車(chē)轉(zhuǎn)向架的積雪情況較嚴(yán)重，而頭、尾車(chē)轉(zhuǎn)向架并不會(huì)有嚴(yán)重的積雪問(wèn)題。在對(duì)原型車(chē)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，3號(hào)轉(zhuǎn)向架是積雪最為嚴(yán)重的區(qū)域，因此，在設(shè)計(jì)改進(jìn)方案時(shí)選取該轉(zhuǎn)向架進(jìn)行重點(diǎn)分析。根據(jù)前面的流線(xiàn)分析可知，轉(zhuǎn)向架1，2和6區(qū)域內(nèi)的氣流比轉(zhuǎn)向架3區(qū)域的小。從轉(zhuǎn)向架區(qū)域周?chē)准芙Y(jié)構(gòu)看，各個(gè)轉(zhuǎn)向架區(qū)域與轉(zhuǎn)向架3前后兩端的端板存在很大區(qū)別：與轉(zhuǎn)向架3相比，轉(zhuǎn)向架1，2和6的上風(fēng)側(cè)端面底部距離軌道面較近，且轉(zhuǎn)向架1和轉(zhuǎn)向架2的端板與轉(zhuǎn)向架的距離也較近，從而導(dǎo)致上揚(yáng)而進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域的氣流較少；而轉(zhuǎn)向架1，2和6的下風(fēng)側(cè)端板均存在傾斜結(jié)構(gòu)，與轉(zhuǎn)向架3下風(fēng)側(cè)端板的垂直結(jié)構(gòu)不同，將經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向架區(qū)域的氣流引導(dǎo)出轉(zhuǎn)向架區(qū)域，形成較少漩渦。防積雪方案設(shè)計(jì)主要有2種思路：一種是減少進(jìn)入到轉(zhuǎn)向架區(qū)域的高速氣流，從而減少雪花進(jìn)入量，即通過(guò)流動(dòng)控制方法引導(dǎo)氣流從轉(zhuǎn)向架底部通過(guò)，盡量避免氣流與轉(zhuǎn)向架接觸；另一種則是通過(guò)稀疏轉(zhuǎn)向架自身結(jié)構(gòu)或?qū)μ囟C(jī)構(gòu)(如空氣、彈簧)采取隔離措施，從而減少進(jìn)入到轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣流中的雪花在轉(zhuǎn)向架區(qū)域堆積。結(jié)合實(shí)際情況與流場(chǎng)分析，本文采取引導(dǎo)來(lái)流的方式，設(shè)計(jì)了如下防積雪方案：將上風(fēng)側(cè)車(chē)體底架端面高度拉低至與底罩平齊，前后兩側(cè)端板與轉(zhuǎn)向架之間的距離均拉近至0.16 m，在靠近轉(zhuǎn)向架前后兩端的底罩處各構(gòu)造1個(gè)三棱柱導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)。具體方案措施見(jiàn)圖7。

三棱柱導(dǎo)流槽的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8，其遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)向架一側(cè)斜角為15.5°，靠近轉(zhuǎn)向架一側(cè)斜角為35.5°，沿列車(chē)長(zhǎng)度方向?yàn)?.3 m；沿列車(chē)寬度方向?yàn)?.4 m，最高點(diǎn)到底部端面距離為0.2 m。

對(duì)于將防積雪方案，采取與原始方案同樣的方法進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬，從而得到原始方案與防積雪方案的轉(zhuǎn)向架3區(qū)域空氣流線(xiàn)對(duì)比，見(jiàn)圖9。

雪花隨著氣流懸移，可以通過(guò)進(jìn)風(fēng)量來(lái)間接對(duì)比雪花顆粒進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域的量，如圖10所示。在轉(zhuǎn)向架的四周以及底面分別作切片，這5個(gè)切片與轉(zhuǎn)向架上端的車(chē)體底面將轉(zhuǎn)向架區(qū)域完全包裹在內(nèi)。定義垂直于上述各個(gè)面且流向指向轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)部的氣流的風(fēng)速在各個(gè)面上的積分為進(jìn)風(fēng)量，通過(guò)計(jì)算得到2種不同方案下轉(zhuǎn)向架3區(qū)域的進(jìn)風(fēng)量，如表1所示。

圖7 優(yōu)化方案模型

圖8 三棱柱導(dǎo)流槽

圖9 轉(zhuǎn)向架3區(qū)域流線(xiàn)

