楊 超，康明明，朱穎謀，陳揚(yáng)帆

(中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

電力機(jī)車(chē)具有高效率、無(wú)污染、噪聲小等眾多優(yōu)勢(shì)，當(dāng)前，大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)成為干線貨運(yùn)和快速客運(yùn)牽引的主力，電力機(jī)車(chē)保有量占國(guó)內(nèi)機(jī)車(chē)保有總量的64%。電力機(jī)車(chē)的核心在“電”，電力機(jī)車(chē)的運(yùn)行依靠受電弓從接觸網(wǎng)獲取的高壓電作為動(dòng)力源，依次經(jīng)過(guò)避雷器、高壓電纜總成等高壓設(shè)備組成的網(wǎng)側(cè)電路后進(jìn)入機(jī)車(chē)各個(gè)電氣部件。車(chē)頂高壓設(shè)備是電力機(jī)車(chē)獲取能量的第一步，因此電力機(jī)車(chē)車(chē)頂高壓設(shè)備的質(zhì)量將直接影響機(jī)車(chē)運(yùn)行的品質(zhì)。目前，電力機(jī)車(chē)車(chē)頂高壓設(shè)備主要包括受電弓、避雷器和高壓電纜總成等高壓設(shè)備，具體如圖1所示。

圖1 電力機(jī)車(chē)車(chē)頂高壓設(shè)備

1 問(wèn)題提出

電力機(jī)車(chē)頂部高壓設(shè)備布置在車(chē)外，工作環(huán)境較為復(fù)雜。目前，廣泛應(yīng)用于避雷器、高壓電纜總成等高壓設(shè)備的防護(hù)方案是在高壓設(shè)備與機(jī)車(chē)車(chē)頂?shù)陌惭b座之間包裹一層絕緣護(hù)套。一是可以增加爬電距離，提高安全性；二是可以有效防護(hù)空氣中的污染物對(duì)安裝部位的侵蝕。絕緣護(hù)套根據(jù)設(shè)備與安裝座之間的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，并包裹在連接部位，如高壓電纜總成絕緣護(hù)套(見(jiàn)圖2)。

在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，既有的絕緣護(hù)套防護(hù)方式存在以下不足：絕緣護(hù)套是橡膠材質(zhì)，材質(zhì)柔軟，橡膠護(hù)套下沿在有外力拉動(dòng)護(hù)套的情況下，存在貼合不嚴(yán)的情況，護(hù)套受力點(diǎn)與部件距離可達(dá)20 mm；在機(jī)車(chē)運(yùn)行時(shí)，絕緣套會(huì)受到走行風(fēng)的壓力作用，使得橡膠護(hù)套下沿存在貼合不嚴(yán)、存在間隙，空氣中的污染物也隨氣流進(jìn)入絕緣護(hù)套內(nèi)部堆積。隨著污染物的堆積，如果維護(hù)不及時(shí)，可能產(chǎn)生避雷器和高壓電纜總成等高壓設(shè)備故障，因此需要對(duì)電力機(jī)車(chē)車(chē)頂高壓設(shè)備的絕緣防護(hù)套進(jìn)行升級(jí)。

圖2 高壓電纜總成下線套管及其絕緣護(hù)套

2 優(yōu)化方案

高壓部件的絕緣護(hù)套采用“包裹”似的安裝方式，即高壓設(shè)備與車(chē)頂安裝座連接緊固以后，將絕緣護(hù)套覆蓋在安裝部位處。原有方案是絕緣護(hù)套覆蓋后，直接擰緊絕緣護(hù)套緊固面的螺栓，其他無(wú)特殊處理，因此，絕緣護(hù)套在機(jī)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生間隙。圖3為既有絕緣護(hù)套和安裝效果。

基于前文分析，絕緣護(hù)套在機(jī)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中受到走行風(fēng)的壓力作用，使得橡膠護(hù)套下沿貼合不嚴(yán)。因此優(yōu)化方案圍繞將絕緣護(hù)套和車(chē)頂固定在一起的方式進(jìn)行。一是絕緣護(hù)套的底部(與機(jī)車(chē)頂蓋接觸部位)增加翻邊，增加絕緣護(hù)套底部和車(chē)頂?shù)慕佑|面；二是絕緣護(hù)套覆蓋安裝部位后，使用專用膠水將絕緣護(hù)套的翻邊與頂蓋粘接在一起；三是為避免絕緣護(hù)套內(nèi)部積水，在底部留排水孔。圖4為優(yōu)化后的絕緣護(hù)套和安裝效果。

圖3 既有絕緣護(hù)套和安裝效果

圖4 優(yōu)化后的絕緣護(hù)套和安裝效果

3 仿真驗(yàn)證

為檢驗(yàn)優(yōu)化方案對(duì)改善絕緣護(hù)套內(nèi)部流場(chǎng)的效果，基于ANSYS系列軟件對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)頂?shù)母邏弘娎|總成、避雷器等設(shè)備的絕緣護(hù)套在優(yōu)化前后的流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。

