姚曙光，周雪飛，許平，喬毓寧

(1.中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙，410075；2.中南大學(xué)軌道交通安全關(guān)鍵技術(shù)國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙，410075；3.中南大學(xué)軌道交通列車安全保障技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，湖南長(zhǎng)沙，410075)

高速列車運(yùn)行過程中，軌道上任何障礙物都可能對(duì)列車造成損壞，甚至出現(xiàn)脫軌、傾覆等嚴(yán)重的安全事故。為應(yīng)對(duì)鐵路線路可能出現(xiàn)的異物、兩側(cè)山體落石、大型動(dòng)物出沒、突降暴雪等突發(fā)情況，需在列車頭車安裝排障裝置，排除線路上障礙物，排障裝置成為高速列車重要組成部分。隨著鐵路運(yùn)行速度不斷提高，對(duì)排障裝置排障性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求也越來越高，為適應(yīng)復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境，高速列車排障裝置安全防護(hù)性能逐步演化提升，從排除石子等小型障礙物到排除小型車輛和積雪等障礙物，排障裝置的外形結(jié)構(gòu)從簡(jiǎn)單的桿狀結(jié)構(gòu)發(fā)展成為鋼管彎制結(jié)構(gòu)，再到鋼板拼焊的平直板式結(jié)構(gòu)、弧形結(jié)構(gòu)以及犁型結(jié)構(gòu)，其功能特性朝著兼具排障、除雪和耐撞性的方向發(fā)展。

1 排障裝置的演化歷程

隨著運(yùn)行速度提升，列車經(jīng)歷了從蒸汽機(jī)車到內(nèi)燃機(jī)車再到電力機(jī)車的進(jìn)化，排障裝置也不斷發(fā)展演化(見圖1)。蒸汽機(jī)車、內(nèi)燃機(jī)車作為牽引機(jī)車，其排障裝置由鋼管或板材組焊而成，外部不安裝導(dǎo)流罩，結(jié)構(gòu)裸露，側(cè)邊焊有腳踏，造型大多平直或弧度較小，不具有能量吸收特性，安全防護(hù)性能一般(見圖1(b)和(c))。SS4型電力機(jī)車排障裝置采用管式結(jié)構(gòu)，由3排平行的管子和一些短撐管焊接而成[1]。SS7型電力機(jī)車排障裝置由鋼管彎制組焊而成[2]。SS7E型電力機(jī)車排障裝置采用板梁結(jié)構(gòu)[3]。SS9型電力機(jī)車排障裝置的排障板是平直的，并設(shè)有腳踏板方便工作人員調(diào)車時(shí)站立[4]。SS9型電力機(jī)車排障裝置的排障板造型平直，只能將障礙物向前推而無法將障礙物掃出軌道，HXD3C型電力機(jī)車排障裝置的排障板略帶弧形[5]。HXD1系列(如HXD1B和HXD1C)電力機(jī)車排障裝置采用較大板厚的板材組焊而成，質(zhì)量較大，HXD1D型電力機(jī)車排障裝置采用較小板厚的排障裝置組焊而成的網(wǎng)格支撐梁結(jié)構(gòu)[6]。ETH型電力機(jī)車排障裝置的排障板造型平直[7]。神華電力機(jī)車排障裝置采用板式結(jié)構(gòu)[8]。為清除軌道上較小的碎石等障礙物，在轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架或軸箱體安裝了輔助排障器(見圖1(a))[9]，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在列車運(yùn)行過程中，隨著構(gòu)架浮沉運(yùn)動(dòng)，會(huì)發(fā)生垂向的運(yùn)動(dòng)，因此，與軌面間隙不能過小。在軸箱上安裝的排障器垂向運(yùn)動(dòng)幅度小，與軌面間隙可以設(shè)置較小，但由于軸箱振動(dòng)較大，需提高排障器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。許多學(xué)者對(duì)排障器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，劉忠義[10]設(shè)計(jì)了由支架、膠管、卡箍組成的新型膠管輔助排障器。安治業(yè)等[11]研究了采用鋸齒嵌合結(jié)構(gòu)的某型動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架排障器，該排障器安裝在轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)臂式軸箱下部，將原來的單螺栓連接改為雙螺栓連接，優(yōu)化后輔助排障器的靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和剛度都有明顯提升。李業(yè)明等[12]設(shè)計(jì)了新型排障器，該排障器上半部分設(shè)計(jì)成變截面箱形結(jié)構(gòu)，下部分設(shè)計(jì)成等截面箱形結(jié)構(gòu)且下端面與背面設(shè)計(jì)成135°角，上下部分采用環(huán)形體連接。何鐳等[13]分析了SS8型電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架排障器支架裂紋的成因。隨著從蒸汽機(jī)車、內(nèi)燃機(jī)車發(fā)展到電力機(jī)車，排障器也發(fā)展演化成為可以排除大型障礙物的排障裝置。排障裝置安裝在列車頭車車體上，體積較大，與列車頭部司機(jī)室外形的流線保持一致。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外對(duì)排障裝置的強(qiáng)度提出了相關(guān)技術(shù)要求：EN 15227—2008[14]規(guī)定排障裝置在中心線處能承受的最大縱向負(fù)載為300 N，在距中心線上橫向距離750 mm處能承受的最大縱向負(fù)載為250 N，靜態(tài)負(fù)載作用區(qū)域如圖2所示；TB/T 2541—2010“機(jī)車車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)范”[15]要求車體排障裝置中央底部須能承受140 kN 靜載荷而不發(fā)生永久性變形。

