中圖分類號：U271.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：To investigate the issue of snowaccumulationand icing in theregionof the permanent magnetdirectdrive（PMD）bogie of an intercity EMU（electric multipleunit），this study employs aful-scale three carmodel of a specific intercity EMU.Using the Realizable turbulence model with the unsteady Reynolds-averaged NavierStokes （URANS） method and the discrete phase model （DPM），the snow and wind movement characteristics in the PMD bogie region and the conventional bogie region were simulated under conditions of -30C ambient temperature and an operating speed of 160km/h . The research results show that，compared to the conventional bogie，the PMD bogie exhibits alesscomplex flow field structure with smoother airflow.Although the total snow accumulation in he PMD bogie region is higher，after accounting forthe snow adhered to the motor，the overallsnow accumulation is reduced by 23.83% ，and the snow accumulation on the brake calipers is reduced by 78.368% . Thus，it can be concluded thatasignificant portion of thesnow inthePMD bogie area adheres to thesurfaceof the permanent magnet direct-drive motor，with relatively little snow accumulation on other components，especially the brake calipers.Considering that the heat generated by the motor during operation can melt the snow on its surface，the snow accumulations on the motor surface.Based on these properties，the direct-drive configuration of the intercity EMU bogie offers a notable advantage in mitigating snow accumulation and icing issues.

Key words：intercity EMU;permanent magnet direct-drive;bogie ;snow accumulation;numerical simulation

當(dāng)列車在高寒豐雪地區(qū)運(yùn)行時，軌道上的積雪會被列車氣流吸至列車底部，并進(jìn)入轉(zhuǎn)向架內(nèi)部，從而引發(fā)顯著的積雪與結(jié)冰問題[1.車軸與輪對表面的大量積雪結(jié)冰會使得輪軌間的磨損增加.在制動過程中，溫度的升高和振動可能會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架表面的冰塊脫落.由于列車運(yùn)行速度過快，這些脫落的冰塊極有可能損壞列車底部的設(shè)備，并且會提升列車脫軌的風(fēng)險3.制動夾鉗表面的積雪和冰層會導(dǎo)致列車的制動系統(tǒng)無法正常工作，進(jìn)而引發(fā)重大安全隱患4.列車的減振系統(tǒng)會因空氣彈簧表面的積雪結(jié)冰而受到影響，進(jìn)而導(dǎo)致列車運(yùn)行穩(wěn)定性顯著降低[5].轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪結(jié)冰現(xiàn)象可能會妨礙轉(zhuǎn)向架部件的正常運(yùn)作，進(jìn)而導(dǎo)致列車運(yùn)行品質(zhì)顯著降低，并嚴(yán)重威脅列車的運(yùn)行安全[6-8].

