賈海龍, 徐玉峰, 吳榮平

(北京中車賽德鐵道電氣科技有限公司, 北京 100176)

隨著列車運(yùn)行速度的提高，在高速下受電弓的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對(duì)弓網(wǎng)的受流影響已非常明顯[1]。如果受電弓在高速運(yùn)行下的空氣動(dòng)力學(xué)性能降低，會(huì)直接導(dǎo)致弓網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量和運(yùn)行狀態(tài)的惡化，增加接觸網(wǎng)和滑板的電氣磨損以及機(jī)械磨損，使受電弓和接觸網(wǎng)的維護(hù)成本增加，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸢踩珕?wèn)題。因此受電弓的氣動(dòng)性能是保證弓網(wǎng)間具有良好接觸穩(wěn)定性和跟隨性的重要因素，必須著重考慮[2]。

目前我國(guó)高速動(dòng)車組受電弓均來(lái)源于國(guó)外技術(shù)，同時(shí)針對(duì)國(guó)外受電弓進(jìn)行了大量氣動(dòng)性能研究，而對(duì)于國(guó)內(nèi)自主研制的受電弓的研究信息少之又少。以國(guó)內(nèi)受電弓制造商研制出的一種新型高速受電弓為研究對(duì)象，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)和線路運(yùn)行試驗(yàn)相結(jié)合的方法來(lái)對(duì)該新型高速受電弓的空氣動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1 新型高速受電弓介紹

目前國(guó)內(nèi)高速動(dòng)車組使用的受電弓主要有以下兩種結(jié)構(gòu)形式：

(1)STEMMANN公司的DSA380型受電弓和SIEMENS公司的SSS400+型受電弓，均為單下臂、框架式上臂結(jié)構(gòu)；

(2)FAIVELEY公司研制的CX型受電弓，該型受電弓為單下臂、單上臂式結(jié)構(gòu)。

如圖1所示，該新型高速受電弓的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為單管式上臂、雙框架下臂桿結(jié)構(gòu)。

新型高速受電弓在結(jié)構(gòu)上有很大創(chuàng)新，完全不同于上述兩種結(jié)構(gòu)受電弓，所以其空氣動(dòng)力學(xué)性能未知，無(wú)法以現(xiàn)有結(jié)構(gòu)受電弓進(jìn)行類比研究。

1-底架; 2-阻尼器; 3-升弓裝置; 4-下臂; 5-下導(dǎo)桿; 6-上臂; 7-上導(dǎo)桿; 8-弓頭。圖1 新型高速受電弓結(jié)構(gòu)示意圖

2 新型高速受電弓的風(fēng)洞試驗(yàn)

2.1 風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)備介紹

風(fēng)洞試驗(yàn)在中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院流體動(dòng)力檢測(cè)中心的FD-09低速風(fēng)洞進(jìn)行，該風(fēng)洞為一座單回流閉口低速風(fēng)洞，試驗(yàn)段長(zhǎng)14 m，橫截面為3 m×3 m的四角圓化正方形，圓角半徑為0.5 m，試驗(yàn)段有效截面積為8.785 4 m2，風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)速為10～100 m/s無(wú)級(jí)調(diào)速，氣流的湍流度為0.1%～0.13%，動(dòng)壓偏差|ΔQ/Q|<0.3%，風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)良好。

2.2 風(fēng)洞試驗(yàn)方案

受電弓與3組支撐絕緣子連接固定后直接通過(guò)特制工裝與風(fēng)洞地板轉(zhuǎn)盤上的盒式天平連接(如圖5所示)。受試驗(yàn)場(chǎng)地限制，本次受電弓弓頭抬升力測(cè)試采用拉繩測(cè)試[3]，具體方式為：在地板轉(zhuǎn)盤上的盒式天平上安裝有4組拉力傳感器，拉力傳感器通過(guò)細(xì)鋼絲與受電弓弓頭碳滑板連接。

