趙長龍 ，王田天 ，馮永華 ，周果 ，薛源 ，王鈺 ，施方成 ，姜琛

（1.中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410075；2.湖南大學 機械與運載工程學院，湖南 長沙 410082；3.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

高速列車在風雪嚴寒環(huán)境運行時，道床上的積雪易被轉(zhuǎn)向架與地面之間的強剪切流動卷入轉(zhuǎn)向架區(qū)域，雪粒經(jīng)歷跟隨、粘附和沉積等復雜過程，在轉(zhuǎn)向架表面堆積［1-2］.在轉(zhuǎn)向架發(fā)熱部件（如制動夾鉗、電機等）的作用下，部分積雪融化成水滴，并滴落在旋轉(zhuǎn)的輪對和制動盤上，擴散至轉(zhuǎn)向架各個區(qū)域，形成甩水現(xiàn)象［3］.四處飛濺的液滴致使轉(zhuǎn)向架表面濕度增加，雪粒更容易粘附到轉(zhuǎn)向架表面，加劇轉(zhuǎn)向架積雪結(jié)冰.轉(zhuǎn)向架結(jié)冰不僅增加列車軸重，嚴重時甚至引起制動系統(tǒng)失效，威脅列車運行安全［4-5］.

針對轉(zhuǎn)向架積雪結(jié)冰問題，國內(nèi)外學者開展了大量研究.Shishido 等［6］研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪主要來自于列車底部或側(cè)面，且認為輪對旋轉(zhuǎn)對轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪分布具有重要影響.Xie 等［7］基于離散相模型，預測了高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域雪粒的運動軌跡，揭示了雪粒在轉(zhuǎn)向架上的分布情況.Wang等［8］分析了雪粒進入轉(zhuǎn)向架區(qū)域的運動過程和機理，探明了輪對旋轉(zhuǎn)效應對風雪運動的影響.Bae 等［9］通過建立雪粒起跳的躍移模型，模擬了多車編組列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪，總結(jié)出積雪在第三節(jié)車廂后保持穩(wěn)定的規(guī)律.Wang 等［10］采用滑移網(wǎng)格技術，再現(xiàn)了列車通過積雪道床的場景，并分析了列車風卷雪機理.馮永華等［11］研究了高寒列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域空氣流場特性，總結(jié)了形成積雪的可能原因，為轉(zhuǎn)向架防積雪的優(yōu)化工作提供依據(jù)和基礎.何德華等［12］和王東屏等［13］通過設計流線型擾流板的防冰雪方案，成功減少了轉(zhuǎn)向架區(qū)域的雪粒黏附數(shù)量，提升了轉(zhuǎn)向架防結(jié)冰能力.

以上文獻研究了雪粒在轉(zhuǎn)向架區(qū)域的運動軌跡和分布，但是沒有涉及結(jié)冰相變過程.近年來，關于高速列車輪對甩水致轉(zhuǎn)向架結(jié)冰的研究才被報道.Liu 等［3］采用歐拉-拉格朗日耦合數(shù)值模擬方法研究了輪對甩水對高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域結(jié)冰的影響，發(fā)現(xiàn)水滴聚集在制動夾鉗處，易導致大量結(jié)冰.婁振等［14］采用液膜模型研究制動盤甩出的水滴在轉(zhuǎn)向架表面及轉(zhuǎn)向架艙的沉積，總結(jié)了水滴在轉(zhuǎn)向架各區(qū)域的分布特性.除了數(shù)值模擬，風洞實驗也被用于開展轉(zhuǎn)向架積雪結(jié)冰領域的研究.Allain 等［15］在法國氣候風洞開展了列車車底積雪實驗研究，采用1∶2 的列車縮比模型，探究了風速、氣流溫度和雪粒特性等不同參數(shù)對積雪結(jié)冰增長和分布的影響.Shon 等［16］和Ji 等［17］在維也納的小型氣候風洞開展了比例為 2∶3的轉(zhuǎn)向架積雪實驗，并以此驗證了數(shù)值模擬方法的正確性.Liu 等［18］在風洞中模擬了轉(zhuǎn)向架周圍粒子運輸過程，評估了轉(zhuǎn)向架底部不同防護方案的效果.Wang等［19］和Zhang等［20］在中南大學開展了列車轉(zhuǎn)向架積雪結(jié)冰實驗，提出防結(jié)冰設計，并通過對比實驗討論了其效果；然而，這僅是為檢驗所設計方案的性能，并沒有進行足夠的研究來定量分析轉(zhuǎn)向架的結(jié)冰特性.