為了克服列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪結(jié)冰的難題，進(jìn)而提升列車的運(yùn)行安全性和效率，鐵路科研人員對列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪結(jié)冰問題進(jìn)行了深人研究[9-13].韓運(yùn)動等[14]設(shè)計(jì)了一種高速列車轉(zhuǎn)向架艙內(nèi)流場狀態(tài)測試裝置，并對轉(zhuǎn)向架艙內(nèi)流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)氣流由列車底部以及兩側(cè)裙板灌入轉(zhuǎn)向架艙內(nèi)，流經(jīng)端板時產(chǎn)生流動分離現(xiàn)象，大部分氣流由端板底部及兩側(cè)裙板后部流出.Xie等15]用三維URANS方程結(jié)合RNG雙方程湍流模型和DPM研究了高速列車單向架區(qū)域攜帶雪相的流場，并監(jiān)測了雪相的運(yùn)動.Wang等[16-17]利用URANS與DPM耦合的方法研究了三節(jié)組高速列車轉(zhuǎn)向架上的積雪，發(fā)現(xiàn)斜板轉(zhuǎn)向架安裝區(qū)域的防雪性能優(yōu)于直板轉(zhuǎn)向架安裝區(qū)域，這對轉(zhuǎn)向架區(qū)域上部空間的流動結(jié)構(gòu)和雪濃度分布有很大影響.Gao等[18-19]研究了側(cè)風(fēng)作用下高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域周圍的風(fēng)雪流，討論了轉(zhuǎn)向架區(qū)域周圍的流動特征，分析了轉(zhuǎn)向架整流罩高度對轉(zhuǎn)向架上積雪的影響，并且設(shè)計(jì)了兩種減少積雪的導(dǎo)流板，一種安裝在轉(zhuǎn)向架前端，另一種安裝在轉(zhuǎn)向架后端，最后通過風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證了CFD方法的準(zhǔn)確性.Liu等[20]通過分析轉(zhuǎn)向架表面的積雪結(jié)冰情況，研究了風(fēng)雪對于城軌列車的轉(zhuǎn)向架區(qū)域的影響，并給出了轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪結(jié)冰的原因與導(dǎo)流防積雪裝置的防治方案.Kwon等21]研究了雪量和雪密度對積雪現(xiàn)象的影響，提出了與積雪現(xiàn)象相關(guān)的降雪條件.Ding等[22]提出了一種基于不連續(xù)變形分析（DDA）方法的數(shù)值模型，用于研究高速鐵路中雪/冰塊掉落引起的道砟飛行，分析道砟顆粒與雪/冰塊碰撞時的動力學(xué)行為.蔡路等[23-24]通過拉格朗日方法模擬雪相的流動，研究了高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域的雪相運(yùn)動特性與沉積特性，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架中部橫梁區(qū)域積雪較多. Kim 等[25]提出了一種安裝在前車的非接觸式除雪裝置，以防止冬季在降雪路段行駛的高速列車底部積雪的問題.Bae等[26通過模擬積雪從地面漂移的初始運(yùn)動，即雪躍現(xiàn)象來研究火車上的積雪堆積問題，將半經(jīng)驗(yàn)雪躍模型應(yīng)用于積雪地面的邊界條件，求解雪相流的歐拉控制方程.Lan等[27研究發(fā)現(xiàn)，雪顆粒形態(tài)的改變會影響其在轉(zhuǎn)向架區(qū)域的運(yùn)動阻力，從而影響其在轉(zhuǎn)向架區(qū)域的流動性.Wang等[28]采用滑動網(wǎng)格技術(shù)再現(xiàn)靜止地面上移動的火車的實(shí)際場景，并結(jié)合DPM提出了一種新的積雪模擬方法，對比了靜止列車和靜止列車的流場、積雪分布和堆積特征.Zhao等[29]提出了一種高速氣流中固體三維粒子軌跡跟蹤、積雪積冰建模的仿真框架HADICE，該框架將氣動流場求解為雷諾平均納維-斯托克斯（RANS），并可選擇混合RANS/LES功能來模擬復(fù)雜的湍流.

近年來，永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架因其小型化、輕量化以及綠色高效的特點(diǎn)，贏得了鐵路相關(guān)企業(yè)的青睞，在軌道交通領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景.考慮到永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架同樣面臨高寒豐雪地區(qū)的積雪結(jié)冰困擾，本文基于風(fēng)雪兩相流的數(shù)值模擬方法，對比分析了永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架區(qū)域與普通轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪結(jié)冰規(guī)律，為風(fēng)雪環(huán)境下的永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架區(qū)域的防冰雪設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

1數(shù)值方法

1.1數(shù)學(xué)模型

本研究采用基于Realizable k-ε 湍流模型的非定常雷諾時均方法（URANS）和離散相模型（DPM）模擬轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)的風(fēng)雪運(yùn)動特性[30-31].Realizable k-ε 湍流模型能準(zhǔn)確模擬流線彎曲程度較大的流動現(xiàn)象，故選用此湍流模型模擬轉(zhuǎn)向架區(qū)域的復(fù)雜流場.雷諾時均方法在保證計(jì)算精度的同時還可極大減少計(jì)算資源，因而廣泛應(yīng)用于列車空氣動力學(xué)數(shù)值模擬研究[3].文獻(xiàn)[33]準(zhǔn)確給出了非定常雷諾時均方法的連續(xù)性方程、動量方程和雷諾應(yīng)力方程以及Re-alizable k-ε 湍流模型的k方程和 ε 方程.由于雪相密度與空氣密度的比值遠(yuǎn)大于1，雪相在空氣中所受的虛假質(zhì)量力、壓力梯度力、Basset力均可忽略34，故本文只考慮曳力和重力對雪相的影響，即雪相只受到氣流對它的電力作用以及自身的重力作用，雪相受力平衡微分方程[35-36]為：

式中： u 為空氣流動速度； u_p 為雪相速度； ρ 為空氣密度， ρ=1.453kg/m³;μ 為動力粘度， μ=1.57×10^-5Pa?s d_p 為粒子直徑， d_p=0.15mm;ρ_p 為粒子密度， ρ_p= 250kg/m³;g 為重力加速度； C_p 為電力系數(shù)； Re_p 為相對雷諾數(shù)； α₁ ， α₂ ， α₃ 為常數(shù)， α₁=0.519 1， α₂= -1662.5 ， α₃=5.1467×10⁶

1.2幾何模型

本文采用的幾何模型是某型城際動車組三車全尺寸模型，頭車、中間車和尾車的行走部都使用動力轉(zhuǎn)向架，完整的模型如圖1（a）所示.研究對象使用相同的車體，只有底部的轉(zhuǎn)向架不同，一個模型的底部裝載普通列車轉(zhuǎn)向架，記為普通轉(zhuǎn)向架模型；另一個模型的底部裝載永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架，記為永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型.

