高速列车过车站受电弓气动冲击载荷研究

牛纪强　梁习锋　周丹

摘要：采用数值计算方法对2车编组的CRHl型高速列车以不同速度通过车站和于车站内交会进行了模拟，研究了DSA型受电弓升力变化及运行状态（闭口和开口）和屏蔽门对受电弓升力的影响。研究表明，列车进、出车站过程受电弓升力波动显著。单车以闭口和开口状态下过车站时，均为弓头和上框架升力变化最大，受电弓运行状态不改变弓头升力变化幅值与车速幂次方呈线性关系，且开口状态下弓头升力变化大于闭口状态，屏蔽门对受电弓升力影响有限。列车在站内交会时，受电弓运行状态显著改变了受电弓各部件升力变化及其随车速变化规律，屏蔽门对交会工况的影响比单车工况显著；车站内交会位置对受电弓升力变化基本无影响；不等速交会对受电弓变化影响明显。

关键词：高速列车；受电弓；气动力；车站；屏蔽门

引言

缩短运行时间可能会导致出现列车越站情况。列车从开阔线路突人空间相对狭小的车站内时，列车周围流场也会随之发生突变，这会对杆件结构的受电弓稳定性造成影响。随着列车速度的不断提高，在加剧受电弓气动噪声的同时，产生的气动载荷也成为影响受电弓稳定性和弓网关系的主要因素。不正常的弓网接触会导致弓网温度过高而损坏。升力是影响受电弓受流质量的主要气动力因素，因此，研究受电弓气动升力可以有效保证高速列车安全运行。

李瑞平等对高速列车通过隧道时受电动弓空气动力学效应对弓网动力学性能的影响进行了研究，得出列车通过隧道时产生的受电弓气动抬升力变化对弓网接触压力和接触线抬升位移具有显著影响；李瑞平等还对高速受电弓的气动力进行数值模拟，并且建立受电弓气动抬升力计算模型。推导出受电弓气动抬升力的计算方法，受电弓各部件的气动力转换成升力的传递系数。金海等采用数值模拟中的动网格技术对列车高速过站进行数值模拟研究，定量评估压力波传递对屋盖结构压力分布的影响，结合高速列车通过时车站区域风速的空问分布范围，给出车站区域人员活动的安全和舒适范围。何连华等对武汉站高速列车过站列车风进行了数值模拟，得到了不同部位的列车风分布形态及空问分布特性，并分析了结构物受到的列车风风荷载作用，确定了车站安全退避距离。曹登敬等采用动网格技术模拟了高速列车穿越车站，得到列车过站中列车风空问分布形态和屏蔽门上压力分布的规律，分析了车站的风环境，给出用于结构设计的荷载取值建议。蔡国华利用低速风洞对不同受电弓的气动阻力进行了对比分析，得知弓头阻力占受电弓总气动阻力的14%～21%，不同高度和斜度档板可以有效降低受电弓气动阻力和气动噪音，并且对弓头动态接触压力进行测量，得知其与车速的平方呈正比关系。张永升等对受电弓气动特性进行了风洞试验研究，得知受电弓相对列车运行方向对受电弓升力特性有显著影响，导风板角度可以有效控制弓网接触压力。付善强等对受电弓在不同状态下的气动力、弓头抬升力以及关键部件的振动加速度进行了风洞试验研究，给出了受电弓气动力弓头抬升力、风致振动随风速、侧偏角、升降弓的变化规律。郭迪龙等采用DES对高速列车受电弓的非定常气动特性进行研究，研究表明受电弓脱体涡的强度脱落频率对受电弓气动升力系数影响很大，横风对受电弓的升力振动频率有显著影响。吴燕等建立了接触网和受电弓子系统的有限元和空气动力学耦合模型，对弓网进行动态仿真，得知简单链型悬挂比弹性链型悬挂接触线动态抬升量和平均接触压力均小。赵萌等建立了弓-车-网组合模型，对强侧风条件下的受电弓气动特性进行了数值模拟，得知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。刘星等通过将受电弓非稳态气动力及平均稳态气动力分别加载至受电弓三质量块模型下，得知稳态与非稳态空气动力学对弓网受流影响差别不大，当外部激励振幅较大或频率与弓网系统频率接近时，弓网受流特性會受到显著影响。

本文对高速列车单列车通过车站和于车站内交会进行了数值模拟，研究了车速、受电弓运行状态、屏蔽门、交会位置和速度对受电弓各部件的影响。