綜上所述，僅有少數(shù)學者開展了轉(zhuǎn)向架結(jié)冰實驗研究，高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域的結(jié)冰分布特性有待進一步探究，列車長時間運行條件下轉(zhuǎn)向架的結(jié)冰速率尚不明確.因此，本文將開展高速列車輪對甩水致轉(zhuǎn)向架結(jié)冰風洞實驗，分析轉(zhuǎn)向架區(qū)域的動態(tài)結(jié)冰過程，探明轉(zhuǎn)向架區(qū)域結(jié)冰分布特性，建立轉(zhuǎn)向架結(jié)冰速率公式，為轉(zhuǎn)向架結(jié)冰質(zhì)量快速預測提供參考依據(jù).

1 轉(zhuǎn)向架輪對甩水致結(jié)冰風洞實驗

1.1 積雪結(jié)冰實驗風洞系統(tǒng)

本研究在中南大學軌道車輛積雪結(jié)冰風洞開展［1］.如圖1 所示，該風洞是專門為軌道車輛轉(zhuǎn)向架積雪結(jié)冰實驗所設計的閉路風洞，包括制冷系統(tǒng)、動力段、整流段和實驗段.制冷系統(tǒng)可以將空氣溫度下降至0 ℃以下，并由動力段的風扇高速旋轉(zhuǎn)將冷空氣輸送到實驗段.本次實驗在實驗段進行，實驗段的噴口尺寸為4 m×1 m，最大風速可達100 km/h.在制冷系統(tǒng)的作用下，整個風洞的最低溫度可達-20 ℃.實驗前對風洞實驗段進行了流場標定，并評價了風洞流場品質(zhì)，達到了《低速風洞和高速風洞流場品質(zhì)要求》（GJB 1179A—2012）中規(guī)定的要求［21］.因此，該風洞系統(tǒng)可再現(xiàn)轉(zhuǎn)向架區(qū)域的流場特性，滿足本次研究的要求.

圖1 風洞系統(tǒng)組成Fig.1 Wind tunnel system components

1.2 實驗模型

本研究采用縮比尺寸為1∶3 的某高速列車動力轉(zhuǎn)向架，其基本結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，除了部分線路、管路被簡化外，轉(zhuǎn)向架的主要結(jié)構(gòu)均被保留，以準確再現(xiàn)轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場.此類轉(zhuǎn)向架包含電機和齒輪箱等動力裝置.列車在風雪環(huán)境下運行時，這些關鍵零部件區(qū)域容易受到風雪侵擾并產(chǎn)生結(jié)冰.為實 現(xiàn)轉(zhuǎn)向架輪對的旋轉(zhuǎn)，采用三相變頻電機作為動力源，通過皮帶輪帶動轉(zhuǎn)向架的輪對轉(zhuǎn)動，動力裝置如圖2（b）所示.

圖2 動力轉(zhuǎn)向架模型Fig.2 Motor bogie model

為了模擬列車運行時轉(zhuǎn)向架周圍車體邊界，制作了車體模型，如圖3 所示.本次實驗主要對轉(zhuǎn)向架以及車體底部（轉(zhuǎn)向架艙）的結(jié)冰特性進行研究，車體的上部被適當簡化［19-20］，但是保留了車體底部以及前、后端板等主要部分，以準確模擬轉(zhuǎn)向架區(qū)域的真實流場特性.此外，根據(jù)實際軌道參數(shù)，還制作了相應的軌道模型.考慮到風洞實驗的地面效應，將實驗地板進行了一定程度的抬高.