鑒于研究重點(diǎn)在于兩種動力轉(zhuǎn)向架表面的積雪結(jié)冰現(xiàn)象，因此對車體模型和轉(zhuǎn)向架模型進(jìn)行了適度簡化.盡管如此，列車轉(zhuǎn)向架的所有關(guān)鍵部件均得到了完整保留.簡化后的兩種動力轉(zhuǎn)向架模型分別展示在圖1（b）和圖1（c）中.從圖中可以看到，普通轉(zhuǎn)向架比永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架多了齒輪箱，此外兩者的電機(jī)有所不同，其他的部件均一致.本研究以軌道上頂面至車體頂部的高度 H=4.0m 作為特征長度，城際動車組模型的總長為 14.8H ，寬度為 0.7H 業(yè)

1.3計(jì)算域和邊界條件

本文重點(diǎn)研究兩種不同轉(zhuǎn)向架的積雪結(jié)冰情況.兩種模型均采用相同的計(jì)算域尺寸、相對位置和邊界條件，如圖2所示.

研究所采用的城際動車組模型位于長方體計(jì)算域中.計(jì)算域無量綱尺寸為 54.8H×20H×10H ，入口距離頭車前端 10H ，出口距離尾車末端 30H ，以保證動車組尾流區(qū)域內(nèi)的風(fēng)雪運(yùn)動得以充分發(fā)展.此外，數(shù)值仿真計(jì)算域的阻塞比為 3.76% ，滿足列車空氣動力學(xué)數(shù)值模擬計(jì)算域阻塞比低于 5% 的要求[37].計(jì)算域人口的空氣流動速度 U 與列車運(yùn)營時速 160km- 致，出口的靜壓 P 設(shè)置為0.計(jì)算域的兩側(cè)面和上頂面的邊界條件設(shè)置為對稱邊界.列車在運(yùn)行過程中，列車與地面是相對運(yùn)動的，所以在模擬時為了實(shí)現(xiàn)這種相對運(yùn)動，將地面與軌道設(shè)置為運(yùn)動壁面，將列車和轉(zhuǎn)向架設(shè)置為靜止壁面.其中，地面與軌道的運(yùn)動速度與速度人口的風(fēng)速相同.此外，保持計(jì)算域中的環(huán)境溫度為 -30^°C. 在離散相邊界條件設(shè)置中，將計(jì)算域的入口與出口的邊界都設(shè)置為逃逸，即當(dāng)雪相運(yùn)動至這兩個邊界時，雪相運(yùn)動的計(jì)算便會終止.將轉(zhuǎn)向架表面的邊界設(shè)置為捕捉，即當(dāng)雪相撞擊轉(zhuǎn)向架表面時，便附著在轉(zhuǎn)向架表面.由于本文重點(diǎn)研究轉(zhuǎn)向架表面的積雪分布特性，需要有充足的雪相運(yùn)動至列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域，所以將車體表面、軌道表面、路面的邊界條件都設(shè)置為反彈，即當(dāng)雪相撞擊到這些表面時，并不會附著在其表面，而是反彈后繼續(xù)跟隨氣流運(yùn)動.雪相的發(fā)射平面設(shè)置在頭車前方底部區(qū)域，高度為從軌道至列車底部，寬度設(shè)置為 3m 雪相的質(zhì)量流率設(shè)置為 8×10^-8kg/s ，粒徑設(shè)置為 0.15mm 密度設(shè)為 250kg/m³

1.4網(wǎng)格策略

本文在商用CFD軟件AnsysFluent中對兩相風(fēng)、雪流進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及數(shù)值模擬.采用以六面體為主的笛卡兒混合網(wǎng)格對普通轉(zhuǎn)向架模型與永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示.轉(zhuǎn)向架最小表面網(wǎng)格尺寸為 20mm ，車體及軌道最小表面尺寸為 40mm. 為了準(zhǔn)確捕捉列車底部特別是轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場邊界層內(nèi)的空氣流動規(guī)律，在轉(zhuǎn)向架表面及車體表面設(shè)置14層棱柱層網(wǎng)格，并保證棱柱層網(wǎng)格與六面體網(wǎng)格良好的過渡，其中棱柱層網(wǎng)格的法向增長率設(shè)置為1.2.采用3層網(wǎng)格對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行加密，而且重點(diǎn)對列車底部進(jìn)行加密，保證列車底部流場的準(zhǔn)確模擬.整個計(jì)算域的網(wǎng)格數(shù)量約為 1.1×10⁸ ，棱柱層網(wǎng)格數(shù)量約為 6.5×10⁷

