高速列车受电弓杆件减阻降噪研究分析

高速列车受电弓是列车高速运行时气动阻力和气动噪声的主要来源之一。为探索受电弓杆件的减阻降噪方法,基于仿生学思想将高速列车受电弓光滑表面设计成螺纹型非光滑结构,同时研究在螺距和螺纹直径参数下对气动阻力和气动噪声的影响。选取高速列车受电弓杆件的典型尺寸建立流体仿真分析模型,采用非结构化混合网格,利用Standard k-ε湍流模型及宽频噪声模型,通过数值方法计算流场的分布特征和气动噪声大小。计算结果表明:螺纹型非光滑结构能更好地影响圆柱体尾涡区的形成,是有效降低高速列车受电弓杆件气动阻力和气动噪声的关键。为了进一步探究螺纹型非光滑结构杆件对高速列车受电弓减阻降噪的影响,设计了凹槽螺纹型和凸陷螺纹型两种不同结构杆件,分别在不同的螺距和螺纹直径参数下进行流场计算结果分析。结果表明,在350 km/h的风速下,螺距和螺纹直径参数一定时,凸陷螺纹型杆件的减阻降噪效果要优于凹槽螺纹型结构;其中,螺距PPD=60 mm,螺纹直径d=1 mm的凹槽螺纹型杆件具有最优减阻降噪效果,单个杆件的减阻率达3%;而对于凹槽螺纹型杆件类型,螺距PPD一定时,d/D的比值在0.017～0.067范围内,随着螺纹直径d的增大气动阻力和气动噪声均升高,当d/D数值超过0.067之后有显著降低气动阻力和气动噪声的趋势。     

气动翼对高速磁悬浮列车升力特性的影响

磁悬浮列车高速运行时受到较大气动升力作用,尤其是尾车向上的气动升力较大,易使悬浮性能恶化,甚至导致悬浮控制系统失效,影响列车的乘坐舒适性及运行安全性,因此亟待开展高速磁悬浮列车的尾车升力特性研究及改善工作. 对开展过风洞试验的高速磁悬浮列车进行数值模拟计算,得到的列车表面压力系数与风洞实验数据吻合较好,并加装气动翼改善高速磁悬浮尾车气动升力,研究了气动翼角度、数量对尾车气动性能的影响. 研究结果表明:仅安装一个气动翼时,其自身的气动升力随角度的增加而减小,但尾车气动升力则呈现先减小后增大的规律,气动翼角度为12.5° 时尾车升力最小,与原始磁悬浮列车相比气动升力系数减小3.9%,气动翼及尾车气动阻力略有增加;以气动翼与车体切线角度保持不变为基准在尾车安装多个12.5° 气动翼,不同位置气动翼的气动阻力基本相同,气动翼数量增加后尾车气动阻力随之增大;不同位置气动翼的气动升力存在差异,向鼻尖方向气动翼的气动升力递减,尾车气动升力随气动翼数量增加先减小后趋于稳定;各方案中安装2个气动翼的磁悬浮列车气动性能相对更优,与原始磁悬浮列车相比尾车气动升力减小4.6%,整车阻力仅增加1.4%.      

受电弓气动特性随列车时速及工作高度变化规律的数值分析

基于三维定常不可压缩N-S方程和k-ε两方程湍流模型,采用有限体积法,对1600和2800 mm升弓高度下受电弓不同时速的气动力进行数值模拟,得到受电弓在开口运行时的气动抬升力.计算结果表明:受电弓在工作高度2800 mm时仿真结果与风洞试验结果较为一致,误差保持在10％以内.受电弓由工作高度2800降低至1600 m...     