圖3 車體模型Fig.3 Train body model

1.3 實驗設置

本次實驗需在低溫環(huán)境下開展。根據(jù)冬季東北地區(qū)高速列車運行條件，實驗初始階段通過制冷系統(tǒng)將整個風洞溫度調(diào)整為-15 ℃左右，再由動力段風扇驅(qū)動系統(tǒng)高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生持續(xù)恒定的低溫氣流.在冬季運行時，根據(jù)停站的需要，列車存在不同的運行工況，包括加速、勻速、制動、停止等階段，共同組成一個運行周期.為探究轉(zhuǎn)向架結(jié)冰分布特性，該實驗對列車運行工況進行適當簡化，在整個實驗期間，列車輪對的轉(zhuǎn)速保持恒定.風洞實驗段噴口風速設置為27.78 m/s，對應100 km/h.調(diào)節(jié)電機頻率值為 83 Hz，使輪對旋轉(zhuǎn)速度與風速相匹配.

為模擬列車制動時制動夾鉗周圍融水產(chǎn)生的噴水現(xiàn)象以及輪對高速旋轉(zhuǎn)時液滴四處飛濺的情況，設計了如圖4 所示的噴水系統(tǒng).該噴水系統(tǒng)共包含8個噴頭，分別安裝在4 個制動夾鉗的兩側(cè).噴水總流量由一端的總閥控制，并通過電子流量計顯示讀數(shù).根據(jù)Wang 等［19］和Zhang 等［20］噴水流量的選取依據(jù)，考慮到本文采用的是縮比模型，噴水總流量設計為1.3 L/min.為防止低溫環(huán)境下噴水管道和噴頭結(jié)冰導致的噴水流量下降，采用電加熱帶和保溫材料包裹水管，并在整個實驗階段都開啟加熱功能.在冬季風雪環(huán)境下，列車勻速行駛階段會采取間歇制動以保持制動能力［19］，因此，噴水系統(tǒng)在整個實驗過程中都保持工作.

圖4 噴水系統(tǒng)布局示意圖Fig.4 Water-spray system layout schematic

實驗準備階段，將轉(zhuǎn)向架及車體模型安裝在風洞實驗段中間位置，以確保來流能夠均勻地流過實驗模型，整體布置如圖5 所示.實驗溫度和實驗風速達到實驗條件時開始實驗，設置電機參數(shù)，帶動轉(zhuǎn)向架輪對以特定速度旋轉(zhuǎn)，同時啟動噴水系統(tǒng).實驗設定運行時間結(jié)束后，收集整理實驗結(jié)果.

圖5 實驗模型布置Fig.5 Experimental model layout

1.4 實驗數(shù)據(jù)處理

實驗結(jié)果分為定性結(jié)果和定量結(jié)果兩部分.定性實驗結(jié)果包括實驗過程中轉(zhuǎn)向架艙和轉(zhuǎn)向架表面動態(tài)結(jié)冰過程和最終結(jié)冰分布，定量實驗結(jié)果包括轉(zhuǎn)向架艙和轉(zhuǎn)向架表面各區(qū)域的結(jié)冰質(zhì)量和結(jié)冰速率.為了獲得定性實驗數(shù)據(jù)，實驗時將兩臺分辨率為1 920×1 080 的防霧高清攝像機布置在轉(zhuǎn)向架兩側(cè)，從轉(zhuǎn)向架左右側(cè)面進行錄像，確保可靠捕捉到轉(zhuǎn)向架表面完整的結(jié)冰過程.每次實驗結(jié)束后，通過相機拍照來記錄轉(zhuǎn)向架區(qū)域的結(jié)冰分布情況.為準確表征轉(zhuǎn)向架表面的結(jié)冰分布特性，分別根據(jù)不同部位和不同部件［20］，將轉(zhuǎn)向架艙和轉(zhuǎn)向架表面分別劃分為不同區(qū)域，統(tǒng)計每個區(qū)域結(jié)冰質(zhì)量，如圖6 所示.根據(jù)轉(zhuǎn)向架各區(qū)域的結(jié)冰質(zhì)量，可判斷風雪環(huán)境運行時轉(zhuǎn)向架結(jié)冰的嚴重程度，為防結(jié)冰方案的設計提供參考.

