高速受電弓導(dǎo)流板選型研究及傾角調(diào)節(jié)分析

何 舢， 王俊勇

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 成都 610031)

受電弓是通過弓頭碳滑板與接觸網(wǎng)接觸而完成高壓受流，弓網(wǎng)間的可靠接觸是保證電力機(jī)車高速運行時良好受流的基本條件[1]。由于高速列車運行速度的不斷提升，受電弓設(shè)定的初始靜態(tài)接觸力并不能很好地保證受流質(zhì)量；列車高速運行時，受電弓各個部件均受到氣動力的作用，采用導(dǎo)流板能有效地改善受電弓空氣動力特性[2]。導(dǎo)流板通過氣動力的作用，調(diào)節(jié)受電弓高速運行時的弓網(wǎng)動態(tài)接觸力，從而提高受流質(zhì)量[3]。列車高速運行狀態(tài)下，受電弓臂桿、碳滑板和導(dǎo)流翼片等受到的氣動力合力可分解為垂向分力和水平分力。水平分力對弓網(wǎng)接觸力和受流影響較小，可忽略不計；而垂向分力即抬升力則對弓網(wǎng)動態(tài)接觸力產(chǎn)生較大的直接作用[4]；筆者對高速受電弓抬升力有較大影響的導(dǎo)流板的選型和調(diào)節(jié)策略進(jìn)行了深入研究。

1 導(dǎo)流板的選型策略

當(dāng)受電弓處于開口工況運行時，其上框架受到氣動抬升力，下臂受到向下的空氣壓力；閉口工況時則相反。由于受電弓鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)的工作特性[5]，下臂的接觸壓力傳導(dǎo)系數(shù)要大于上框架，因此，受電弓開口工況下弓網(wǎng)接觸力要小于標(biāo)準(zhǔn)值，而閉口工況下大于標(biāo)準(zhǔn)值。

受電弓導(dǎo)流板的外形結(jié)構(gòu)、大小及安裝位置對其調(diào)節(jié)作用，具有直接的影響。多數(shù)使用采用導(dǎo)流板控制方式進(jìn)行調(diào)節(jié)的受電弓，運用較廣泛的選型結(jié)構(gòu)如圖1所示，將導(dǎo)流板對稱安裝于弓頭上的弓角位置。通過試驗和仿真驗證，安裝于此位置的導(dǎo)流板，在受電弓處于升弓工作狀態(tài)下受到的干擾較小，可以較好地實現(xiàn)設(shè)計調(diào)節(jié)效果。受電弓升弓過程中，弓角原則保持不轉(zhuǎn)動，所以弓角導(dǎo)流板的角度基本保持恒定，而且弓角位置在落弓狀態(tài)下也基本沒有干涉，因此，弓角導(dǎo)流板的安裝角度比較自由，可調(diào)節(jié)的范圍很大。但是，弓角導(dǎo)流板的缺陷也比較明顯，高速列車在運行過程中，導(dǎo)流板受氣動力作用，會對弓角與上交叉管連接位置施加一個向上或向下的剪切力，對弓角的強(qiáng)度造成一定的影響。因此，弓角的導(dǎo)流板尺寸會受到一定的限制，避免弓角強(qiáng)度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的情況發(fā)生。

圖1 弓角導(dǎo)流板安裝位置

除弓角位置，導(dǎo)流板也可安裝于上交叉桿，如DSA250系列受電弓，圖2所示。相較于弓角導(dǎo)流板而言，安裝于上交叉桿的導(dǎo)流板可隨上交叉桿一起轉(zhuǎn)動，在受電弓不同的升弓高度下，可以實現(xiàn)不同的調(diào)節(jié)效果。上交叉桿和導(dǎo)流板的轉(zhuǎn)動角度與受電弓升弓角度相同，可以根據(jù)工作高度、升弓角度設(shè)定初始安裝角度。但是，導(dǎo)流板安裝于上交叉桿位置，在落弓狀態(tài)下，與升弓裝置比較接近，干涉因素相對較多，所以，對于導(dǎo)流板的形狀和初始安裝角度會有一定的限制。