圖1 排障裝置的演化Fig.1 Evolution of auxiliary obstacle deflector

圖2 靜態(tài)負(fù)載作用區(qū)域[14]Fig.2 Static load action area[14]

隨著高速動(dòng)車組的發(fā)展，排障裝置的外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，演化成為外形弧度更大、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高的動(dòng)車組排障裝置。動(dòng)車組排障裝置采用鋼板拼焊而成，外部裝有排障裝置導(dǎo)流罩，可在內(nèi)部設(shè)置吸能元件，安全防護(hù)性能更加優(yōu)良。CRH1型動(dòng)車組排障裝置呈短圍裙?fàn)?，由鋼板焊接而成的框架和玻璃鋼制成的前圍板組成；CRH2型動(dòng)車組排障裝置中頭部呈犁型(見圖1(d))，由排障板、排障橡膠、排障板蓋板、緩沖板、緩沖板支撐、緩沖板支撐和緩沖板安裝座組成，緩沖板可以吸收沖擊能量；CRH3型動(dòng)車組排障裝置呈圓弧形，通過內(nèi)部4 根圓管吸收能量；CRH5 型動(dòng)車組排障裝置呈弧形[16]。CA250 高速動(dòng)車排障裝置端面由平直面和2個(gè)側(cè)面組成，弧度較大[17]。隨著排障裝置的演化，對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求也隨之提高。英國(guó)鐵道車輛結(jié)構(gòu)要求GM/RT 2100[18]將最大靜態(tài)負(fù)載提高到600 kN。TB/T 3500—2018“動(dòng)車組車體耐撞性要求與驗(yàn)證規(guī)范”[19]將中心線處負(fù)載提高到300 kN，在距中心線上橫向距離750 mm處最大負(fù)載提高到250 kN。標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定比較如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)排障裝置的靜態(tài)負(fù)載要求Table 1 Static load requirements of domestic and foreign standards for obstacle deflector

同時(shí)為適應(yīng)多雪地區(qū)的運(yùn)行環(huán)境，排障裝置需具有除雪特性，進(jìn)而演化為犁型排障裝置(見圖1(e))。在滿足基礎(chǔ)的排障功能和強(qiáng)度要求的前提下，犁型排障裝置的開口角和前傾角更小，便于切入雪體，前端排障板設(shè)計(jì)成向外彎曲且弧度較大的曲面，在排除高度為800 mm標(biāo)準(zhǔn)雪堆(見圖3)過程中，保證飛雪不會(huì)向上阻擋司機(jī)視線，翼板尾部設(shè)計(jì)成內(nèi)凹形狀，防止尾部飛雪高度過大。相應(yīng)地，針對(duì)犁型排障裝置的除雪標(biāo)準(zhǔn)也相繼被提出。鐵路應(yīng)用環(huán)境條件機(jī)車車輛設(shè)計(jì)導(dǎo)則PD CEN-TR16251—2016[20]指出犁型排障裝置的開口角不大于160°，在除雪過程中飛雪不能超過擋風(fēng)玻璃，不能越過線路防護(hù)墻，并且要以極低的角度高效地將積雪排到貯雪溝中。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)雪堆Fig.3 Standard snowdrift