圖6 轉(zhuǎn)向架和轉(zhuǎn)向架艙結(jié)冰收集分區(qū)示意圖Fig.6 Schematic of ice collection regions for bogie and cabin

2 重復性實驗

為驗證實驗的可靠性，進行三次重復性實驗，每次實驗結(jié)冰時間設定為40 min.實驗結(jié)束后，根據(jù)圖6 劃分的區(qū)域分別收集并測量轉(zhuǎn)向架艙表面和轉(zhuǎn)向架表面的結(jié)冰質(zhì)量，并進行數(shù)據(jù)分析.

轉(zhuǎn)向架艙及轉(zhuǎn)向架各個區(qū)域的結(jié)冰質(zhì)量及總質(zhì)量結(jié)果如表1 和表2 所示.引入相對實驗誤差［19］，其計算公式如下：

表1 轉(zhuǎn)向架艙各個區(qū)域結(jié)冰質(zhì)量重復性結(jié)果Tab.1 Repeatability results for icing mass in each region of the bogie cabin

表2 轉(zhuǎn)向架各個區(qū)域結(jié)冰質(zhì)量重復性結(jié)果Tab.2 Repeatability results of icing mass for each region of the bogie

式中，D表示實驗誤差，M表示每次實驗的結(jié)冰質(zhì)量，Ma表示3次實驗結(jié)冰質(zhì)量的平均值.

從表1 和表2 可以看出，3 次實驗中轉(zhuǎn)向架艙和轉(zhuǎn)向架各個區(qū)域的結(jié)冰質(zhì)量呈現(xiàn)出一致的分布趨勢.且由于3 次實驗中總的噴水量相同，3 次實驗所收集的結(jié)冰總質(zhì)量十分接近，轉(zhuǎn)向架艙、轉(zhuǎn)向架的結(jié)冰總質(zhì)量最大誤差分別為1.42%和2.88%.實驗結(jié)果說明該實驗重復性良好，滿足本次實驗的要求，同時表明了該實驗系統(tǒng)可靠且實驗設計等各方面具有合理性和可行性.

3 轉(zhuǎn)向架結(jié)冰特性

3.1 轉(zhuǎn)向架區(qū)域動態(tài)結(jié)冰過程

本次實驗在一定程度上還原了高速列車轉(zhuǎn)向架的真實動態(tài)結(jié)冰過程.圖7 為結(jié)冰時間40 min 工況下，每間隔8 min轉(zhuǎn)向架區(qū)域的結(jié)冰特性.整體上，轉(zhuǎn)向架區(qū)域的結(jié)冰和冰柱隨結(jié)冰時間增加而迅速發(fā)展，不同部位的冰塊展現(xiàn)出不同的形狀、大小，直至整個轉(zhuǎn)向架區(qū)域都被冰層覆蓋.

圖7 轉(zhuǎn)向架區(qū)域的動態(tài)結(jié)冰過程Fig.7 Dynamic icing process in the bogie region

對于轉(zhuǎn)向架艙，在前、后端板處能夠清晰觀察到形成的塊狀冰和條帶狀冰，并且隨時間增加結(jié)冰形態(tài)變得更加明顯，如圖7 綠色虛線區(qū)域所示.前者是由于前輪對甩出的水滴沿著前端板流出，在前方來流作用下形成，后者則是后端板處直接受到后輪對甩出水滴的沖擊而形成，這與Wang 等［19］和Zhang等［20］的研究結(jié)果一致.隨著結(jié)冰時間的增加，緊貼車體底部的冰層逐漸變厚，如圖7 藍色輪廓線所示.以上分析表明列車運行時，輪對高速旋轉(zhuǎn)甩出的水滴在紊亂流場作用下四處飛濺，導致車體底部大量結(jié)冰.

對于轉(zhuǎn)向架局部區(qū)域，隨結(jié)冰時間的增加，轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架、軸箱、旋轉(zhuǎn)臂表面覆有層冰.在第24 min以后，空氣彈簧表面的結(jié)冰量基本不再改變，水滴開始沿著其表面滴落，在低溫作用下形成細小的冰柱.如圖7 紅色虛線區(qū)域所示，由于制動夾鉗靠近輪對，其結(jié)冰情況更為嚴重，造成大量不規(guī)則結(jié)冰堆積.