在弓網(wǎng)接觸力調(diào)節(jié)需求較為復(fù)雜時，也可以將弓角導(dǎo)流板和上交叉桿導(dǎo)流板配合運用，可達(dá)到更優(yōu)的調(diào)節(jié)效果。

圖2 上交叉桿導(dǎo)流板安裝位置

如果采用弓角位置安裝導(dǎo)流板，可根據(jù)受電弓開口和閉口工況運行各自需要的調(diào)節(jié)量，設(shè)計導(dǎo)流板的外形。基于風(fēng)洞試驗和實車線路試驗的結(jié)果，導(dǎo)流板不宜選用復(fù)雜的外形。一般情況下，導(dǎo)流板主體結(jié)構(gòu)大多為弧形薄板，弧形導(dǎo)流板可以滿足開口和閉口工況下不同調(diào)節(jié)力變化的需要；通過改變弧形半徑、導(dǎo)流板尺寸及安裝角度，可進(jìn)一步實現(xiàn)精確調(diào)節(jié)。而直板導(dǎo)流板則可以提供近似相等的抬升力和下壓力。

2 弧形導(dǎo)流板的Fluent仿真研究

通過Fluent軟件對弧形導(dǎo)流板進(jìn)行仿真研究，分析不同調(diào)節(jié)方式對導(dǎo)流板氣動調(diào)節(jié)力大小的影響。

仿真模擬的運行速度為300 km/h，300 km/h也是我國目前運行高速動車組的速度等級；導(dǎo)流板模型弧形半徑為100 mm，寬度80 mm，弦長120 mm，安裝傾角為10°，仿真時開口工況的攻角與安裝傾角大小相同。導(dǎo)流板開、閉口工況的抬升力大小如表1所示(負(fù)號表示提供下壓力)，導(dǎo)流板表面壓力分布云圖如圖3所示。

表1 弧形導(dǎo)流板10°安裝傾角開、閉口工況抬升力大小

圖3 開、閉口工況弧形導(dǎo)流板表面壓力云圖

由于開口和閉口對應(yīng)相反的運行方向，所以迎風(fēng)面的高壓區(qū)部位完全相反。閉口狀態(tài)下，下壁面壓力分布比較均勻，而上壁面盡管存在一定高壓區(qū)，但是由于下游區(qū)存在大面積的負(fù)壓區(qū)，因而從合力上兩者會互相抵消，減弱導(dǎo)流板調(diào)節(jié)升力的作用。

開口工況下，如圖4所示，在導(dǎo)流板下壁面上存在一個較大區(qū)域的高壓區(qū)，且幅值較高，這會給導(dǎo)流板帶來較大的抬升力。

圖4 開口工況縱剖面壓力分布

由圖5可以看到，開口工況時，在10°攻角下，在導(dǎo)流板下方形成的流動分離區(qū)大小有限，而下游的高壓區(qū)則恰好始于回流區(qū)結(jié)束的地方。與圖6閉口工況下導(dǎo)流板附近的流線對比，閉口工況下的導(dǎo)流板下方出現(xiàn)的回流區(qū)更大，幾乎占據(jù)了整個導(dǎo)流板的下方區(qū)域，這使得導(dǎo)流板下壁面幾乎不存在明顯的高壓區(qū)，因而提供不了較大的升力。

圖5 開口工況導(dǎo)流板附近流線

由表1可知，在安裝傾角為10°時，模型導(dǎo)流板開閉口均提供抬升力。抬升力的產(chǎn)生根源在于導(dǎo)流板上下兩個壁面上的壓力差，由表面摩擦帶來的垂向的升力幅值很低，可以忽略不計。壓差力是抬升力的主要構(gòu)成部分，而其幅值則受導(dǎo)流板安裝傾角影響極大，不同的傾角導(dǎo)致迎風(fēng)面的正壓區(qū)分布不一致，也會導(dǎo)致背風(fēng)面的流動分離尺度呈較大差異，安裝傾角不同，導(dǎo)流板升力值可能是正值，也有可能是負(fù)值，負(fù)值表現(xiàn)為下壓力。