2 排障裝置的排障性能

作為高速列車頭部重要裝置，排障裝置最根本安全防護(hù)功能就是排除線路上的障礙物，防止列車發(fā)生脫軌。當(dāng)高速列車與線路上障礙物撞擊時(shí)，排障裝置位于碰撞的最前方，排障裝置必須具備一定的排障性能，以保證運(yùn)行列車在與障礙物碰撞過程中的行車安全。EN 15227—2008[14]中對(duì)排障性能提出了明確的要求：排障裝置為連續(xù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)足以掃除轉(zhuǎn)向架路徑上的障礙物；排障裝置的下緣應(yīng)盡可能靠近軌面，以便掃掉石礫。

2.1 結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度研究

為最大限度發(fā)揮排障裝置的排障功能，研究人員對(duì)排障裝置結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度進(jìn)行了廣泛研究。胡坤鏡等[21]對(duì)200 km/h 客運(yùn)機(jī)車排障裝置的靜強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在排障裝置中央底部施加140 kN 的靜壓力，最大應(yīng)力出現(xiàn)在上翼板靠近中部的2塊縱筋板上，為此，對(duì)筋板和封板進(jìn)行了優(yōu)化。奚海珍[22]對(duì)某型機(jī)車排障裝置靜強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在排障裝置中央施加120 kN的靜載荷時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在鼻端中央面板，在距中心750 mm處施加100 kN 靜載荷時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在鼻端和面板接觸處。陶長(zhǎng)焱等[23]對(duì)某貨運(yùn)列車排障裝置以及吊座和支撐座進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力出現(xiàn)在吊座支撐板和接地座的連接位置底部，在排障裝置和接地座之間增焊鋼板提高剛度，在吊座非承載位置設(shè)置減重孔來改變結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布。童小山等[24]對(duì)HXD1G型電力機(jī)車排障裝置進(jìn)行靜強(qiáng)度仿真計(jì)算并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得出不同工況下應(yīng)力云圖(見圖4)；在中心線施加300 kN的載荷時(shí)排障裝置下部橫向筋板應(yīng)力較大，在中心線橫向距離750 mm處施加250 kN載荷時(shí)，排障裝置側(cè)邊垂直筋板應(yīng)力較大，并在應(yīng)力較大處布置應(yīng)變片和0°—45°—90°應(yīng)變花測(cè)量應(yīng)力驗(yàn)證仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性。張紅霞等[25-26]設(shè)計(jì)了HXD2電力機(jī)車排障裝置并進(jìn)行靜強(qiáng)度分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在排障裝置中央逐步施加137 kN 的力，在座下封板圓角和中央筋板兩側(cè)處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。鄧銳等[27]對(duì)200 km/h 城際動(dòng)車組排障裝置的靜強(qiáng)度進(jìn)行了分析，在中央位置施加縱向壓縮載荷137 kN，得到排障裝置的前端和吊座為主要的承力位置，最大應(yīng)力出現(xiàn)在排障裝置前端內(nèi)側(cè)板梁位置。吳承浩等[28]利用HWTK GUI Toolkit 開發(fā)工具，設(shè)計(jì)了基于Tcl語言的排障裝置CAE流程化分析系統(tǒng)，提高了Hypermesh前處理效率，并對(duì)排障裝置的靜強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，證明了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和有效性。侯霽軒[29]對(duì)CRH5型動(dòng)車組排障裝置進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，在排障裝置的中間部分用千斤頂施加縱向載荷，并用測(cè)力傳感器測(cè)量排障裝置所受壓力，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。李婭娜等[30]對(duì)某動(dòng)車組排障裝置進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(yàn)，在排障裝置的中央用油壓千斤頂施加137 kN 的載荷，將應(yīng)變片布置于排障裝置主要承載結(jié)構(gòu)的焊縫處，結(jié)果顯示縱向螺栓連接件附近的焊縫處應(yīng)力較大。齊俊巖[31]對(duì)北京地鐵八通線DKZ4型地鐵列車排障裝置的振動(dòng)進(jìn)行了研究，指出排障裝置振動(dòng)對(duì)輔助電器有較大影響。鄭繼偉等[32]探究了輔助排障裝置疲勞斷裂的原因，基于線路實(shí)測(cè)加速度譜進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)仿真分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)頻率為60～70 Hz 時(shí)輔助排障裝置的二階模態(tài)頻率和線路激勵(lì)接近產(chǎn)生共振，橫向彎曲是導(dǎo)致疲勞斷裂的主要原因。RENZO等[33]設(shè)計(jì)了一種前端帶有尖角的排障裝置。KIM等[34]對(duì)四桿機(jī)構(gòu)的排障裝置進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。李永華等[35]基于損失模型對(duì)動(dòng)車組排障裝置進(jìn)行了穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)。王金鵬等[36]對(duì)大軸重電力機(jī)車排障裝置螺栓連接進(jìn)行了強(qiáng)度校核分析。馬力翔等[37]對(duì)動(dòng)車組排障裝置安裝臂止轉(zhuǎn)墊片裂紋進(jìn)行了分析和改進(jìn)。蔄濤[38]對(duì)CRH2 型及380A 動(dòng)車組排障裝置安裝臂的緊固螺栓預(yù)緊力減少的現(xiàn)象進(jìn)行了深度分析和研究。胡忠安等[39]對(duì)地鐵車輛轉(zhuǎn)向架排障裝置進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析，發(fā)現(xiàn)斷裂發(fā)生位置為鋼管與支架鋼板的焊接處。許喆等[40]針對(duì)斷裂和裂紋問題，對(duì)地鐵轉(zhuǎn)向架排障裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行了靜強(qiáng)度計(jì)算和疲勞強(qiáng)度分析以及線路試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果驗(yàn)證了新型排障裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。張猛等[41]采用隨機(jī)振動(dòng)頻域疲勞分析法找出了地鐵車輛轉(zhuǎn)向架排障裝置疲勞薄弱位置并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。目前針對(duì)排障裝置的靜強(qiáng)度研究主要是依托于國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)靜態(tài)負(fù)載的要求，進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)和仿真分析，主要是通過在排障裝置的中央底部和距中心橫向距離750 mm處施加靜載荷，校核材料的許用應(yīng)力，分析結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度。