為了確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時兼顧計(jì)算資源的有效利用，對模型進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證.由于普通轉(zhuǎn)向架模型與永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型的區(qū)別僅在于列車底部轉(zhuǎn)向架，只需對普通轉(zhuǎn)向架模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證.在計(jì)算區(qū)域的列車底部中心位置 （γ=0） 0設(shè)置一條壓力系數(shù)監(jiān)測線，分別對粗糙網(wǎng)格、中等網(wǎng)格以及精細(xì)網(wǎng)格的穩(wěn)態(tài)計(jì)算進(jìn)行監(jiān)測，得到如圖4所示的壓力系數(shù)分布圖.中等網(wǎng)格的壓力系數(shù)曲線與精細(xì)網(wǎng)格的壓力系數(shù)曲線基本吻合，故采用中等網(wǎng)格的網(wǎng)格劃分策略對普通轉(zhuǎn)向架模型與永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分.

1.5數(shù)值計(jì)算方法及其驗(yàn)證

AnsysFluent采用有限體積法將偏微分方程組在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處劃分為代數(shù)方程組.在數(shù)值模擬中將對流項(xiàng)劃分為二階迎風(fēng)格式，利用壓力求解器和SIMPLEC算法對壓力-速度場進(jìn)行耦合.為了提高兩相風(fēng)雪流的模擬精度，采用雙向耦合算法求解空氣相和雪粒子相.計(jì)算過程中，雪相之間互不影響，雪相的物理參數(shù)始終保持不變.本文所采用的數(shù)值計(jì)算方法和相關(guān)參數(shù)設(shè)置與文獻(xiàn)[35-36]一致，模型構(gòu)造高度相似，僅幾何模型存在差異，因而參考文獻(xiàn)中所采用參數(shù)與計(jì)算方法完全適用于本文模型.文獻(xiàn)[35-36]為驗(yàn)證所用數(shù)值模擬方法的正確性，完成了高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域兩相流風(fēng)洞試驗(yàn)研究以及轉(zhuǎn)向架區(qū)域兩相流試驗(yàn)細(xì)節(jié)及數(shù)值方法驗(yàn)證，其中轉(zhuǎn)向架區(qū)域兩相流風(fēng)洞試驗(yàn)開展于中南大學(xué)高速列車研究中心開口環(huán)境風(fēng)洞的高速試驗(yàn)段4].

在數(shù)值模擬的過程中，首先執(zhí)行了穩(wěn)態(tài)流場的仿真計(jì)算，進(jìn)而獲得了城際動車組周圍已經(jīng)充分發(fā)展的流場.然后，通過粒子發(fā)射面將雪相子注入流場穩(wěn)定的計(jì)算域中，進(jìn)行了物理持續(xù)時間為3s的非定常計(jì)算，以求解非定常流場.在非定常計(jì)算中，可以得到雪相子的運(yùn)動軌跡，不同轉(zhuǎn)向架區(qū)域的雪相濃度以及轉(zhuǎn)向架表面的積雪分布結(jié)果.非定常計(jì)算的時間步長設(shè)置為 0.1ms ，以確保在整個模擬過程中庫朗數(shù)在1以內(nèi).

2結(jié)果和討論

為了更好地分析轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件附近的空氣流動特性與積雪分布特性，考慮到普通轉(zhuǎn)向架以及永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的輪對、電機(jī)及齒輪箱的分布特點(diǎn)，在普通轉(zhuǎn)向架以及永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的相同特殊位置做了5個垂直于 y 軸的切片，分別是 y=0m，y=0.4m y=-0.4m ， _y=0.75m 以及 y=-0.75m 的位置，如圖5所示.

