城軌列車轉向架積雪結冰原因分析及其防治

高峰，劉明楊，馬冬莉，高廣軍

(1.中車唐山機車車輛有限公司技術研究中心，河北唐山，063000；2.中南大學軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南長沙，410075；3.中南大學軌道交通安全關鍵技術國際合作聯合實驗室，湖南長沙，410075；4.中南大學軌道交通列車安全保障技術國家地方聯合工程研究中心，湖南長沙，410075；5.中車唐山機車車輛有限公司制造技術中心，河北唐山，063000)

隨著中國經濟不斷發展，城市化進程加快，城際動車組被廣泛應用于城市與城市之間的短途運輸。其中不少線路為明線，在高緯度與寒冷地區，例如中國的東北三省，積雪結冰問題嚴重影響著城際動車組的運行[1]。當列車高速運行時，列車周圍的積雪會在氣動力的作用下卷入列車底部并進入轉向架區域，轉向架區域將會出現嚴重積雪結冰現象[2-3]，從而帶來一系列嚴重的問題，如當空氣彈簧處出現積雪結冰現象時會阻礙空氣彈簧的運動從而影響列車的減振效果[4]。當列車制動裝置出現積雪結冰現象，積冰會阻礙制動裝置的活動部件運動從而導致列車出現制動失效以及緩解失效，危害列車安全[5]。在列車運行過程中，制動夾鉗以及電機會散發大量的熱量，靠近這些區域的積雪將會被融化成水，但是由于列車運行速度快、環境溫度低導致轉向架區域的散熱快，液態水在短時間內又將凝固成冰附著在轉向架區域內。轉向架區域表面濕度增加導致更易黏附雪粒子，隨著列車運行時間的增加，轉向架區域會出現更嚴重的積雪結冰現象，危害列車行車安全[6-7]。因此，為了提高列車運行安全以及成員舒適性，國內外學者針對城際動車組轉向架區域的積雪結冰問題開展了深入研究并提出防治方案。GAO等[8-9]對高速列車轉向架區域的導流板的防積雪效果進行了研究。WANG等[1]研究了高速列車轉向架艙外形對轉向架區域積雪的影響。LIU等[10]研究了高速列車轉向架區域積雪分布，并對雪粒子運動特性進行分析。蘇格蘭鐵路機構采用對轉向架噴射高溫氣流的方法來融化轉向架區域的積雪積冰[11]。芬蘭鐵路機構則是采用高溫水流來融化轉向架上的積雪積冰。PAULUKUHN[12]提出在火車底部噴灑水和丙烯的混合物可以消除列車底部積雪。BETTEZ[13]提出了有效消除新干線列車底部積雪結冰的方案，主要是通過在鐵路線上安裝除冰噴淋裝置來實現除雪除冰。以上對列車積雪結冰問題及防治的研究主要針對高速列車，而對于城軌列車積雪結冰問題的研究較少，而且提出的防積雪結冰方案大都需要進站才能實現，大大降低了列車運行的效率。本文作者通過數值仿真方法研究城際動車組積雪結冰問題，并提出高效的防積雪結冰方案。

1 數值仿真

1.1 幾何模型

城際動車組每節車包含2個轉向架。本文主要研究頭車轉向架的積雪結冰現象，如果對完整編組的列車進行雪粒子運動以及堆積預測將耗費大量的計算時間[14]。因此，采用頭車與1/3 中間車組合的簡化模型進行數值仿真計算[15]，如圖1(a)所示，其中，車高h 為3.9 m，模型總長為27.3 m，車寬為2.8 m。頭車2 個轉向架模型一致，都屬于無動力型轉向架。轉向架保留了制動裝置、踏面清掃器、空氣彈簧等較為完整的細節，如圖1(b)所示。

圖1 計算模型Fig.1 Computational model

1.2 計算區域與邊界條件

數值仿真計算區域如圖2所示。為了能夠準確模擬城際動車組周圍流場，使流場充分發展，速度入口至列車頭部距離為9h，壓力出口至列車尾部距離為15h。計算區域總長31h，總寬20h，總高13h。

圖2 數值仿真計算域Fig.2 Computational domain of numerical simulation

邊界ABCD面為速度入口，來流速度與列車速度相同，設定為40 m/s；邊界BCGF，ADHE，ABFE 設定為對稱平面；邊界EFGH 為壓力出口，設定壓力為0 Pa。軌道與CGHD 設定為滑移壁面，滑移速度與來流速度均為40 m/s。環境溫度設置為-30℃。