3.1 計(jì)算工況

仿真基于車(chē)頂3個(gè)典型的高壓部件絕緣套是否進(jìn)風(fēng)開(kāi)展仿真分析，仿真計(jì)算分為橡膠護(hù)套下沿存在貼合不嚴(yán)和絕緣套下部粘接貼合嚴(yán)實(shí)且留有排水孔2種情況，每種情況計(jì)算4個(gè)速度等級(jí)，匯總后的仿真工況參數(shù)如表1所示。

表1 仿真計(jì)算工況

3.2 模型簡(jiǎn)化和幾何建模

高壓部件橡膠護(hù)套下沿在有外力拉動(dòng)護(hù)套的情況下，存在貼合不嚴(yán)的情況時(shí)，護(hù)套受力點(diǎn)與部件距離可達(dá)20～30 mm。在機(jī)車(chē)運(yùn)行時(shí)，絕緣套會(huì)受到走行風(fēng)的壓力作用，使得橡膠護(hù)套下沿貼合不嚴(yán)實(shí)，但是由于走行風(fēng)作用力有限，根據(jù)分析后對(duì)橡膠護(hù)套下沿貼合不嚴(yán)實(shí)時(shí)的間隙初步估計(jì)為20 mm，相應(yīng)的絕緣套內(nèi)部各個(gè)接觸面也會(huì)由于變形也會(huì)與高壓部件存在不同程度的貼合不嚴(yán)實(shí)，經(jīng)分析后給定間隙2～5 mm，間隙大小以離下沿的距離增加而遞減。高壓部件橡膠護(hù)套與部件貼合情況幾何模型如圖5所示。

圖5 高壓部件橡膠護(hù)套與部件貼合情況幾何模型圖

3.3 計(jì)算模型

仿真計(jì)算時(shí)，需要把高壓部件及其橡膠護(hù)套放在車(chē)頂外流場(chǎng)的空氣域中考慮，分析在列車(chē)運(yùn)行時(shí)空氣從絕緣套下沿進(jìn)入絕緣套與部件之間的間隙情況。因此，仿真建模時(shí)，只需要考慮空氣域即可，根據(jù)需要計(jì)算各部件的尺寸，給定外流場(chǎng)空氣域的尺寸為1 000 mm×600 mm×1 000 mm(高壓總成A為傾斜安裝，其高度為800 mm)，建模時(shí)將部件和絕緣套所占空間掏空，留下空氣域即為計(jì)算域，如圖6所示。

圖6 高壓部件橡膠護(hù)套進(jìn)風(fēng)仿真計(jì)算域

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算，對(duì)計(jì)算域進(jìn)行離散化處理，網(wǎng)格總體示意圖如圖7所示，其中避雷器計(jì)算網(wǎng)格約600萬(wàn)，高壓總成A網(wǎng)格約900萬(wàn)，高壓總成B計(jì)算網(wǎng)格800萬(wàn)。采用ANSYS系列軟件進(jìn)行前后處理，利用湍流模型，運(yùn)用基于有限體積法的商用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行計(jì)算。

3.4 邊界條件設(shè)置

由于設(shè)備安裝在車(chē)頂開(kāi)放區(qū)域，在選取足夠大的計(jì)算域情況下，可以將列車(chē)前進(jìn)方向的面設(shè)置為速度入口，車(chē)尾方向設(shè)置為壓力出口，側(cè)面和頂面設(shè)置為對(duì)稱邊界，模型底面也就是車(chē)頂蓋面設(shè)置為壁面。正常情況下，列車(chē)運(yùn)行時(shí)車(chē)頂處不同位置的列車(chē)走行風(fēng)會(huì)存在一定的差異，但是考慮到計(jì)算一致性，此處計(jì)算時(shí)，模型的入口速度假設(shè)為與列車(chē)運(yùn)行速度一致。

圖7 網(wǎng)格示意圖

3.5 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)表1仿真計(jì)算的6種工況進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合目前客運(yùn)機(jī)車(chē)最高運(yùn)營(yíng)速度為160 km/h的實(shí)際，重點(diǎn)分析在時(shí)速160 km/h下6種工況的仿真計(jì)算結(jié)果。

3.5.1 避雷器運(yùn)行時(shí)速160 km/h縫隙進(jìn)風(fēng)詳細(xì)情況

如圖8所示，在列車(chē)運(yùn)行時(shí)，由于走行風(fēng)影響，絕緣套迎風(fēng)面有較大的壓力，壓強(qiáng)值可達(dá)1 800 Pa以上，而在背風(fēng)面則形成了負(fù)壓區(qū)。在負(fù)壓區(qū)的作用下，絕緣套下沿未粘接時(shí)絕緣套與部件之間間隙進(jìn)風(fēng)明顯。從圖中氣流組織矢量圖也可以說(shuō)明間隙中進(jìn)風(fēng)的情況。