2.1轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場分析

由圖6（a普通轉(zhuǎn)向架區(qū)域流線切片可見：從轉(zhuǎn)向架1到轉(zhuǎn)向架6，隨著轉(zhuǎn)向架與車頭的距離逐漸增加，普通轉(zhuǎn)向架模型底部氣流速度逐漸減小，轉(zhuǎn)向架1區(qū)域底部氣流速度最大.轉(zhuǎn)向架1區(qū)域的前端空間較為寬敞，使得氣流能夠更充分地上升，從而導(dǎo)致了較大的氣流流速差異.這種差異在電機(jī)、齒輪箱以及輪對的前方形成了顯著的低速渦流.此外，轉(zhuǎn)向架底部的少量氣流會上升至轉(zhuǎn)向架內(nèi)部的空曠區(qū)域，由于氣流速度的差異，在前端的中心銷與制動夾鉗前方形成了低速渦流.此外，普通轉(zhuǎn)向架模型的轉(zhuǎn)向架1區(qū)域后端區(qū)域也出現(xiàn)了渦流，部分氣流上揚(yáng)逆向流動，經(jīng)過轉(zhuǎn)向架內(nèi)部，從轉(zhuǎn)向架前端區(qū)域穿出.轉(zhuǎn)向架2、轉(zhuǎn)向架3、轉(zhuǎn)向架4、轉(zhuǎn)向架5以及轉(zhuǎn)向架6的前端區(qū)域均出現(xiàn)與轉(zhuǎn)向架1區(qū)域相同的低速渦流，部分氣流會上升至轉(zhuǎn)向架中間區(qū)域，轉(zhuǎn)向架底部區(qū)域的部分氣流會上升至轉(zhuǎn)向架內(nèi)部區(qū)域，并從轉(zhuǎn)向架后端穿出.與轉(zhuǎn)向架1不同的是，轉(zhuǎn)向架2～6區(qū)域整體的氣流速度降低，沒有出現(xiàn)氣流從轉(zhuǎn)向架前端區(qū)域穿出的現(xiàn)象.

由圖6（b）永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架區(qū)域流線切片可見：與普通轉(zhuǎn)向架類似，永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型中每個轉(zhuǎn)向架的底部氣流也逐漸減小，轉(zhuǎn)向架1區(qū)域的永磁直驅(qū)電機(jī)前端氣流出現(xiàn)上揚(yáng)，由于速度差形成低速渦流，底部氣流部分上揚(yáng)至轉(zhuǎn)向架內(nèi)部區(qū)域，并在永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架區(qū)域以及后方形成大小不一的渦流.但與普通轉(zhuǎn)向架模型不同的是，由于大體積的永磁直驅(qū)電機(jī)阻擋了氣流，底部上揚(yáng)的氣流極少從轉(zhuǎn)向架前端區(qū)域穿出，大部分從轉(zhuǎn)向架后端區(qū)域穿出.轉(zhuǎn)向架2、轉(zhuǎn)向架3、轉(zhuǎn)向架4、轉(zhuǎn)向架5以及轉(zhuǎn)向架6氣流同轉(zhuǎn)向架1區(qū)域類似，不同的是氣流流速明顯降低.

2.2轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪分析

2.2.1轉(zhuǎn)向架區(qū)域雪相濃度分析

雪相運(yùn)動具有較強(qiáng)的氣流跟隨性，轉(zhuǎn)向架區(qū)域存在的上揚(yáng)氣流會把軌面上的雪相卷入轉(zhuǎn)向架內(nèi)部區(qū)域，部分雪相會撞擊轉(zhuǎn)向架各個部件.此外，由于低速渦流的影響，進(jìn)入轉(zhuǎn)向架內(nèi)部區(qū)域的雪粒不易被吹出，最終，在重力的作用下部分雪粒在轉(zhuǎn)向架內(nèi)部沉積.從圖7（a）雪相濃度切片可見：由于距離頭車最近，普通轉(zhuǎn)向架模型轉(zhuǎn)向架1區(qū)域的氣流速度較大，雪相主要分布在轉(zhuǎn)向架底部區(qū)域，少許雪相分布在轉(zhuǎn)向架后端區(qū)域，其中轉(zhuǎn)向架后端的齒輪箱及輪對后方分布較多.普通轉(zhuǎn)向架模型轉(zhuǎn)向架2區(qū)域的整體氣流速度減小，雪相更容易發(fā)生沉積，因此雪相濃度較高，雪相主要分布在轉(zhuǎn)向架的前端區(qū)域以及底部區(qū)域.普通轉(zhuǎn)向架模型轉(zhuǎn)向架2的電機(jī)與齒輪箱前方出現(xiàn)大量雪相，電機(jī)與齒輪箱后方的雪相濃度較前方少.但是由于轉(zhuǎn)向架后端空曠區(qū)域可進(jìn)入的雪相較前端區(qū)域多，普通轉(zhuǎn)向架模型轉(zhuǎn)向架2后端區(qū)域制動夾鉗附近的雪相濃度明顯高于前端區(qū)域.由于部分雪相在前方附著，普通轉(zhuǎn)向架模型轉(zhuǎn)向架3、轉(zhuǎn)向架4、轉(zhuǎn)向架5、轉(zhuǎn)向架6區(qū)域的雪相濃度較轉(zhuǎn)向架2區(qū)域低，主要分布在轉(zhuǎn)向架前端區(qū)域以及底部區(qū)域，雪相分布規(guī)律與轉(zhuǎn)向架2類似.