高速列车受电弓气动噪声研究综述

为更深入全面了解高速列车受电弓气动噪声研究现状，阐明高速列车受电弓气动噪声机理与规律，总结了近年来国内外高速列车受电弓气动噪声的研究，概括了中国、日本、德国与法国高速列车受电弓的发展历程，分析了受电弓气动噪声源、辐射气动噪声特性以及高速列车受电弓气动噪声研究方法，探讨了高速列车受电弓气动噪声生成机理与抑制方法，总结了当前研究的主要成果。分析结果表明：受电弓作为列车顶部的重要受流装置，由多个杆件组成，在高速气流中会产生显著的有调噪声，是高速列车环境噪声污染主要来源之一；高速列车受电弓主要气动噪声源分布在弓头、铰链机构、绝缘子、底架等部件的迎风侧位置，研究受电弓气动噪声的手段有实车试验、风洞试验以及数值模拟；增加附属装置可以有效控制气动噪声，如增加导流罩、喷射气流、等离子体驱动器等，但这些方法增加了系统的复杂度；基于仿生学原理改变杆件表面微结构，可以显著抑制受电弓湍流旋涡的生成，从而大幅降低气动噪声；优化杆件截面形状以及空间结构设计，可以减少阻力及湍流旋涡的生成，进而有效控制气动噪声。可见，多种途径可以降低受电弓气动噪声，但工程落地的可行性、气动噪声与气动阻力及弓网接触稳定性的耦合关系，仍...     

基于双弓受流动力学的弓网接触电弧分布

针对双弓受流情况下发生的电弧问题，基于经典电接触理论分析了弓网接触面微观结构与弓网接触电弧的产生机理，提出了接触电弧发生率算法；考虑双弓受流条件下接触网波动传播规律分析了双弓耦合系统动力学模型，建立接触网有限元模型与受电弓多体动力学模型，获取不同后弓静态抬升力下的前后弓接触力；结合接触电弧发生率算法与获取的前后弓接触力，计算多工况下前后弓接触电弧发生率，分析其在对应的接触力下接触电弧分布规律，并提出减小接触电弧发生率的措施。研究结果表明：在前弓上发生的接触电弧发生率远小于后弓上的概率，前弓均值仅为后弓的32%;后弓静态抬升力的变化对前弓接触电弧发生率影响很小，4种工况下前弓接触电弧发生率均在1.5×10^-3～5.0×10^-3内波动，无明显变化规律；后弓接触电弧发生率随后弓静态抬升力的增大显著减小，随着抬升力从55 N升高至85 N,后弓接触电弧发生率平均降低了42%;前弓上接触电弧发生次数随接触力的变化无明显变化规律，后弓静态抬升力越大其分布越均匀；后弓上接触电弧发生次数分布随接触力增大而减少，主要分布于接触力低值区间内；接触力在70～80 ...     

高速列车气动噪声贡献量分析

建立了3节编组的CRH380B高速列车气动噪声计算模型,包括6个转向架、2个风挡、3个空调机组和1个DSA380型受电弓等细微结构,采用基于Lighthill声学理论的宽频带噪声源模型对高速列车气动噪声源进行识别,基于高阶有限差分法的大涡模拟对高速列车近场非定常流动进行分析,并采用Ffowcs Williams-Hawkings声学比拟理论对高速列车气动噪声进行预测。计算结果表明:远场噪声计算结果与风洞试验结果的最大差值为1.45dBA,因此,高速列车气动噪声计算模型是准确的;对气动噪声贡献量由大到小依次为转向架系统(6个转向架)、车端连接处(2个风挡)、受电弓与空调机组,数值分别为83.58、79.31、74.08、59.71dBA;以受电弓开口方式运行的整车气动噪声贡献量小于闭口方式,最大声压级和平均声压级分别小于0.40、0.31dBA;头车一位端转向架对转向架系统气动噪声贡献量最大,为79.73dBA;对受电弓气动噪声贡献量由大到小依次为:碳滑板、平衡臂、弓头支架、底架、绝缘子、下臂杆、铰接结构、上臂杆、拉杆与平衡杆,数值分别为97.95、93.02、86.63、82.07、79.46、76.85、72.43、66.63、62.02、54.22dBA;在速度为350km·h-1时,受电弓气动噪声存在主频为305、608、913 Hz,且此3阶单频噪声频率是由弓头部位涡流脱落所导致的气动噪声贡献。     

大风区不同路堑结构中高速动车组的气动特性

建立长路堑路段高速动车组运行模型,通过数值模拟得到不同工况下动车组气动力,分析强横风环境下路堑结构对动车组气动特性的影响.研究表明:不同路堑结构中气动阻力均随风速和车速增大而增大,深路堑中动车组气动阻力约为浅路堑的2～2.5倍;在3 m深度的浅路堑结构中,动车组所受升力为正值,升力和横向力均随横风风速增大而增大;而在10 m深度的深路堑结构中,动车组所受升力为负值,升力随横风风速增大而增大,横向力随风速增大而减小;分析车速对气动力的影响:在浅路堑结构中,除阻力外,列车车速对其他气动力影响较小;在深路堑中,动车组气动力大小均随车速增大而增大,在相同风速条件下,当风速高于15 m/s时,车速每增大50 km/h,横向力和倾覆力矩增大约50%.     