圖2 新型高速受電弓風(fēng)洞試驗(yàn)布置圖

目前國(guó)內(nèi)速度250 km/h以上接觸網(wǎng)標(biāo)稱高度為5 300 mm[4]，折算到新型高速受電弓上需升高約為900 mm，此時(shí)即為受電弓的工作高度。受電弓狀態(tài)分為工作高度開口、工作高度閉口、落弓開口和落弓閉口4種。由于風(fēng)洞設(shè)備最高風(fēng)速只能達(dá)到330 km/h，所以風(fēng)洞試驗(yàn)從風(fēng)速200～325 km/h，每間隔25 km/h風(fēng)速增加一次。

2.3 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)為在上述既定風(fēng)速下和既定工況下新型高速受電弓的氣動(dòng)抬升力和氣動(dòng)總阻力的結(jié)果。

2.3.1新型高速受電弓的氣動(dòng)抬升力分析

圖3 新型高速受電弓氣動(dòng)抬升力曲線圖

由圖3可以看出，新型高速受電弓無(wú)論處于哪種狀態(tài)，其氣動(dòng)抬升力變化趨勢(shì)基本一致，即氣動(dòng)抬升力隨著風(fēng)速的增加而增加，具體表現(xiàn)為：

(1)工作高度閉口狀態(tài)下的抬升力要高于開口狀態(tài)下的抬升力，但二者依然與標(biāo)準(zhǔn)要求的平均接觸力Fm=0.000 97×v2+70[5]有一定偏差。其中工作高度閉口狀態(tài)下，新型高速受電弓的氣動(dòng)抬升力與標(biāo)準(zhǔn)要求的平均接觸力相差約15%左右，氣動(dòng)抬升力擬合方程為Fm=-0.002 7×v2+2.19×v-203.7；工作高度開口狀態(tài)下，新型高速受電弓的氣動(dòng)抬升力與標(biāo)準(zhǔn)要求的平均接觸力相差約10%左右，氣動(dòng)抬升力擬合方程為Fm=0.002 9×v2-1.19×v+ 228.7。

(2)落弓開口狀態(tài)下受電弓的氣動(dòng)抬升力隨著風(fēng)速的變化不明顯，但是落弓閉口狀態(tài)下的受電弓其氣動(dòng)抬升力隨風(fēng)速增加出現(xiàn)明顯增加，在試驗(yàn)最高風(fēng)速385 km/h時(shí)達(dá)到近90 N，與該受電弓落弓保持力的最小值100 N接近。

由于該新型高速受電弓配備有主動(dòng)控制閥板，所以根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果擬合的氣動(dòng)力方程式與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的平均接觸力進(jìn)行差值比較，通過(guò)主動(dòng)控制閥板的調(diào)整策略對(duì)輸出氣壓進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，即工作高度開口狀態(tài)下增大受電弓氣囊壓力，工作高度閉口狀態(tài)下降低受電弓氣囊壓力，使其抬升力在合理的范圍內(nèi)，滿足高速運(yùn)行條件下的弓網(wǎng)運(yùn)行[6]，該部分內(nèi)容的驗(yàn)證在后續(xù)章節(jié)進(jìn)行說(shuō)明。

2.3.2新型高速受電弓氣動(dòng)阻力分析

圖4 新型高速受電弓氣動(dòng)總阻力曲線圖

由圖4可以看出，新型高速受電弓的氣動(dòng)總阻力隨風(fēng)速呈正向增加的關(guān)系，且工作高度狀態(tài)下的氣動(dòng)總阻力比落弓狀態(tài)的增加約10%左右，由此可以知道，該新型高速受電弓的底架及絕緣子部分對(duì)氣動(dòng)總阻力貢獻(xiàn)最大。

此外，開口狀態(tài)下的氣動(dòng)總阻力均與閉口狀態(tài)的氣動(dòng)總阻力相差不大，所以開、閉口狀態(tài)不是影響該新型高速受電弓的風(fēng)動(dòng)阻力主要因素。