圖4 不同工況下von Mises應(yīng)力云圖[24]Fig.4 Von Mises stress cloud diagram under different working conditions[24]

2.2 排障裝置耐撞性研究

隨著列車運(yùn)行速度的提高，如何提升排障裝置沖擊力學(xué)性能和耐撞擊性能成為重點(diǎn)研究方向，主要集中于低矮障礙物對(duì)排障裝置的沖擊作用。根據(jù)障礙物體積及本身材料屬性將障礙物分為小型障礙物、大變形障礙物和車輛障礙物。小型障礙物主要包括線路上的石塊、木料等障礙物，此類障礙物剛度較大，極易損傷車體。張春林[42]對(duì)電力機(jī)車排障裝置在沖擊載荷下的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，得到排障裝置能承受大于1.5倍電力機(jī)車粘著重力的正面沖擊載荷，滿足正面撞擊設(shè)計(jì)要求。李玲琴等[43]分析了不同速度下軌道上常見的花崗巖障礙物對(duì)米軌直流阿根廷機(jī)車排障裝置的撞擊，花崗巖采用黏彈性材料。譚惠日等[44-45]用顯式動(dòng)力學(xué)軟件PAM-CRASH 從列車運(yùn)行速度、落石質(zhì)量和落石撞擊位置3個(gè)角度對(duì)排障裝置與落石撞擊后的受損情況和動(dòng)態(tài)沖擊響應(yīng)進(jìn)行了仿真分析，其中落石模型選用實(shí)體單元進(jìn)行構(gòu)建，并設(shè)為剛體(圖5(a))。鐵路線路上經(jīng)常有野生動(dòng)物出沒，牲畜時(shí)常會(huì)阻礙列車運(yùn)行，另外可能發(fā)生行人誤入線路或者臥軌自殺等突發(fā)狀況[22,46]，大變形障礙物包括羊、牛、豬、馬等動(dòng)物。李本懷等[47]對(duì)帶有排障裝置的頭車以110 km/h的速度與15 t大變形障礙物撞擊進(jìn)行仿真計(jì)算，得出障礙物的剛度會(huì)影響仿真結(jié)果。張?jiān)品錥48]對(duì)吸能排障裝置與野豬的正向撞擊和側(cè)向撞擊進(jìn)行了仿真分析(圖5(b))，其中野豬采用等比例彈性模型，模型中包含皮膚、軟組織及骨骼，并賦予真實(shí)的動(dòng)物組織屬性。列車與汽車相撞的事故頻發(fā)，平交道口時(shí)常發(fā)生機(jī)動(dòng)車闖禁致使列車與機(jī)動(dòng)車相撞的事故(圖5(c))，排障裝置應(yīng)具有抵抗小型機(jī)動(dòng)車沖擊的能力[49]。國(guó)內(nèi)外對(duì)排障裝置和小型汽車碰撞多采用剛性墻進(jìn)行模擬，楊慧芳[50]對(duì)CRH3 動(dòng)車組吸能排障裝置在108 km/h的速度下與15 t車輛的碰撞進(jìn)行了仿真分析，其中車輛采用剛性墻進(jìn)行模擬。

