高速受电弓导流板选型研究及倾角调节分析

何 舢， 王俊勇

(西南交通大学 机械工程学院， 成都 610031)

受电弓是通过弓头碳滑板与接触网接触而完成高压受流，弓网间的可靠接触是保证电力机车高速运行时良好受流的基本条件[1]。由于高速列车运行速度的不断提升，受电弓设定的初始静态接触力并不能很好地保证受流质量；列车高速运行时，受电弓各个部件均受到气动力的作用，采用导流板能有效地改善受电弓空气动力特性[2]。导流板通过气动力的作用，调节受电弓高速运行时的弓网动态接触力，从而提高受流质量[3]。列车高速运行状态下，受电弓臂杆、碳滑板和导流翼片等受到的气动力合力可分解为垂向分力和水平分力。水平分力对弓网接触力和受流影响较小，可忽略不计；而垂向分力即抬升力则对弓网动态接触力产生较大的直接作用[4]；笔者对高速受电弓抬升力有较大影响的导流板的选型和调节策略进行了深入研究。

1 导流板的选型策略

当受电弓处于开口工况运行时，其上框架受到气动抬升力，下臂受到向下的空气压力；闭口工况时则相反。由于受电弓铰链四连杆机构的工作特性[5]，下臂的接触压力传导系数要大于上框架，因此，受电弓开口工况下弓网接触力要小于标准值，而闭口工况下大于标准值。

受电弓导流板的外形结构、大小及安装位置对其调节作用，具有直接的影响。多数使用采用导流板控制方式进行调节的受电弓，运用较广泛的选型结构如图1所示，将导流板对称安装于弓头上的弓角位置。通过试验和仿真验证，安装于此位置的导流板，在受电弓处于升弓工作状态下受到的干扰较小，可以较好地实现设计调节效果。受电弓升弓过程中，弓角原则保持不转动，所以弓角导流板的角度基本保持恒定，而且弓角位置在落弓状态下也基本没有干涉，因此，弓角导流板的安装角度比较自由，可调节的范围很大。但是，弓角导流板的缺陷也比较明显，高速列车在运行过程中，导流板受气动力作用，会对弓角与上交叉管连接位置施加一个向上或向下的剪切力，对弓角的强度造成一定的影响。因此，弓角的导流板尺寸会受到一定的限制，避免弓角强度达不到标准的情况发生。

图1 弓角导流板安装位置

除弓角位置，导流板也可安装于上交叉杆，如DSA250系列受电弓，图2所示。相较于弓角导流板而言，安装于上交叉杆的导流板可随上交叉杆一起转动，在受电弓不同的升弓高度下，可以实现不同的调节效果。上交叉杆和导流板的转动角度与受电弓升弓角度相同，可以根据工作高度、升弓角度设定初始安装角度。但是，导流板安装于上交叉杆位置，在落弓状态下，与升弓装置比较接近，干涉因素相对较多，所以，对于导流板的形状和初始安装角度会有一定的限制。

在弓网接触力调节需求较为复杂时，也可以将弓角导流板和上交叉杆导流板配合运用，可达到更优的调节效果。

图2 上交叉杆导流板安装位置

如果采用弓角位置安装导流板，可根据受电弓开口和闭口工况运行各自需要的调节量，设计导流板的外形。基于风洞试验和实车线路试验的结果，导流板不宜选用复杂的外形。一般情况下，导流板主体结构大多为弧形薄板，弧形导流板可以满足开口和闭口工况下不同调节力变化的需要；通过改变弧形半径、导流板尺寸及安装角度，可进一步实现精确调节。而直板导流板则可以提供近似相等的抬升力和下压力。

2 弧形导流板的Fluent仿真研究

通过Fluent软件对弧形导流板进行仿真研究，分析不同调节方式对导流板气动调节力大小的影响。

仿真模拟的运行速度为300 km/h，300 km/h也是我国目前运行高速动车组的速度等级；导流板模型弧形半径为100 mm，宽度80 mm，弦长120 mm，安装倾角为10°，仿真时开口工况的攻角与安装倾角大小相同。导流板开、闭口工况的抬升力大小如表1所示(负号表示提供下压力)，导流板表面压力分布云图如图3所示。