3 線路運(yùn)行試驗(yàn)

3.1 線路運(yùn)行試驗(yàn)介紹

新型高速受電弓安裝在CR400BF-0305列動(dòng)車組03車上進(jìn)行線路運(yùn)行試驗(yàn)。2018年新型高速受電弓在京沈客運(yùn)專線某段試驗(yàn)區(qū)間進(jìn)行了弓網(wǎng)線路運(yùn)行試驗(yàn)，從80 km/h開始逐級(jí)提速試驗(yàn)，最高試驗(yàn)速度達(dá)到385 km/h。

圖5 新型高速受電弓線路運(yùn)行試驗(yàn)過(guò)程

3.2 線路運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果分析

弓網(wǎng)線路運(yùn)行試驗(yàn)過(guò)程中，以風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)對(duì)主動(dòng)控制策略進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，進(jìn)而改變受電弓氣囊氣壓來(lái)實(shí)現(xiàn)受電弓滑板與接觸網(wǎng)之間的相互作用力滿足要求，最終線路試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 新型高速受電弓動(dòng)態(tài)接觸力(開口狀態(tài))

圖7 新型高速受電弓動(dòng)態(tài)接觸力(閉口狀態(tài))

新型高速受電弓開口方向運(yùn)行，試驗(yàn)速度180～300 km/h，新型高速受電弓的動(dòng)態(tài)平均接觸力分布在85～145 N范圍內(nèi)；試驗(yàn)速度300～385 km/h，平均接觸力分布在115～200 N范圍內(nèi)。

新型高速受電弓閉口方向運(yùn)行，試驗(yàn)速度180～300 km/h，新型高速受電弓的動(dòng)態(tài)平均接觸力分布在90～160 N范圍內(nèi)；試驗(yàn)速度300～350 km/h，平均接觸力分布在115～175 N范圍內(nèi)。

由于風(fēng)洞試驗(yàn)最高只能做到325 km/h的工況，所以無(wú)法通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)新型高速受電弓在更高風(fēng)速下的氣動(dòng)抬升力進(jìn)行研究分析。線路運(yùn)行試驗(yàn)過(guò)程中以風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行了主動(dòng)控制策略的調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)新型高速受電弓在高速運(yùn)行下接觸力滿足要求，結(jié)果如圖8～圖11所示。

圖8 閉口狀態(tài)動(dòng)態(tài)接觸力(速度350 km/h)

圖9 開口狀態(tài)動(dòng)態(tài)接觸力(速度350 km/h)

圖10 閉口狀態(tài)動(dòng)態(tài)接觸力(速度385 km/h)

圖11 開口狀態(tài)動(dòng)態(tài)接觸力(速度385 km/h)

新型高速受電弓在開口方向和閉口方向運(yùn)行弓網(wǎng)接觸力均比較平穩(wěn)。弓網(wǎng)接觸力最大值、平均值和最小值隨速度的變化曲線符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，同時(shí)根據(jù)線路運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果的進(jìn)一步驗(yàn)證可得出以下結(jié)論：

(1)開、閉口運(yùn)行方式對(duì)自主化受電弓的氣動(dòng)阻力值影響不大；

(2)新型高速受電弓在工作高度閉口狀態(tài)下氣動(dòng)抬升力擬合方程為Fm=-0.002 7×v2+2.19×v-203.7；工作高度開口狀態(tài)下氣動(dòng)抬升力擬合方程為Fm=0.002 9×v2-1.19×v+228.7，可以作為對(duì)該受電弓氣動(dòng)抬升力進(jìn)行主動(dòng)控制策略調(diào)整的重要依據(jù)。

此外，由于新型高速受電弓的底架及絕緣子部分對(duì)氣動(dòng)總阻力貢獻(xiàn)最大，所以建議設(shè)計(jì)者著重從受電弓底架及絕緣子等結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行優(yōu)化，來(lái)降低受電弓的氣動(dòng)總阻力。