轉(zhuǎn)向架區(qū)域的結(jié)冰形態(tài)在一定程度上反映了車體底部的流場特性。如圖7（d）～圖7（f）紫色虛線區(qū)域所示，冰柱向前傾斜，表明該區(qū)域形成一個回流，氣流方向與來流方向相反.對于轉(zhuǎn)向架底部以及前、后端板，冰柱向后傾斜，說明轉(zhuǎn)向架底部的氣流直接從前往后流動.這導致輪對甩出的水滴跟隨氣流流動，大部分聚集在轉(zhuǎn)向架后部和轉(zhuǎn)向架艙的后端板處.

3.2 轉(zhuǎn)向架結(jié)冰分布特性

該小節(jié)對轉(zhuǎn)向架區(qū)域的最終結(jié)冰分布特性，包括轉(zhuǎn)向架艙、轉(zhuǎn)向架各個區(qū)域的結(jié)冰分布和結(jié)冰質(zhì)量進行詳細分析.圖8 給出了實驗時間為40 min 時，轉(zhuǎn)向架艙的最終結(jié)冰分布.從圖8（a）可以看出，由于來流的作用，轉(zhuǎn)向架艙前底板沒有發(fā)生結(jié)冰，結(jié)冰主要集中在前底板以后的區(qū)域.圖8（b）展示了整個轉(zhuǎn)向架艙有大量結(jié)冰產(chǎn)生.圖8（c）、圖8（d）顯示前、后端板的結(jié)冰以塊狀為主，且后端板的結(jié)冰量大于前端板.轉(zhuǎn)向架艙頂板表面呈水平方向，其結(jié)冰以柱狀為主，水滴沿著來流方向在輪對正對位置兩側(cè)形成多個長短不一的冰柱.

圖8 轉(zhuǎn)向架艙整體結(jié)冰分布特性Fig.8 Overall icing distribution characteristics of the bogie cabin

圖9 展示了轉(zhuǎn)向架艙前、后端板的結(jié)冰特性.由于正面輪對前、后端板形成了較厚的結(jié)冰.在來向氣流的作用下，從輪對甩出的水滴沿著端板流出，在前端板底部形成體積較大的冰塊，而后端板的水滴則流向后底板，形成多個向后傾斜的冰柱.列車在實際運行過程中，聚集在車底的結(jié)冰會逐漸增加，并且靠近輪對.這不僅增加了列車的重量，掉落的冰塊還會威脅到車下設備，對列車運行環(huán)境造成不利影響［22］.

圖9 轉(zhuǎn)向架艙前、后端板結(jié)冰特性Fig.9 Icing characteristics of the front and rear end panels of the bogie cabin

圖10 顯示了轉(zhuǎn)向架整體以及部分區(qū)域的結(jié)冰分布特性.構(gòu)架、制動夾鉗和空氣彈簧是結(jié)冰較為嚴重的區(qū)域.由于構(gòu)架靠近轉(zhuǎn)向架艙頂板，從頂板流下的水滴不斷形成冰柱，并填滿構(gòu)架與頂板之間的間隙，如圖10 綠色線框區(qū)域所示.制動夾鉗靠近電機、齒輪箱和橫梁等部件，空間相對狹窄，水滴更容易粘附在其表面并迅速積聚，結(jié)冰幾乎覆蓋了整個制動夾鉗，在其底部更是懸掛了多個向后傾斜的冰柱.部分水滴來不及結(jié)冰，沿著已經(jīng)凝結(jié)的冰柱不斷生長，甚至接觸到地面，如圖10 紅色線框區(qū)域所示.當制動夾鉗結(jié)冰時，其制動效率降低，導致制動失效，直接威脅列車的運行安全.空氣彈簧表面覆蓋了結(jié)冰以及懸掛的冰柱.值得注意的是，在空氣彈簧下部及周邊均有結(jié)冰，如圖10 藍色線框區(qū)域所示，這無疑會阻礙空氣彈簧的有效行程.除此之外，在齒輪箱和電機的迎風面也觀察到大量結(jié)冰.