雪粒子發射面建立在頭車前方底部區域，高度從列車底部至軌道，寬度為轉向架寬度。雪粒子質量流率為4 kg/s，粒徑為0.2 mm，密度設定為250 kg/m3[14,16-17]。以軌道以及地面CGHD 對雪粒子的壁面條件為逃逸條件，以車體以及轉向架輪對對雪粒子的壁面條件為反彈條件，以轉向架包括構架、空氣彈簧、制動夾鉗、踏面清掃器，對雪粒子的壁面條件為捕捉條件。

1.3 計算網格

采用CFD軟件STAR-CCM+對模型進行數值計算。四面體和多面體網格用于離散幾何模型生成計算網格。軌道與車體最小表面網格大小為0.04 m，列車底部設備包括轉向架最小表面網格大小為0.02 m。為了較好地捕捉列車與轉向架表面的邊界層，附面層層數設置為6層。計算區域采用三層空間加密，計算區域總網格數量為3 600 萬個，列車周圍局部網格以及列車附面層如圖3所示。

圖3 計算網格Fig.3 Computational mesh

使用有限體積軟件STAR-CCM+對流體控制方程進行求解。二階迎風格式以及中心差分格式的混合數值格式被用于連續相與離散相耦合的非定常計算。時間離散格式采用二階隱式格式。為保證計算單元的庫朗數小于1，時間步長設定為0.1 ms。非定常計算前，采用可實現的k - ε 方程先進行流場的定常計算，待列車區域的流場穩定再進行非定常計算。非定常計算持續時間為2 s。

1.4 數值計算方法

采用三維、不可壓縮的Realizable k - ε湍流模型求解列車周圍特別是轉向架區域的湍流流動現象。通過在計算區域中釋放雪粒子從而模擬雪粒子在列車周圍的運動以及轉向架區域的堆積情況。對于雪粒子運動的預測采用離散相模型(DPM)實現[18]。在壁面實現堆積后的雪粒子采用積冰模型進行計算，模擬雪花轉變為冰的過程[19]，此過程考慮了環境溫度對流場以及積冰過程的影響。針對離散相與空氣相耦合的問題，GAO等[8,14,20-21]采用縮比模型進行凈風場以及兩相流風洞試驗，試驗結果得出了數值計算結果與風洞試驗結果具有很高的一致性。本文研究采用相同的數值仿真模型與模型建立方法。

2 數值計算結果

2.1 速度場分析

為了研究轉向架上制動夾鉗、踏面清掃器、空氣彈簧的積雪結冰成因，對這些部件切片處的流場特性進行分析。由于此轉向架模型近似對稱，因此轉向架流場也會出現近似對稱的現象[1,22]。由于3 個關鍵部件處于同一截面并且考慮流場對稱性，主要分析Y軸負向的切片。

制動夾鉗、踏面清掃器、空氣彈簧截面的流線情況如圖4所示，圖中U為量綱一速度：

式中：Uinf為入口速度，Uinf=40 m/s；uT-ave為轉向架區域時間平均速度。

由圖4 可見：轉向架1 前端區域氣流出現上揚，車輪前端氣流速度差較大并且在車輪前方出現較大的低速渦流，雪粒子進入轉向架區域時將會跟隨這一上揚流線運動從而進入到轉向架上部區域并且在低速渦流區域集聚。前端制動夾鉗周圍出現較多低速渦流，但是由于輪對對雪粒子起到一定的阻礙作用，少部分雪粒子將會撞擊黏附在前端制動夾鉗上，大部分粒子在慣性作用下將沿流線切線繼續運動。轉向架1 中部區域較為空闊，氣流在此區域出現上揚情況，并且流速相對較高，雪粒子將會沿著這一流線從中部區域上揚進入轉向架上部區域撞擊空氣彈簧以及直接撞擊后端制動夾鉗和底部扭桿。由于列車底部設備以及轉向架2距離車頭距離較遠，轉向架2區域的總體流速明顯降低，運動到此區域的粒子在重力的作用下總體運動高度會有所下降，因此相對于進入轉向架1區域的雪粒子量有所下降。轉向架2前端區域、中部區域同轉向架1類似，同樣出現了上揚趨勢以及低速渦流區域，制動夾鉗、底部扭桿將依舊是受雪粒子嚴重沖擊的部件。

