高速列车转向架区域积雪结冰数值模拟研究

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高速列车转向架区域的积雪结冰严重影响着列车的运行品质并威胁着列车的运行安全。列车在冬季降雪环境运行时会卷起轨道上的积雪,进入转向架区域的雪粒在粘性、重力等的作用下沉积在许多重要部件上。列车运行时由于电机的散热、制动盘的摩擦热等,导致转向架区域沉积的雪粒融化并凝结成冰。转向架部件的结冰会对列车的制动、转向架的动力学特性等产生不利的影响。本文对高速列车转向架区域积雪结冰问题中的雪粒运动相似准则、制动盘甩水、积冰等进行了研究。主要内容及结论如下:(1)建立了高速列车转向架区域雪粒运动相似准则,采用数值仿真的方法对相似准则进行了验证。结果表明:基于相似准则的不同缩比尺寸模型中雪粒进入转向架区域的路径相同。转向架表面雪粒聚集较多的部件有前后制动装置、两侧垂向减振器和抗蛇行减振器、转向架中间区域的空气弹簧和牵引拉杆、抗侧滚扭杆和轴箱装置等。转向架舱表面雪粒聚集程度较高的位置主要分布在后端板、前端板上部、两侧板等。(2)基于离散相模型建立了制动盘甩水模拟方法,利用车轮甩水试验结果对该模型进行了验证。利用该方法和液膜模型研究了不同运行速度下制动盘甩出的雪水在转向架区域的运动,分析了雪水在转向架及转向架舱表面的沉积情况。结果表明:转向架表面液膜较厚的区域主要分布在前后制动装置、空气弹簧靠近内侧的区域、构架中间区域及底面、枕梁和牵引拉杆等靠近后轮对一侧等;前后制动装置上的液膜质量占转向架表面总液膜质量的60%以上;转向架舱表面液膜较厚的区域主要分布在靠近制动盘的位置。(3)研究了结冰风洞中动车与拖车转向架区域的积冰情况,对比了数值仿真结果与试验结果,验证了积冰仿真模拟的可行性与准确性。结果表明:在不考虑制动盘甩出的大水滴和溅射水流对转向架区域积冰的影响时,动车转向架数值计算结果与试验结果的差别约为13%,拖车转向架数值计算结果与试验结果的差别约为22%。(4)采用准瞬态的方法模拟了高速列车拖车转向架区域的积冰过程,研究了转向架区域的积冰分布特征。结果表明:拖车转向架区域的积冰主要分布在底部迎风面(构架底部、前后制动装置底部)、转向架两侧垂向减振器和抗蛇行减振器、转向架后制动装置、枕梁上表面以及前后轴箱等部件。积冰质量大小依次为构架、枕梁、后制动装置、空气弹簧、两侧减振器、前制动装置和牵引拉杆等。
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