圖10 轉(zhuǎn)向架整體及部分區(qū)域結(jié)冰特性Fig.10 Icing characteristics of the whole bogie and some regions

為了定量分析轉(zhuǎn)向架區(qū)域的結(jié)冰分布特性，收集了轉(zhuǎn)向架艙和轉(zhuǎn)向架各個區(qū)域的冰塊并測量其質(zhì)量.轉(zhuǎn)向架艙各區(qū)域結(jié)冰質(zhì)量如圖11 所示.可以看出：整個轉(zhuǎn)向架艙中，后端板的結(jié)冰質(zhì)量較大，占結(jié)冰總質(zhì)量的28%，這與之前的分析較為符合.其次是前端板的結(jié)冰質(zhì)量，占結(jié)冰總質(zhì)量的18%.轉(zhuǎn)向架艙頂板的結(jié)冰質(zhì)量之和占結(jié)冰總質(zhì)量的37%，這是由于頂板所覆蓋的面積最大，從輪對甩出的水滴和跟隨流場運動的水滴易粘附到該區(qū)域.在頂板區(qū)域，頂板后部的結(jié)冰質(zhì)量仍要大于頂板前部，這與轉(zhuǎn)向架艙整體的結(jié)冰分布特性一致.

圖11 轉(zhuǎn)向架艙結(jié)冰質(zhì)量分布Fig.11 Icing mass distribution in the bogie cabin

圖12 給出了轉(zhuǎn)向架各個區(qū)域的結(jié)冰質(zhì)量.結(jié)果顯示：構(gòu)架和制動夾鉗區(qū)域的結(jié)冰質(zhì)量最大，分別占轉(zhuǎn)向架結(jié)冰總質(zhì)量的34%和22%.一方面，構(gòu)架的表面積占比大，容易粘附更多的水滴.另一方面，構(gòu)架表面存在凹陷處，水滴易在這些區(qū)域聚集并不斷形成冰塊，從而導致構(gòu)架結(jié)冰嚴重.對于制動夾鉗，其正面輪對，從輪對甩出的水滴是其結(jié)冰的主要原因.齒輪箱和電機的結(jié)冰也較為嚴重，分別占結(jié)冰總質(zhì)量16%和9%.由于空氣彈簧、橫梁和縱梁分布在轉(zhuǎn)向架上半部分，水滴難以在這些區(qū)域聚集，結(jié)冰量相對于其它區(qū)域較少.轉(zhuǎn)向架的整體結(jié)冰分布特性揭示了列車在運行過程中容易受到冰雪侵蝕的部位，為轉(zhuǎn)向架有針對性防結(jié)冰和回庫融冰提供了參考.

圖12 轉(zhuǎn)向架結(jié)冰質(zhì)量分布Fig.12 Bogie icing mass distribution

根據(jù)上述定性和定量分析得出如下結(jié)冰分布特性：轉(zhuǎn)向架艙呈現(xiàn)出后部結(jié)冰大于前部的分布規(guī)律；對于轉(zhuǎn)向架，由于水滴不斷往底部流動聚集，在制動夾鉗、電機和齒輪箱底部形成厚大的冰塊和長短不一的冰柱，呈現(xiàn)出底部結(jié)冰量大、結(jié)冰形狀復雜的特點.整個轉(zhuǎn)向架區(qū)域的結(jié)冰呈現(xiàn)出底部多于上部，后部多于前部的分布特性.

3.3 轉(zhuǎn)向架結(jié)冰速率模型

已有關于轉(zhuǎn)向架結(jié)冰的實驗研究主要集中在單一結(jié)冰時間下的結(jié)冰分布特性和防結(jié)冰裝置設計［19-20］，并未考慮結(jié)冰速率.列車長時間運行過程中，轉(zhuǎn)向架表面結(jié)冰不斷增加［22］，可能引起結(jié)冰分布特性改變.因此，明確不同結(jié)冰時間下轉(zhuǎn)向架表面結(jié)冰質(zhì)量，提出結(jié)冰速率預測模型，可為列車轉(zhuǎn)向架針對性防除冰提供參考依據(jù).為此，除了開展結(jié)冰時間為40 min 的實驗外，還分別開展了結(jié)冰時間為 30 min、50 min 和60 min 的甩水實驗，以更好地評估轉(zhuǎn)向架的結(jié)冰速率特性.