圖6 閉口工況導(dǎo)流板附近流線

可以看到在初始工況安裝傾角為10°時，氣流在上壁面經(jīng)過有限的滯止區(qū)之后便開始加速，由此導(dǎo)致上表面形成兩個不同的壓力區(qū)：在流動滯止區(qū)氣流減速，形成高壓，起到下壓的作用；在加速區(qū)形成負(fù)壓，起到抬升的作用。而導(dǎo)流板整體的抬升力是兩者作用綜合的結(jié)果，本工況下低壓區(qū)過大，使得向上的正升力占主導(dǎo)作用，整體表現(xiàn)為正升力。

圖7 弧形導(dǎo)流板10°傾角表面壓力分布

對比研究其他安裝傾角時的升力，傾角為0°即水平安裝時，此時攻角也為0°，其表面壓力分布如圖8所示，

圖8 弧形導(dǎo)流板0°傾角表面壓力分布

傾角為0°時，導(dǎo)流板上壁面的高壓進(jìn)一步減小，而低壓區(qū)進(jìn)一步增大，使得抬升力進(jìn)一步增大。其原理類似于機(jī)翼的升力原理，上壁面氣流加速，壓力降低，下游壓力較大，從而形成正升力[6]。

3 弧形導(dǎo)流板氣動力特性曲線

通過對安裝傾角每調(diào)整5°進(jìn)行一次仿真，得到模型導(dǎo)流板(研究速度為300 km/h，導(dǎo)流板模型弧形半徑為100 mm，寬度80 mm，弦長120 mm)開、閉口工況氣動調(diào)節(jié)力隨傾角變化的特性曲線，如圖9所示(抬升力為正，下壓力為負(fù))。

圖9 弧形導(dǎo)流板氣動力關(guān)于安裝傾角的特性曲線

當(dāng)受電弓處于開口工況運行時，弧形導(dǎo)流板的氣動調(diào)節(jié)力先平緩增大，在安裝傾角40°～45°附近達(dá)到最大值，約44 N；在傾角從45°增大至50°，氣動力大小急劇下降50%；超過50°后，氣動力隨傾角增大而平緩減小。閉口工況運行時，其氣動力特性曲線較為平緩，傾角增大至15°～20°附近時抬升力降至0；繼續(xù)增大傾角則氣動調(diào)節(jié)力由抬升力變?yōu)橄聣毫Γ龃笾?0°過程中，下壓力大小有先增大后減小的過程。

弧形導(dǎo)流板的氣動力特性曲線受導(dǎo)流板的弧面半徑、寬度及弦長影響較大，開口工況的最大氣動抬升力大小和對應(yīng)的安裝傾角會有一定變化，閉口工況的抬升力與下壓力的轉(zhuǎn)換點對應(yīng)的傾角也會有一定不同，但其變化趨勢基本類似，在實際調(diào)節(jié)導(dǎo)流板安裝角度時，可根據(jù)實際開、閉口需要調(diào)節(jié)的力參考曲線確定導(dǎo)流板安裝角度。

上交叉桿導(dǎo)流板在升弓過程中傾角會發(fā)生變化，與上框架旋轉(zhuǎn)方向一致，傾角逐漸增大，確定不同工作高度下導(dǎo)流板傾角的變化量以及對應(yīng)工作高度下需要調(diào)節(jié)的力后，也可參考特性曲線確定各高度對應(yīng)的傾角及初始安裝傾角。

4 結(jié)束語

對調(diào)節(jié)高速受電弓的弓網(wǎng)動態(tài)接觸力的導(dǎo)流板進(jìn)行研究，分析了不同安裝位置的導(dǎo)流板的優(yōu)缺點及適用范圍。根據(jù)生產(chǎn)工藝性和適用性的考慮，重點對弧形導(dǎo)流板的氣動力特性通過Fluent軟件進(jìn)行了仿真研究，確定弓角導(dǎo)流板安裝角度及上交叉管導(dǎo)流板傾角在升弓過程中發(fā)生變化對其氣動調(diào)節(jié)力大小的影響，為導(dǎo)流板的實際安裝調(diào)節(jié)提供參考。