真空管道磁浮交通气动特性的尺度效应

为了探究管道列车的尺度对波系、尾涡以及气动载荷的影响，基于CFD软件建立三种模型尺度（1∶1,1∶5和1∶10），同时考虑两种悬浮间隙关系（车轨相对间隙不变和绝对悬浮高度不变）的模型；采用改进的延迟分离涡模拟（IDDES）湍流模型和重叠网格技术模拟了列车在管道动态运动，并用风洞试验数据验证了数值方法和网格策略的合理性.研究结果表明：列车尺度（雷诺数）增大，车前活塞区域变长，尾流扰动区范围缩短；雷诺数对近尾流区的涡对演化影响较小，但在远尾流区，随着列车尺度减小，涡对脉动变强，涡对强度的差异导致了车后正激波形态的差异；列车表面最大正压值和最大负压值均随着列车尺度增大而增大，悬浮间隙对最大正压值影响较小，但与最大负压值成正相关关系；尺度效应从压差阻力和摩擦阻力两方面共同影响气动阻力，整车摩擦阻力和头、中间车的压差阻力与雷诺数正相关，但是尾车压差阻力受附着激波的强度影响恰恰相反；列车尺度和悬浮高度均对升力影响较大.相对于全尺寸模型，1∶10模型（悬浮高度20 mm）的最大正压值减小3.82%，最大负压值增大3.94%，整车总阻力增大8.64%，头车升力减小101.56%，尾车升力增大15.88...     

强降雨环境下高速列车空气动力学性能

为研究强降雨对高速列车空气动力学性能的影响, 利用Euler-Lagrange方法建立了强降雨环境下高速列车空气动力学计算模型; 空气建模为连续相, 采用Euler方法描述, 雨滴建模为离散相, 采用Lagrange方法描述, 并采用相间耦合方法对降雨环境进行模拟; 分别开展列车气动性能计算及雨滴降落仿真, 并与试验数据进行对比, 验证计算方法的准确性; 数值仿真了强降雨环境下高速列车的流场结构和气动特性。计算结果表明: 随着降雨强度的增加, 在雨滴的冲击作用下, 流线型头型前端区域的正压逐渐增大, 流线型头型后端区域的负压逐渐减小, 从而导致头车气动阻力增大; 降雨强度对高速列车头车气动阻力系数的影响较为显著, 而对气动升力系数的影响较小; 与无降雨环境相比, 当降雨强度为100~500 mm·h-1时, 200 km·h-1车速下的气动阻力系数增加0.004 0~0.020 4, 气动阻力增加85~432 N, 增大率为2.64%~13.46%;300 km·h-1车速下的气动阻力系数增加0.002 7~0.013 7, 气动阻力增加129~652 N, 增大率为1.78%~9.05%;400 km·h-1车速下的气动阻力系数增加0.002 3~0.009 8, 气动阻力增加195~829 N, 增大率为1.52%~6.49%, 因此, 不同车速下, 气动阻力系数随着降雨强度的增加而增大, 且与降雨强度近似呈线性关系; 当车速为300 km·h-1, 降雨强度为100 mm·h-1, 雨滴粒径由2 mm增加为4 mm时, 气动阻力系数由0.152 0增大到0.154 9, 气动阻力增加138 N, 增大率为1.91%, 因此, 高速列车气动阻力系数随着雨滴粒径的增加而增大, 且与雨滴粒径近似呈线性关系。      