表1 弧形导流板10°安装倾角开、闭口工况抬升力大小

图3 开、闭口工况弧形导流板表面压力云图

由于开口和闭口对应相反的运行方向，所以迎风面的高压区部位完全相反。闭口状态下，下壁面压力分布比较均匀，而上壁面尽管存在一定高压区，但是由于下游区存在大面积的负压区，因而从合力上两者会互相抵消，减弱导流板调节升力的作用。

开口工况下，如图4所示，在导流板下壁面上存在一个较大区域的高压区，且幅值较高，这会给导流板带来较大的抬升力。

图4 开口工况纵剖面压力分布

由图5可以看到，开口工况时，在10°攻角下，在导流板下方形成的流动分离区大小有限，而下游的高压区则恰好始于回流区结束的地方。与图6闭口工况下导流板附近的流线对比，闭口工况下的导流板下方出现的回流区更大，几乎占据了整个导流板的下方区域，这使得导流板下壁面几乎不存在明显的高压区，因而提供不了较大的升力。

图5 开口工况导流板附近流线

由表1可知，在安装倾角为10°时，模型导流板开闭口均提供抬升力。抬升力的产生根源在于导流板上下两个壁面上的压力差，由表面摩擦带来的垂向的升力幅值很低，可以忽略不计。压差力是抬升力的主要构成部分，而其幅值则受导流板安装倾角影响极大，不同的倾角导致迎风面的正压区分布不一致，也会导致背风面的流动分离尺度呈较大差异，安装倾角不同，导流板升力值可能是正值，也有可能是负值，负值表现为下压力。

图6 闭口工况导流板附近流线

可以看到在初始工况安装倾角为10°时，气流在上壁面经过有限的滞止区之后便开始加速，由此导致上表面形成两个不同的压力区：在流动滞止区气流减速，形成高压，起到下压的作用；在加速区形成负压，起到抬升的作用。而导流板整体的抬升力是两者作用综合的结果，本工况下低压区过大，使得向上的正升力占主导作用，整体表现为正升力。

图7 弧形导流板10°倾角表面压力分布

对比研究其他安装倾角时的升力，倾角为0°即水平安装时，此时攻角也为0°，其表面压力分布如图8所示，

图8 弧形导流板0°倾角表面压力分布

倾角为0°时，导流板上壁面的高压进一步减小，而低压区进一步增大，使得抬升力进一步增大。其原理类似于机翼的升力原理，上壁面气流加速，压力降低，下游压力较大，从而形成正升力[6]。

3 弧形导流板气动力特性曲线

通过对安装倾角每调整5°进行一次仿真，得到模型导流板(研究速度为300 km/h，导流板模型弧形半径为100 mm，宽度80 mm，弦长120 mm)开、闭口工况气动调节力随倾角变化的特性曲线，如图9所示(抬升力为正，下压力为负)。

图9 弧形导流板气动力关于安装倾角的特性曲线

当受电弓处于开口工况运行时，弧形导流板的气动调节力先平缓增大，在安装倾角40°～45°附近达到最大值，约44 N；在倾角从45°增大至50°，气动力大小急剧下降50%；超过50°后，气动力随倾角增大而平缓减小。闭口工况运行时，其气动力特性曲线较为平缓，倾角增大至15°～20°附近时抬升力降至0；继续增大倾角则气动调节力由抬升力变为下压力，增大至90°过程中，下压力大小有先增大后减小的过程。

弧形导流板的气动力特性曲线受导流板的弧面半径、宽度及弦长影响较大，开口工况的最大气动抬升力大小和对应的安装倾角会有一定变化，闭口工况的抬升力与下压力的转换点对应的倾角也会有一定不同，但其变化趋势基本类似，在实际调节导流板安装角度时，可根据实际开、闭口需要调节的力参考曲线确定导流板安装角度。

上交叉杆导流板在升弓过程中倾角会发生变化，与上框架旋转方向一致，倾角逐渐增大，确定不同工作高度下导流板倾角的变化量以及对应工作高度下需要调节的力后，也可参考特性曲线确定各高度对应的倾角及初始安装倾角。

4 结束语

对调节高速受电弓的弓网动态接触力的导流板进行研究，分析了不同安装位置的导流板的优缺点及适用范围。根据生产工艺性和适用性的考虑，重点对弧形导流板的气动力特性通过Fluent软件进行了仿真研究，确定弓角导流板安装角度及上交叉管导流板倾角在升弓过程中发生变化对其气动调节力大小的影响，为导流板的实际安装调节提供参考。