圖5 排障裝置碰撞仿真Fig.5 Collision simulation of obstacle deflector

中南大學(xué)對(duì)某動(dòng)車組進(jìn)行了兩車對(duì)撞仿真分析，結(jié)果顯示排障裝置在兩頭車開始碰撞180 ms時(shí)進(jìn)行接觸并參與碰撞(見圖6)。為提升高速列車的耐撞性，許多學(xué)者嘗試將吸能結(jié)構(gòu)融入排障裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，排障裝置向著兼具排障和能量吸收的方向發(fā)展[48,51]。對(duì)排障裝置的吸能研究主要集在排障裝置與車體的連接裝置和排障裝置內(nèi)部吸能結(jié)構(gòu)等方面。HAYASHI[52]設(shè)計(jì)了一種具有吸能斜撐桿的排障裝置。CTW 第四代城軌車輛排障裝置使用斜撐桿(圖7(a))，在列車撞擊過程中斜撐桿通過壓縮吸能保護(hù)排障裝置和車體的連接，以保證排障裝置正常工作[53]。姜翠香[2]設(shè)計(jì)了200 km/h的動(dòng)車組排障裝置，排障裝置前端設(shè)計(jì)成由5 個(gè)23 mm厚的鋁板組成和板彈簧結(jié)構(gòu)類似的緩沖板結(jié)構(gòu)，當(dāng)列出與障礙物碰撞時(shí)，緩沖板發(fā)生彈性形變吸收沖擊能。張?jiān)品錥48]將鋁蜂窩加入排障裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了導(dǎo)向管式、壓潰管式、預(yù)埋件式和預(yù)埋件+外包覆式共4 種具有緩沖吸能特性的排障裝置(圖7(b))，對(duì)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行對(duì)比，最終選用了預(yù)埋件+外包覆式排障裝置，并對(duì)預(yù)埋件+外包覆式排障裝置與大變形障礙物的正向和側(cè)向撞擊進(jìn)行了有限元仿真計(jì)算。丁晨等[54]將泡沫鋁填充的吸能圓管設(shè)置于排障裝置內(nèi)部，并設(shè)計(jì)了圓管軸向壓潰和圓管先徑縮后壓潰2 種吸能方案，對(duì)比在36 km/h 的速度下2 種排障裝置與剛性墻的正面碰撞過程，結(jié)果顯示采用先徑縮后壓潰的吸能方案有更好的緩沖吸能效果。楊慧芳[50]將4根壓潰管設(shè)置于CRH3 動(dòng)車組排障裝置中(圖7(c))，用裝有吸能特性排障裝置的頭車以108 km/h 的速度正面撞擊1輛15 t的公路車輛，發(fā)現(xiàn)吸能排障裝置發(fā)生大變形失效，而乘客區(qū)沒有發(fā)生任何變形，頭車前端結(jié)構(gòu)的耐撞性明顯提升。排障裝置在滿足靜強(qiáng)度要求的前提下，其耐撞性能得到有效提升。