降雨环境下大气底层边界型风场对高速列车气动特性影响

采用大气底层边界速度型风场模拟自然风和Marshall-Palmer雨滴谱模型,应用离散相模型研究了风雨联合作用环境下列车运行时气动特性的变化情况.结果表明:雨滴颗粒的加入扰乱了列车周围气流的正常流动,减轻了列车背风侧气流漩涡的脱落,列车迎风侧和背风侧的压力差减小;降雨强度对列车气动特性影响不大,从20 mm/h增大到100 mm/h,受影响最大的横向力仅增大了9.11%;风雨耦合环境下列车的运行速度对气动阻力影响较明显,列车时速从200 km/h到400 km/h,阻力增大了102%;随着车速增大,车辆所受横向力与升力的变化规律与车辆在列车中的位置相关,头车所受到横向力明显增大,而尾车的横向力则呈减小趋势,而所受升力正好相反,头车呈减小趋势,尾车则明显升高.     

基于有限元和空气动力学模型的高速受电弓动态性能仿真

建立了接触网和受电弓子系统的有限元模型和空气动力学模型,采用MSC-Marc及STAR-CD软件,研究受电弓动态受流性能和空气动力学性能.通过接触实现2个子系统耦合,对弓网进行动态仿真;通过高速受电弓三维模型,埘受电弓高速空气动力学性能进行仿真.仿真结果表明:简单链型悬挂比掸性链型悬挂接触线动态抬升量和平均接触压力均小,在速度250 km/h时,气流对受电弓产生的抬升力约为12 N,空气阻力为550 N.     

接触网弹性吊索参数对弓网动态性能影响

为确定不同速度等级接触网弹性吊索参数的优选值，利用有限单元法，建立了中国高速铁路250、350 km/h两种速度等级的受电弓、接触网和弓网接触的动力学仿真模型，得到受电弓与接触网的动态性能指标，比较双弓作用下不同接触网弹性吊索截面积、张力和长度的弓网接触力数字特征和接触网定位点最大抬升. 研究结果表明:适应250 km/h的O2-1型接触网弹性吊索宜选用线型为JTMH 35 mm2、张力范围为(2.80 ± 0.10) kN，长度为14 m或18 m；适应350 km/h的京沪高速铁路接触网弹性吊索宜选用线型为JTMH 35 mm2、张力范围为(3.50 ± 0.10) kN，长度为18 m；弹性吊索参数变化对前弓的接触力影响较小，对后弓的接触力影响显著；250 km/h和350 km/h下弹性吊索长度22 m的定位点最大抬升分别是长度18 m的111%和117%，弹性吊索长度的变化对定位点最大抬升影响显著.      

悬吊双层闭口箱梁桥面风振性能

以悬吊双层闭口箱梁桥面为研究对象,通过风洞试验,针对结构静力耦合与气动干扰对悬吊双层闭口箱梁桥面风振性能影响进行了研究;采用变分模态分解方法对试验监测信号进行模态分解,识别颤振模态;通过振动形态矢量图与相位图对颤振弯扭耦合程度及弯扭相位差进行分析;根据最小二乘法识别颤振导数,基于激励-反馈原理,由颤振导数识别颤振气动阻尼。研究结果表明:在结构静力耦合与气动干扰共同作用下,下层断面发生软颤振,其竖向、扭转振动参与度系数分别为0.85、0.53,其颤振形态倾向于竖向振动;下层断面在自激气动力作用下发生颤振,自激气动力相位差减小导致颤振弯扭相位差减小为81.29°,而上层断面在结构耦合力作用下发生强迫振动,结构耦合力相位差决定上层断面弯扭相位差为100.81°;下层断面竖向振动气动阻尼主要来源于竖向速度自激升力负阻尼以及弯扭速度通过激励反馈所产生的耦合升力负阻尼,分别为60%和40%;下层断面转振动气动阻尼主要来源于扭转速度自激升力矩正阻尼以及弯扭速度通过激励反馈所产生的耦合升力矩正阻尼,分别为45%和50%。可见,对于悬吊双层闭口箱梁桥面,下层断面在竖向振动气动负阻尼驱动下发生偏于竖向振动形态软颤振,下层断面软颤振诱发悬吊双层桥面振动系统整体发生弯扭耦合软颤振。      

高速受电弓滑模半主动控制

为解决人工磁瓦表面缺陷检测质量不稳定的问题,提出了一种自动检测磁瓦表面缺陷的方法.首先利用磁瓦轮廓长度、面积等几何特征及轮廓匹配的相似度作为特征向量,采用支持向量机进行初次分类;然后再利用对凸凹缺陷的分析,得到缺陷数量和面积作为特征向量,采用最小均方误差分类器进行二次分类;最后对上述2步结果做与运算,得出最终判断.实验表明本方法可以达到正确识别率约为91.80%,错误接受率约为0.75%,正确拒绝率约为14.00%.      