圖8 時(shí)速160 km/h避雷器絕緣套下沿未粘接時(shí)的縫隙進(jìn)風(fēng)結(jié)果圖

如圖9所示，從整體外部流場(chǎng)粘接和未粘接的流場(chǎng)特性基本一致，但是在縫隙內(nèi)部，粘接后即使留有排水孔，縫隙間進(jìn)風(fēng)情況明顯減弱，內(nèi)部大部分區(qū)域的風(fēng)速都小于0.8 m/s，所以能有效抑制縫隙進(jìn)風(fēng)的情況。

圖9 時(shí)速160 km/h絕緣套下沿粘接時(shí)的縫隙進(jìn)風(fēng)結(jié)果圖

3.5.2 高壓電纜總成A絕緣護(hù)套運(yùn)行時(shí)速160 km/h縫隙進(jìn)風(fēng)情況

如圖10所示，在列車(chē)運(yùn)行時(shí)，由于走行風(fēng)影響，絕緣套迎風(fēng)面有較大的壓力，壓強(qiáng)值也是1 800 Pa左右，而在背風(fēng)面則形成了負(fù)壓區(qū)。在負(fù)壓區(qū)的作用下，絕緣套下沿未粘接時(shí)絕緣套與部件之間間隙進(jìn)風(fēng)明顯。從圖中氣流組織矢量圖也可以說(shuō)明間隙中進(jìn)風(fēng)的情況。

圖10 時(shí)速160 km/h絕緣套下沿未粘接時(shí)的縫隙進(jìn)風(fēng)結(jié)果圖

如圖11所示，從整體外部流場(chǎng)分析粘接和未粘接流場(chǎng)特性基本一致，但是在縫隙內(nèi)部，粘接后即使留有排水孔，縫隙間進(jìn)風(fēng)情況明顯減弱，由于有排水孔進(jìn)風(fēng)的影響，在排水孔附近有一定的進(jìn)風(fēng)，內(nèi)部大部分區(qū)域的風(fēng)速都小于0.8 m/s。

圖11 時(shí)速160 km/h絕緣套下沿粘接時(shí)的縫隙進(jìn)風(fēng)結(jié)果圖

3.5.3 高壓電纜總成B絕緣護(hù)套運(yùn)行時(shí)速160 km/h縫隙進(jìn)風(fēng)情況

如圖12所示，在列車(chē)運(yùn)行時(shí)，由于走行風(fēng)影響，絕緣套迎風(fēng)面有較大的壓力，壓強(qiáng)值仍是1 800 Pa左右，而在背風(fēng)面則形成了負(fù)壓區(qū)。在負(fù)壓區(qū)的作用下，絕緣套下沿未粘接時(shí)絕緣套與部件之間間隙進(jìn)風(fēng)明顯。從圖中氣流組織矢量圖也可以說(shuō)明間隙中進(jìn)風(fēng)的情況。

圖12 時(shí)速160 km/h絕緣套下沿未粘接時(shí)的縫隙進(jìn)風(fēng)結(jié)果圖

如圖13所示，從整體外部流場(chǎng)分析粘接和未粘接流場(chǎng)特性基本一致，但是在縫隙內(nèi)部，粘接后即使留有排水孔，縫隙間進(jìn)風(fēng)情況明顯減弱，內(nèi)部大部分區(qū)域的風(fēng)速都小于0.8 m/s，所以能有效抑制縫隙進(jìn)風(fēng)的情況。

圖13 時(shí)速160 km/h絕緣套下沿粘接時(shí)的縫隙進(jìn)風(fēng)結(jié)果圖

4 結(jié)論

1)針對(duì)避雷器、高壓電纜A總成、高壓電纜B總成等3個(gè)部件，在絕緣套受到外力作用后與部件本身存在貼合不嚴(yán)實(shí)情況時(shí)，如果下方貼合不嚴(yán)實(shí)存在20 mm的縫隙時(shí)，絕緣套與部件間間隙進(jìn)風(fēng)明顯，內(nèi)部間隙之間氣流流動(dòng)明顯，并且內(nèi)部間隙氣流速度會(huì)隨著列車(chē)運(yùn)行速度增大而增大。

2)針對(duì)避雷器、高壓電纜A總成、高壓電纜B總成等3個(gè)部件，在絕緣套下沿粘接和只留排水孔時(shí)，仿真分析后，部件與絕緣套間隙氣流流動(dòng)相比未粘接時(shí)明顯減弱，間隙上部出口處存在氣流速度，但是作用區(qū)域并不大，且相比未粘接時(shí)該處的氣流速度有所減小，所以絕緣套下沿粘接后對(duì)抑制部件與絕緣套之間間隙進(jìn)風(fēng)效果較好。

因此，后續(xù)電力車(chē)頂高壓設(shè)備的絕緣護(hù)套選型可按優(yōu)化方案進(jìn)行。