從圖7（b）可見，永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型轉(zhuǎn)向架1區(qū)域的雪相分布與普通轉(zhuǎn)向架模型類似，主要分布在轉(zhuǎn)向架的底部區(qū)域，但是在永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型轉(zhuǎn)向架1后端區(qū)域基本沒有雪相分布.與普通轉(zhuǎn)向架模型相同的是，永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型轉(zhuǎn)向架2區(qū)域的雪相濃度最高，主要分布在永磁直驅(qū)電機(jī)與輪對的前方.由于永磁直驅(qū)電機(jī)阻礙了氣流的運(yùn)動，永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型轉(zhuǎn)向架后端區(qū)域雪相分布明顯比普通轉(zhuǎn)向架模型少.與普通轉(zhuǎn)向架模型不同的是，由于永磁直驅(qū)電機(jī)阻礙了氣流，部分氣流通向制動夾鉗，轉(zhuǎn)向架2區(qū)域的制動夾鉗附近的雪相濃度明顯減少.轉(zhuǎn)向架3、轉(zhuǎn)向架4、轉(zhuǎn)向架5、轉(zhuǎn)向架6區(qū)域的雪相濃度均比轉(zhuǎn)向架2區(qū)域低，分布規(guī)律與轉(zhuǎn)向架2區(qū)域相似，即雪相主要分布在轉(zhuǎn)向架區(qū)域前端的永磁電機(jī)和輪對的前方.

2.2.2轉(zhuǎn)向架表面雪相堆積分析

轉(zhuǎn)向架表面雪相堆積如圖8所示.圖8（a）為普通轉(zhuǎn)向架模型中轉(zhuǎn)向架1＼～6表面雪相堆積對比圖，普通轉(zhuǎn)向架模型轉(zhuǎn)向架1區(qū)域由于速度較大的氣流帶走了大部分雪相，只有極少積雪分布在轉(zhuǎn)向架后端區(qū)域的軸箱、電機(jī)、齒輪箱以及輪對表面.普通轉(zhuǎn)向架模型的轉(zhuǎn)向架2＼～6表面積雪較多，大部分積雪分布在轉(zhuǎn)向架前中端區(qū)域的軸箱、電機(jī)、齒輪箱、構(gòu)架、空氣彈簧、中心銷以及輪對表面，少部分積雪分布在轉(zhuǎn)向架后端區(qū)域的電機(jī)、齒輪箱、輪對以及軸箱表面.

圖8（b）為永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型不同轉(zhuǎn)向架表面雪相堆積對比.同樣地從中可以看到永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型轉(zhuǎn)向架1表面基本上沒有積雪分布，只有極少的積雪分布在轉(zhuǎn)向架后端區(qū)域的軸箱表面.永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型轉(zhuǎn)向架2、轉(zhuǎn)向架3、轉(zhuǎn)向架4、轉(zhuǎn)向架5、轉(zhuǎn)向架6的表面積雪分布與普通轉(zhuǎn)向架模型相似，集中分布在轉(zhuǎn)向架的前中端區(qū)域的各個部件表面，其中尤以轉(zhuǎn)向架前端區(qū)域的電機(jī)表面分布較多.此外，永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型與普通轉(zhuǎn)向架模型最大的不同是，永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架由于沒有齒輪箱，所以永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架沒有齒輪箱表面的積雪分布.但是由于永磁直驅(qū)電機(jī)本身的體積比普通電機(jī)大，所以永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型的電機(jī)表面積雪比普通轉(zhuǎn)向架模型的積雪明顯更多.

2.2.3轉(zhuǎn)向架表面積雪定量分析

為了進(jìn)一步明確永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型表面的積雪規(guī)律，表1給出了普通轉(zhuǎn)向架模型各部件的積雪質(zhì)量，表2給出了永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型各部件積雪質(zhì)量，可以看出：永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型轉(zhuǎn)向架1各部件的積雪質(zhì)量均低于普通轉(zhuǎn)向架模型轉(zhuǎn)向架1，其中永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型轉(zhuǎn)向架1的制動夾鉗表面、枕梁表面、中心銷表面積雪質(zhì)量遠(yuǎn)低于普通轉(zhuǎn)向架模型轉(zhuǎn)向架1.此外，永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型的制動夾鉗積雪質(zhì)量均低于普通轉(zhuǎn)向架模型.除了永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型轉(zhuǎn)向架1的積雪質(zhì)量遠(yuǎn)低于普通轉(zhuǎn)向架模型轉(zhuǎn)向架1，永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型的轉(zhuǎn)向架2＼～5的積雪質(zhì)量均高于普通轉(zhuǎn)向架模型；對于轉(zhuǎn)向架6的積雪質(zhì)量，永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型與普通轉(zhuǎn)向架模型相差較??；永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型中所有轉(zhuǎn)向架總的積雪質(zhì)量比普通轉(zhuǎn)向架模型多23.176%