圖10 轉(zhuǎn)向架區(qū)域進(jìn)風(fēng)量示意圖

表1 轉(zhuǎn)向架3區(qū)域進(jìn)風(fēng)量

對(duì)比轉(zhuǎn)向架3區(qū)域的原始方案與防積雪方案二維流線(xiàn)發(fā)現(xiàn)：與原始模型相比，進(jìn)行防積雪改進(jìn)之后上風(fēng)側(cè)底板拉低，端板向轉(zhuǎn)向架拉近，且安裝有導(dǎo)流裝置，因而，大部分氣流沿著導(dǎo)流裝置向下流動(dòng)，未被揚(yáng)起，減少了氣流直接對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域各部件的沖刷，轉(zhuǎn)向架前部流場(chǎng)明顯改善；后端雖然增加了引流結(jié)構(gòu)，但仍然受端面影響，部分氣流受阻，在轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)部形成少量漩渦，對(duì)流場(chǎng)起到了一定的副作用。從三維空間流線(xiàn)圖可以看出：采用防積雪方案之后，上風(fēng)側(cè)氣流受到導(dǎo)流裝置的影響，并未在轉(zhuǎn)向架區(qū)域上揚(yáng)，進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域的空氣大幅度減少，有效地阻擋了大量氣流夾帶雪花顆粒進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域，轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)結(jié)構(gòu)得到明顯改善。通過(guò)定量分析進(jìn)一步驗(yàn)證了防積雪方案的進(jìn)風(fēng)量與原始方案相比降低46.51%，對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域防積雪結(jié)冰起到了積極作用。目前，該防積雪方案已得到了實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)性研究，取得了較好效果。

5 結(jié)論

1) 當(dāng)轉(zhuǎn)向架前端與設(shè)備艙(或車(chē)體端板)距離較近時(shí)，積雪較少；列車(chē)往返1次行駛后，頭尾車(chē)前端轉(zhuǎn)向架(頭部下方轉(zhuǎn)向架)積雪比其他轉(zhuǎn)向架的少。

2) 風(fēng)擋、底板最低點(diǎn)到軌面的距離決定了轉(zhuǎn)向架積雪的嚴(yán)重程度；當(dāng)距離較大時(shí)，積雪嚴(yán)重；當(dāng)距離較小時(shí)，積雪較少。

3) 形成積雪的主要原因是：氣流上揚(yáng)直接作用在轉(zhuǎn)向架各部件上，將雪花帶至轉(zhuǎn)向架各死角處；轉(zhuǎn)向架區(qū)域存在大量的低速漩渦，導(dǎo)致從車(chē)體前方夾帶雪花而來(lái)的高速氣流在附近滯留，以致雪花黏附。

4) 制動(dòng)裝置、彈簧懸掛裝置、心盤(pán)以及轉(zhuǎn)向架迎風(fēng)側(cè)等是主要的積雪部位。

5) 本文所設(shè)計(jì)的拉近車(chē)體端板、降低底板端面高度并在車(chē)體底板設(shè)置適當(dāng)?shù)膶?dǎo)流裝置的優(yōu)化方案能使得氣流在經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向架區(qū)域時(shí)未上揚(yáng)進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域，直接從轉(zhuǎn)向架下部通過(guò)，從而改善轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)，轉(zhuǎn)向架區(qū)域的進(jìn)風(fēng)量比原始車(chē)型減少了46.51%，有效地防止了積雪進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域。

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(編輯 陳燦華)

Cause analysis of snow packing in high-speed train’s bogie regions and anti-snow packing design

MIAO Xiujuan1, 2, HE Kan3

(1. Key Laboratory of Safety Design and Reliability Technology for Engineering Vehicle, Hunan Province, Changsha 410076, China; 2. College of Automobile and Machinery Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410076, China; 3. Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education, School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

To solve the serious problems of snow packing in high-speed train’s bogies under the blizzard environment, the flow structure in bogie regions of a CRH380 high-speed train was simulated by the three-dimensional Reynolds-averaged SST?two-equation turbulence model and finite volume method. The cause of snow packing and the location that was easily covered snow were analyzed. A flow control method was proposed. The results show that airflow coming from the bottom of the train increases with a tilt angle in the bogie regions, which can impact the windward side of the bogies and lead to snow packing. Meanwhile, snowflakes carried by the decelerated airflow are stranded and trapped in blind corners of bogies. Braking systems, spring suspensions, core plates and the windward side of bogies are the configurations which are mainly covered snow. The raising angles of airflow entering into the bogie regions are directly influenced by the height between the rail level and the bottom close to the bogies. The uniform height for the car bottom is proposed. The designed flow control device can effectively reduce the airflow rushing into the bogie regions by 46.51%. Therefore, the flow structures in the bogie regions are improved.

high-speed train; bogie; causes of accumulated snow; flow control; numerical simulation

U271.91

A

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.03.032

1672?7207(2018)03?0756?08

2017?03?10；

2017?05?15

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFB1200403)；高鐵聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(U1534210)；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(14JJ1003)；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(51605044)；湖南省自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(2016JJ3004)；工程車(chē)輛安全性設(shè)計(jì)與可靠性技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(KF1607) (Project(2016YFB1200403) supported bythe National Key Research and Development Program of China; Project(U1534210) supported by the High Speed Railway Union Fund; Project(14JJ1003) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province; Project(51605044) supported by the Youth Foundation of National Natural Science Foundation of China; Project(2016JJ3004) supported by the Youth Foundation of Natural Science Foundation of Hunan Province; Project(KF1607) supported by the Open Fund of Key Laboratory of Safety Design and Reliability Technology for Engineering Vehicle of Hunan Province)

何侃，博士，從事軌道交通空氣動(dòng)力學(xué)與行車(chē)安全研究；E-mail：k_he@foxmail.com