圖13 給出了轉(zhuǎn)向架各區(qū)域的結(jié)冰速率.由圖13可知，各個區(qū)域的結(jié)冰質(zhì)量隨結(jié)冰時間的增加而增加，但是結(jié)冰速率不同.構(gòu)架、制動夾鉗和橫梁呈現(xiàn)出后端結(jié)冰質(zhì)量大于前端結(jié)冰質(zhì)量的特點.前、后端齒輪箱的結(jié)冰速率保持一致，且前端齒輪箱的結(jié)冰質(zhì)量大于后端.隨著結(jié)冰時間的增加，前、后端電機的結(jié)冰質(zhì)量呈現(xiàn)出從基本相等到前端大于后端的規(guī)律.由于轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的中心對稱，左、右端空氣彈簧的結(jié)冰質(zhì)量和結(jié)冰速率并不相等.

圖13 轉(zhuǎn)向架各個區(qū)域結(jié)冰速率Fig.13 Icing rate of each area of the bogie

圖14 給出了轉(zhuǎn)向架艙、轉(zhuǎn)向架的整體結(jié)冰速率模型，并擬合得出了結(jié)冰速率公式.轉(zhuǎn)向架艙結(jié)冰總質(zhì)量y與結(jié)冰時間x之間的擬合公式為y=0.129 2x，轉(zhuǎn)向架結(jié)冰總質(zhì)量y與結(jié)冰時間x之間的擬合公式為y=0.130 7x.上述兩個公式的決定系數(shù)R2分別為0.995 9 和0.998 8，表明該預測曲線的估計值與實驗數(shù)據(jù)之間的擬合程度較高.以上擬合公式表明轉(zhuǎn)向架艙、轉(zhuǎn)向架的結(jié)冰質(zhì)量隨結(jié)冰時間呈現(xiàn)線性增加的趨勢，在本實驗結(jié)冰時間范圍內(nèi)結(jié)冰速率保持恒定.

圖14 轉(zhuǎn)向架結(jié)冰速率模型Fig.14 Icing rate model for bogies

由于本文結(jié)冰質(zhì)量預測模型是基于60 min 內(nèi)的結(jié)冰時間獲得，該預測模型對于長運行時間下轉(zhuǎn)向架結(jié)冰質(zhì)量的預測，還存在不足.在后續(xù)的研究中，可以進一步開展更長時間下的轉(zhuǎn)向架結(jié)冰風洞實驗，拓寬本文結(jié)冰質(zhì)量預測模型的適用范圍.

4 結(jié)論

本文基于中南大學軌道車輛積雪結(jié)冰風洞開展了高速列車輪對甩水實驗，分析探明了轉(zhuǎn)向架艙、轉(zhuǎn)向架的結(jié)冰分布特性，并擬合了結(jié)冰速率曲線，得出如下結(jié)論：

1）輪對甩出的水滴在紊亂流場作用下擴散至轉(zhuǎn)向架各個區(qū)域并產(chǎn)生結(jié)冰，轉(zhuǎn)向架艙呈現(xiàn)出后端結(jié)冰質(zhì)量多于前端的結(jié)冰特性，轉(zhuǎn)向架呈現(xiàn)出底部結(jié)冰量大、結(jié)冰形狀復雜的特性.

2）對于轉(zhuǎn)向架艙，其后端板結(jié)冰嚴重，結(jié)冰質(zhì)量占轉(zhuǎn)向架艙結(jié)冰總質(zhì)量的28%；對于轉(zhuǎn)向架，其結(jié)冰主要分布在構(gòu)架、制動夾鉗、齒輪箱和電機底部，空氣彈簧、橫梁和縱梁等區(qū)域結(jié)冰較少，其中構(gòu)架和制動夾鉗結(jié)冰質(zhì)量占比權重最高，分別為轉(zhuǎn)向架結(jié)冰總質(zhì)量的34%和22%.

3）建立了一定運行時間范圍內(nèi)轉(zhuǎn)向架結(jié)冰質(zhì)量快速預測模型，轉(zhuǎn)向架艙、轉(zhuǎn)向架的結(jié)冰總質(zhì)量與結(jié)冰時間呈一次函數(shù)關系，其結(jié)冰質(zhì)量隨結(jié)冰時間線性增長，為轉(zhuǎn)向架結(jié)冰質(zhì)量預測提供了參考依據(jù).