普通轉(zhuǎn)向架模型與永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型的主要區(qū)別在于，普通轉(zhuǎn)向架模型采用的是傳統(tǒng)的牽引電機(jī)，而永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型則配備了永磁直驅(qū)電機(jī).除此之外，普通轉(zhuǎn)向架模型相較于永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型，還包含了一個齒輪箱.為了深入研究兩種轉(zhuǎn)向架表面的積雪規(guī)律，對普通轉(zhuǎn)向架模型與永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型的電機(jī)積雪質(zhì)量進(jìn)行對比分析，表3為電機(jī)表面積雪質(zhì)量與轉(zhuǎn)向架表面積雪總質(zhì)量之比.研究發(fā)現(xiàn)普通轉(zhuǎn)向架模型電機(jī)的積雪質(zhì)量占總的轉(zhuǎn)向架積雪質(zhì)量的比重較小，而永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型的永磁直驅(qū)電機(jī)的積雪質(zhì)量占總的轉(zhuǎn)向架積雪質(zhì)量較高，其中最高占比是轉(zhuǎn)向架2，達(dá)到 57.037% .對于所有轉(zhuǎn)向架電機(jī)積雪質(zhì)量占所有轉(zhuǎn)向架積雪質(zhì)量，永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型占比為 46.803% ，而普通轉(zhuǎn)向架模型只有 13.970%

上述仿真結(jié)果并未考慮電機(jī)溫度對積雪分布的影響.實(shí)際上，電機(jī)工作時的溫升會產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致電機(jī)表面溫度急劇升高[38.通常情況下，運(yùn)行中的電機(jī)表面溫度可達(dá)到幾十?dāng)z氏度甚至超過一百攝氏度.而永磁直驅(qū)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度高、轉(zhuǎn)速低，電機(jī)定子繞組銅耗大，鐵耗相對較小，且永磁電機(jī)一般采用全封閉結(jié)構(gòu)，故永磁直驅(qū)電機(jī)溫升問題就更加突出，電機(jī)表面溫度更高[39-41].電機(jī)表面的積雪因溫升導(dǎo)致融化而大量減少，使得轉(zhuǎn)向架區(qū)域有大量積雪，而電機(jī)表面積雪很少的情況出現(xiàn)，圖9為某動車轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪堆積圖.

因此，本文分別對比分析了普通轉(zhuǎn)向架模型與永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型轉(zhuǎn)向架總的積雪質(zhì)量與去除電機(jī)積雪后的積雪質(zhì)量，如圖10所示.普通轉(zhuǎn)向架模型與永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型中轉(zhuǎn)向架1總的積雪質(zhì)量都是最少的，轉(zhuǎn)向架2總的積雪質(zhì)量都是最多的；相比于普通轉(zhuǎn)向架模型，永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型轉(zhuǎn)向架1基本沒有積雪；對于轉(zhuǎn)向架總的積雪質(zhì)量，永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型的轉(zhuǎn)向架2、轉(zhuǎn)向架3與轉(zhuǎn)向架4均比普通轉(zhuǎn)向架模型的對應(yīng)轉(zhuǎn)向架要多，而永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型的轉(zhuǎn)向架5與轉(zhuǎn)向架6與普通轉(zhuǎn)向架模型的轉(zhuǎn)向架5與轉(zhuǎn)向架6總的積雪質(zhì)量基本相同；但是去除電機(jī)的積雪質(zhì)量后，永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型每個轉(zhuǎn)向架的積雪質(zhì)量均比普通轉(zhuǎn)向架模型每個轉(zhuǎn)向架的積雪質(zhì)量要少，從轉(zhuǎn)向架1到轉(zhuǎn)向架6，永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型比普通轉(zhuǎn)向架模型分別少 95.68%.9.04% 、13.25%，16.77%，7.25%，41.45% ，對于去除電機(jī)積雪后所有轉(zhuǎn)向架總的積雪質(zhì)量，永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型比普通轉(zhuǎn)向架模型少 23.83%