高速受电弓风载及流固耦合强度分析

阐述了高速受电弓结构模型及CFD计算模型的关键技术,介绍了对其进行空气动力学和流固耦合静力学分析的过程和方法.计算发现在加速风情况下受电弓风压与风速加速度之间的线性关系.基于流固耦合分析,获得了受电弓工作状态下的应力分布,其中受电弓下臂杆横、纵梁交界处应力最大,从而为受电弓强度设计提供了依据.     

强侧风对受电弓的气动作用规律

建立了弓-车-网组合模型,基于压力修正法的N-S方程,采用分离式求解SIMPLE算法,对强侧风条件下的受电弓气动特性进行了数值模拟.分析了受电弓的气动荷载在不同侧风速度,不同风向角下的变化规律及强侧风对受电弓绕流流场的影响.结果表明：随侧风速度及角度的增大,受电弓的气动力及力矩呈非线性变化;受电弓流场区域内产生大量漩涡及低速尾流区,接触网及车体对受电弓流场有明显影响.研究结果可为提高受电弓在侧风作用下的稳定性和安全性提供一定的理论依据.     

受电弓等效模型参数识别及动态性能测试

为了得到合理的受电弓等效模型和参数,将受电弓结构等效为2质量块和3质量块模型,通过实验方法,对其质量、刚度和阻尼进行识别,得到了不同等效模型的力学参数.基于测得的等效参数建立受电弓数学模型,进行弓网动力学仿真计算,并将计算得到的接触力结果与利用弓网混合模拟试验台测得的实验数据进行对比.结果表明:对于2质量块和3质量块模型,最大和最小接触力的最大偏差分别为36.95、20.84 N和23.97、12.02 N,该测试方法可以用于受电弓等效模型参数的辨识.     

Pantograph and catenary system with double pantographs for high-speed trains at 350 km/h or higher

The paper is aimed at developing an optimized design of the pantograph and catenary system with double pantographs at a speed of 350 km/h for the Wuhan-Guangzhou high-speed railway.First,the pantograph and catenary system for the Beijing-Tianjin high-speed railway was analyzed to verify whether its design objective could be fulfilled.It shows that the system is not able to satisfy the requirement of a sustainable running speed of 350 km/h.Then a new scheme for the pantograph and catenary system is proposed ...     

横风下复线路堤高度对高速列车气动性能的影响

利用Creo软件建立了某型动车组头中尾3车编组和不同高度的路堤模型,通过Fluent软件模拟列车在车速分别为300和350 km·h-1,横风风速分别为17.10、20.70、24.40和28.40 m·s-1的环境下运行,将获取的高速列车气动力载荷施加到Simpack建立的动力学模型中,计算其动力学性能参数;深入分析了横风工况下高速列车在不同高度复线路堤背风侧运行时车体的压力分布、气流场结构、气动力与风致安全性,并重点探究了头车在不同运行速度和横风风速下的运行安全性。分析结果表明:在相同车速和横风环境下,随着路堤高度的增加,列车受到的侧向力整体呈增大趋势,尾车在横风作用下受到反向侧向力,头车所受侧向力最大,且升力持续增大,中间车所受升力相对较大,尾车所受阻力最大;横风环境下列车压力峰值点位于头车鼻尖处且向迎风侧偏移,各路堤高度工况下气流场结构基本相同,头车背风侧和底部转向架处有明显的涡流,但尾车处的涡流却在迎风侧,这可能是导致尾车反向侧向力的主因;脱轨系数、轮轴横向力、轮轨垂向力和轮重减载率均随路堤高度和横风风速的增大而增大,轮轨垂向力始终在安全限值内,当横风风速分别为24.40和28.40 m·s-1时,列车运行速度应分别低于350和300 km·h-1,以保证列车行车安全。