圖6 兩對(duì)撞頭車結(jié)構(gòu)變形圖Fig.6 Deformation chart of structure of two pairs of collision head cars

圖7 具有吸能特性的排障裝置Fig.7 Obstacle deflector with energy absorption characteristics

3 排障裝置的除雪功能

高寒地區(qū)線路上的積雪是鐵路線路特殊的障礙物，嚴(yán)重危害行車安全。為適應(yīng)多雪地區(qū)的運(yùn)行條件，排障裝置的除雪功能應(yīng)運(yùn)而生，其安全防護(hù)性能從基本的排障功能演化出除雪特性。

3.1 除雪特性仿真研究

為提升排障裝置除雪特性，探尋排障裝置外形與除雪阻力和飛雪分布之間的關(guān)系是關(guān)鍵，仿真分析的難點(diǎn)主要集中在雪體材料的模擬上。雪體屬于非線性材料，雪體狀態(tài)在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生變化，其材料屬性會(huì)隨之而變，且目前軟件LSDYNA 中還未提供雪體的材料模型。羅曉晶[55]認(rèn)為雪體和土體都是具有一定形狀、粒度和物性的顆粒通過黏聚力作用而構(gòu)成的多孔聚合體，雪體和土體在物理特性及力學(xué)特性方面高度相似，都表現(xiàn)出黏彈性，利用土體材料模型替代雪材料模型，采用有限單元法(圖8(a))和無網(wǎng)格伽遼金法(圖8(b))從除雪速度、除雪深度、雪體密度、排障裝置開口角和前角等方面對(duì)動(dòng)車組排障裝置的除雪過程進(jìn)行了仿真分析。柳穎嬌等[56]設(shè)計(jì)了一種前端造型為鏟雪板的具有除雪特性的排障裝置，其中前端鏟雪板設(shè)計(jì)成向外彎曲且向上傾斜的形狀，以保證雪在向外排除后不會(huì)向上飛出，從而不會(huì)阻擋司機(jī)視線。劉仕超等[57]采用犁體曲面形成方法中的水平直元線法設(shè)計(jì)出具有除雪特性的排障裝置模型，將積雪分為直接與排障裝置接觸的450 mm高的飛雪層和接近軌面的高50 mm的保留層，積雪采用土體材料模型*MAT_FHWA_SOIL，得到排障裝置以2.78 m/s速度向前穩(wěn)定行駛時(shí)受到的除雪阻力維持在13.8～18.2 kN之間，其中排障裝置與積雪接觸0.9 s時(shí)除雪阻力達(dá)到最大值20.636 kN。災(zāi)戶真也等[58]對(duì)除雪阻力和飛雪角度進(jìn)行研究，在30 m/s 的速度運(yùn)行條件下，利用FLUENT 軟件對(duì)縮比尺寸為1/5的犁型排障裝置除雪過程中的液相-氣相混相流模型進(jìn)行了仿真計(jì)算(見圖9)，再現(xiàn)了雪體與犁型排障裝置撞擊后達(dá)到壓翼并從壓翼飛出的過程，并與試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，計(jì)算了飛雪角度和排雪阻力(表2)，得到x-y平面的飛雪角度為7°～10°，y-z平面的飛雪角度為28°～30°，犁型排障裝置的除雪阻力隨雪密度的增加而增加。

表2 數(shù)值計(jì)算得到的飛雪角度和除雪阻力[58]Table 2 Numerically calculated flying snow angle and snow removal resistance[58]

圖8 除雪過程的數(shù)值模擬[55]Fig.8 Numerical simulation of snow removal process[55]

圖9 飛雪角度的計(jì)算位置[58]Fig.9 Calculated position of flying snow angle[58]