圖4 轉向架流線切片Fig.4 Slices of streamlines for bogies

2.2 轉向架表面積冰分析

圖5所示為t=2 s時刻轉向架1和2的表面積冰情況。由圖5(a)可知：轉向架1的前端軸箱、軸箱垂向減振器迎風面出現較多積冰現象。前端制動夾鉗受到前端車輪的保護，其積冰主要集中在閘片處，但是，此處出現積冰現象將會影響列車的制動性能甚至危害列車行車安全，這是因為當列車制動時，閘片處的積冰會影響閘片的摩擦因數導致摩擦力減少使得制動效率降低。轉向架中部區域空曠出現氣流上揚的情況導致轉向架構架橫梁出現較多的積冰現象。轉向架底部扭桿由于沒有保護并且處于流速較快的區域，將直接受到雪粒子的沖擊并不斷堆積，同樣會出現嚴重的積冰現象而影響其正常工作。與前端制動夾鉗不同，后端制動夾鉗積冰現象主要集中在迎面處，閘片處于背風面因而堆積較少。由于粒子從中部區域上揚以及轉向架外側上揚撞擊到空氣彈簧，空氣彈簧迎風面也出現了較為嚴重的積冰現象，隨著運行時間的加長，此處堆積不斷增加，彈簧的緩沖行程減小將會影響到列車的減振性能，從而降低乘員舒適性。轉向架上表面的積冰現象呈現出前少后多的特征，前端積冰現象主要集中在踏面清掃器與制動夾鉗上方，后端積雪結冰現象主要集中在構架與踏面清掃器處。

對于轉向架2，由于此區域流速降低，粒子運動速度與運動高度在一定程度上有所降低。上揚至前端軸箱以及構架上表面的雪粒子數減少，使得前端軸箱、軸箱垂向減振器迎風面積冰情況相對轉向架1有所緩解。上部前端區域的積冰現象出現在了前端踏面清掃器以及前端制動夾鉗處并且堆積量較少，中部區域流速低導致大部分粒子所受氣動力小于重力，使上揚粒子運動高度較低不足以進入轉向架上部區域，轉向架上部區域后端積冰現象不明顯。與轉向架1相比，底部區域堆積現象也明顯減少，主要集中在轉向架后部的底部扭桿以及后端制動夾鉗迎風面。

為比較轉向架各部件的積冰情況，對各部件積冰質量進行量化比較。圖6所示為轉向架各部件積冰質量隨時間變化的曲線圖。轉向架構架由于本身表面積較大導致受雪粒子沖擊概率也較大，從而使其積冰質量也最多，由于進入轉向架1區域的雪粒子數比轉向架2區域的大，并且粒子運動速度與運動高度較高，因此，轉向架1構架積冰質量比轉向架2構架的大。轉向架2構架從0.5 s時刻才開始出現堆積現象，堆積速率也比轉向架1構架的小。轉向架2區域流速較低，雪粒子運動高度有所下降，使得轉向架2空氣彈簧處堆積較少，其質量遠遠小于轉向架1 空氣彈簧的積冰質量。轉向架1上各踏面清掃器積冰質量相近，積冰速率也相近并且大于轉向架2上的各踏面清掃器積冰速率。與轉向架1相比，達到轉向架2上部區域的雪粒子較少，運動高度較高的雪粒子大部分撞擊到構架迎風面(包括軸箱、垂向減振器)，少部分沉降在轉向架2上表面前端區域。因此，轉向架1踏面清掃器積冰質量比轉向架2踏面清掃器的積冰質量大。由于轉向架2中部區域大部分上揚的雪粒子重力占主導作用，進入轉向架上部區域的粒子數量減少，因而與前端相比，轉向架2后端踏面清掃器積冰質量大幅下降。由于制動夾鉗本身安裝高度較低，制動夾鉗區域總體流速較快，容易直接受到雪粒子沖擊，在車輪的影響下，制動夾鉗主要呈現出后端積冰質量大于前端積冰質量的趨勢，并且轉向架1 處的制動夾鉗積冰質量比轉向架2 處的大。制動夾鉗是轉向架上表面積較小的部件，然而，積冰質量量級與轉向架構架的相同，這表明城軌列車轉向架上制動夾鉗是受積雪結冰影響最嚴重的部件。制動夾鉗作為影響列車安全的重要部件，亟需提出優化方案緩解制動夾鉗積雪結冰現象。