圖11展示了永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型與普通轉(zhuǎn)向架模型在不同情況下的積雪質(zhì)量對比：包括電機(jī)表面積雪總質(zhì)量、轉(zhuǎn)向架表面積雪總質(zhì)量，以及去除電機(jī)積雪后轉(zhuǎn)向架表面積雪總質(zhì)量，可以發(fā)現(xiàn)永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型的永磁直驅(qū)電機(jī)的積雪質(zhì)量遠(yuǎn)高于普通轉(zhuǎn)向架模型的普通電機(jī).雖然永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型總的積雪質(zhì)量高于普通轉(zhuǎn)向架模型，但去除電機(jī)表面的積雪后的永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型的轉(zhuǎn)向架總的積雪質(zhì)量會明顯少于普通轉(zhuǎn)向架模型.此外，在深入分析兩個模型的轉(zhuǎn)向架各部件積雪規(guī)律時，發(fā)現(xiàn)普通轉(zhuǎn)向架模型與永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型在制動夾鉗表面積雪質(zhì)量方面存在顯著差異，如圖12所示.

永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型每個轉(zhuǎn)向架的制動夾鉗的積雪質(zhì)量均低于普通轉(zhuǎn)向架模型.在永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型中，大部分氣流運(yùn)動受阻于永磁直驅(qū)電機(jī)，只有少部分氣流能夠運(yùn)動至制動夾鉗附近；而在普通轉(zhuǎn)向架模型中，由于電機(jī)體積較小，其阻礙氣流的能力較弱，有更多的雪相撞擊在制動夾鉗表面.永磁直驅(qū)電機(jī)阻礙氣流從而保護(hù)制動夾鉗的作用在轉(zhuǎn)向架1區(qū)域表現(xiàn)明顯.永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型轉(zhuǎn)向架1的制動夾鉗的積雪很少，遠(yuǎn)少于普通轉(zhuǎn)向架模型的制動夾鉗的積雪質(zhì)量，此外，轉(zhuǎn)向架2、轉(zhuǎn)向架3、轉(zhuǎn)向架4、轉(zhuǎn)向架6，永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型制動夾鉗的積雪質(zhì)量均遠(yuǎn)少于普通轉(zhuǎn)向架模型，對于總的制動夾鉗的積雪質(zhì)量，永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型比普通轉(zhuǎn)向架模型少 78.368%

3結(jié)論

本文運(yùn)用風(fēng)雪兩相流數(shù)值模擬技術(shù)，深入研究了城際動車組轉(zhuǎn)向架區(qū)域的風(fēng)雪流動特性.通過對比分析，揭示了普通列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域與永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架區(qū)域在風(fēng)雪運(yùn)動規(guī)律及積雪分布特性方面的差異.研究得出的主要結(jié)論如下：

1）由于永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)比普通轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)更為簡單，轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)的渦流較少，而普通轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)部的渦流較多，流場結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因而永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架區(qū)域的流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜度低，氣流流動較為順暢.

2）由于永磁直驅(qū)電機(jī)結(jié)構(gòu)對于風(fēng)雪運(yùn)動的影響，永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型轉(zhuǎn)向架1的積雪質(zhì)量遠(yuǎn)低于普通轉(zhuǎn)向架模型；對于轉(zhuǎn)向架2～5的積雪，永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型均比普通轉(zhuǎn)向架模型多，但是永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型轉(zhuǎn)向架的積雪大量分布在永磁直驅(qū)電機(jī)上，去除電機(jī)上的積雪之后，永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型每個轉(zhuǎn)向架的積雪均少于普通轉(zhuǎn)向架的積雪.

3）在永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型中，制動夾鉗附近的流場相較于普通轉(zhuǎn)向架模型更為簡化，導(dǎo)致雪相濃度顯著降低.因此，永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架模型的制動夾鉗積雪量遠(yuǎn)低于普通轉(zhuǎn)向架模型，其制動夾鉗的總積雪質(zhì)量比普通轉(zhuǎn)向架模型減少了 78.368%

由于永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的大部分積雪積聚在永磁直驅(qū)電機(jī)上，而永磁直驅(qū)電機(jī)產(chǎn)生的熱量可以融化積雪，所以永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架區(qū)域的積雪會大量減少.此外，永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的制動夾鉗積雪明顯較少.因此，相較于使用普通轉(zhuǎn)向架的城際列車，采用永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的城際列車展現(xiàn)出更優(yōu)越的抗雪性能.為了進(jìn)一步提升永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的抗雪能力，未來將探索設(shè)計(jì)更為精細(xì)的導(dǎo)流減雪裝置.

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