3.2 除雪特性試驗(yàn)研究

日本開展了大量的排障裝置除雪特性試驗(yàn)，其目的是測(cè)量排雪阻力。藤井俊茂等[59]對(duì)排障裝置的除雪特性進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)性研究工作。中島大智等[60]參考船舶模型試驗(yàn)計(jì)算實(shí)船推進(jìn)阻力的方法，采用相似法則，將犁型排障裝置的排雪阻力視為雪體對(duì)犁表面的摩擦阻力和剩余阻力之和(圖10)，并利用排雪阻力測(cè)定試驗(yàn)裝置(圖11(a)和11(b))，在10，20，30 和40 m/s 速度下進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了采用相似準(zhǔn)則預(yù)測(cè)排障裝置除雪阻力的合理性和準(zhǔn)確性。大橋昭典等[61]為測(cè)量犁型排障裝置的排雪阻力，設(shè)計(jì)了桁架梁式導(dǎo)軌試驗(yàn)裝置(圖11(c))，在縮比為1/5 的排障裝置模型上安裝3 個(gè)測(cè)力傳感器，分別測(cè)量上下、左右、前后的力，雪床長(zhǎng)×寬×高設(shè)計(jì)為5 m×0.48 m×4 cm，在13，23 和31 m/s 的速度下進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到除雪阻力F(F=Chωρv2，其中，C為走行抵抗系數(shù)，h為除雪深度，ω為除雪寬度，ρ為雪密度，v為速度)。雪密度與排雪阻力之間的關(guān)系見圖12(a)，速度與排雪應(yīng)力之間的關(guān)系見圖12(b)。

圖10 船舶的推進(jìn)阻力和犁型排障裝置的排雪阻力[60]Fig.10 Propulsion resistance of ship and the snow removal resistance of plough-type obstacle deflector[60]

圖11 犁型排障裝置縮比試驗(yàn)裝置[60-61]Fig.11 Scale test device plow-type obstacle deflector[60-61]

圖12 排雪阻力影響因素[61]Fig.12 Influencing factors of snow removal resistance[61]

大橋昭典等[62]對(duì)排障裝置各個(gè)角(圖13(a))對(duì)飛雪的分布影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，在水平和垂直方向設(shè)置10 個(gè)受雪箱來捕捉飛雪，通過計(jì)算各受雪箱中飛雪的質(zhì)量在總質(zhì)量中的占比得到飛雪捕捉率，進(jìn)而得到飛雪的分布情況(圖13(b))。鐮田慈等[63]基于新干線200系列車排障裝置，開發(fā)了具有除雪特性的犁型排障裝置，利用著色木屑代替積雪，采用縮比排障裝置模型進(jìn)行多次除雪試驗(yàn)，研究排雪路徑和飛雪分布。高速列車?yán)缧团耪涎b置不僅滿足基本的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，而且可以有效排除軌道上積雪，其安全防護(hù)性能得到提高。

圖13 排障裝置除雪試驗(yàn)[62]Fig.13 Snow removal test of obstacle deflector[62]

4 結(jié)論

1)隨著高鐵技術(shù)發(fā)展和列車運(yùn)行速度提升，對(duì)排障裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了更高的要求，排障裝置從簡(jiǎn)單的桿狀結(jié)構(gòu)發(fā)展成為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高的板式結(jié)構(gòu)；同時(shí)為適應(yīng)積雪的運(yùn)行環(huán)境，排障裝置從簡(jiǎn)單的弧形演變?yōu)槔缧?，其排障性能得到有效提高；排障裝置向著兼具排障、耐撞性和除雪一體化協(xié)同設(shè)計(jì)方向發(fā)展。

2)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)靜態(tài)條件下排障裝置的強(qiáng)度和作用區(qū)域提出了明確的要求，但缺少對(duì)沖擊載荷下排障裝置的能量要求，還需要完善動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的負(fù)載指標(biāo)和能量上限要求。未來可開展沖擊載荷下的力學(xué)性能試驗(yàn)，深入研究排障裝置的吸能特性，提升其被動(dòng)安全防護(hù)性能。

3)犁型排障裝置不僅滿足基本排障功能要求，而且能有效排除軌道上積雪。目前，針對(duì)犁型排障裝置的研究主要集中在仿真分析排障裝置外形與排雪阻力和飛雪分布之間的關(guān)系，以及采用縮比試驗(yàn)測(cè)定排雪阻力。在后續(xù)研究中，需開展實(shí)車除雪試驗(yàn)，探尋真實(shí)環(huán)境條件、積雪形狀對(duì)排雪阻力和飛雪分布的影響。