圖5 轉向架表面積冰厚度Fig.5 Ice thickness of bogie surface

圖6 轉向架各部件積冰質量Fig.6 Mass of ice accreting on components of bogies

3 優化方案結果對比

針對粒子運動路徑對轉向架區域積雪結冰現象進行防治。頭車整體優化方案如圖7(a)所示。轉向架1區域優化方案如圖7(b)所示，車頭前端導流裝置可降低進入轉向架區域的雪粒子運動高度；轉向架底部吊掛板可降低轉向架后部區域雪粒子運動高度；考慮列車運行雙向性，轉向架1后端安裝可收縮導流板并處于收縮狀態，轉向架2前端呈未收縮狀態，轉向架2后端呈收縮狀態。

優化前后雪粒子在轉向架區域雪粒子體積分數分布如圖8 所示。從圖8 可見：在原始情況下，轉向架1和2的前端區域粒子運動高度較高，約為輪對高度的一半；在導流結構的作用下，進入轉向架區域雪粒子的運動高度得到抑制，輪對前端粒子被壓縮至較低高度，呈現出高體積分數低高度的趨勢；轉向架中部區域雪粒子在原始情況下出現上揚從而沖擊后端部件形成嚴重的積雪結冰現象；在中部吊掛板的作用下，阻礙了雪粒子上揚運動，減少了直接沖擊后端部件的粒子數，緩解了后端部件的積雪結冰現象，有效保護了后端部件；轉向架后端導流板在收縮狀態下并未有效阻礙轉向架區域中的雪粒子離開轉向架區域，因此，當列車反向運行時，處于收縮狀態的導流結構轉變為伸展狀態時也將起到較好的防治作用。

圖7 優化方案Fig.7 Optimize program

圖8 制動夾鉗切面處雪粒子體積分數對比Fig.8 Comparison of volume fraction of snow particles on wheel plane

優化方案下轉向架表面積冰情況如圖9 所示。對比圖9和圖5可以得出：轉向架前端雪粒子運動高度降低使得能沖擊轉向架1前端軸箱、垂向減振器的粒子數減少，從而緩解這區域的積雪結冰現象；前端區域與中間區域的粒子運動高度都得到抑制，從而空氣彈簧處積冰情況也得到抑制，幾種減振部件得到保護，乘員舒適性提高；轉向架構架橫梁迎風面以及轉向架構架上表面的積冰現象明顯減少；制動夾鉗等關鍵部件的積冰現象也得到有效抑制，提高了列車在風雪環境下運行的安全性。對于轉向架2，原始情況下主要積冰集中的區域相對轉向架1較小，防治方案的保護使得轉向架2區域內積雪結冰現象得到有效抑制。

對比積冰質量可以更直觀地反映優化方案的防治效果。轉向架各部件積冰質量對比如表1 所示。由表1 可知：對于轉向架1，制動夾鉗作為積冰嚴重的部件，在優化方案的防護下，2 s 時的積冰質量明顯下降，僅為6.2 g；轉向架2制動夾鉗積冰質量在2 s時的積冰質量僅為0.5 g；轉向架其他部件的積冰質量減少了約1個量級；對于整個轉向架來說，在有效計算時間內，轉向架1整體積冰質量在優化方案的防治下減少了96%，轉向架2整體積冰質量減少了94%。城際動車組轉向架區域積雪結冰優化方案具有明顯的防治效果，有效改善了轉向架積雪結冰情況。

圖9 優化方案轉向架表面積冰厚度Fig.9 Ice thickness of bogie surface under optimized condition

表1 轉向架各部件積冰質量對比Table 1 Comparison of mass of ice accreting on components of bogies 積冰質量/g

4 結論

1)對于城際動車組，由于車體底部存在較多設備阻礙了氣流的運動使得氣流抵達頭車轉向架2區域后流速降低，雪粒子進入轉向架2區域粒子數量較轉向架1有所減少，轉向架1積雪結冰現象比轉向架2的嚴重。對于2臺轉向架，制動夾鉗均為受積雪結冰影響最嚴重的部件。空氣彈簧、踏面清掃器受到雪粒子不同程度的影響出現積雪結冰現象。轉向架迎風面為受雪粒子沖擊的嚴重區域，前端軸箱、垂向減振器等都存在嚴重的積雪結冰現象。

2) 根據雪粒子在轉向架區域中的運動軌跡，提出了優化防治方案。在非定常計算時間2 s 內，優化方案下轉向架區域積雪結冰情況得到有效抑制，轉向架1 和轉向架2 的積冰質量分別減少了96%和94%。關鍵部件的積雪結冰現象得到明顯緩解，將有效提高城際動車組在風雪環境下運行的安全性、舒適性。