城轨列车转向架积雪结冰原因分析及其防治

高峰，刘明杨，马冬莉，高广军

(1.中车唐山机车车辆有限公司技术研究中心，河北唐山，063000；2.中南大学轨道交通安全教育部重点实验室，湖南长沙，410075；3.中南大学轨道交通安全关键技术国际合作联合实验室，湖南长沙，410075；4.中南大学轨道交通列车安全保障技术国家地方联合工程研究中心，湖南长沙，410075；5.中车唐山机车车辆有限公司制造技术中心，河北唐山，063000)

随着中国经济不断发展，城市化进程加快，城际动车组被广泛应用于城市与城市之间的短途运输。其中不少线路为明线，在高纬度与寒冷地区，例如中国的东北三省，积雪结冰问题严重影响着城际动车组的运行[1]。当列车高速运行时，列车周围的积雪会在气动力的作用下卷入列车底部并进入转向架区域，转向架区域将会出现严重积雪结冰现象[2-3]，从而带来一系列严重的问题，如当空气弹簧处出现积雪结冰现象时会阻碍空气弹簧的运动从而影响列车的减振效果[4]。当列车制动装置出现积雪结冰现象，积冰会阻碍制动装置的活动部件运动从而导致列车出现制动失效以及缓解失效，危害列车安全[5]。在列车运行过程中，制动夹钳以及电机会散发大量的热量，靠近这些区域的积雪将会被融化成水，但是由于列车运行速度快、环境温度低导致转向架区域的散热快，液态水在短时间内又将凝固成冰附着在转向架区域内。转向架区域表面湿度增加导致更易黏附雪粒子，随着列车运行时间的增加，转向架区域会出现更严重的积雪结冰现象，危害列车行车安全[6-7]。因此，为了提高列车运行安全以及成员舒适性，国内外学者针对城际动车组转向架区域的积雪结冰问题开展了深入研究并提出防治方案。GAO等[8-9]对高速列车转向架区域的导流板的防积雪效果进行了研究。WANG等[1]研究了高速列车转向架舱外形对转向架区域积雪的影响。LIU等[10]研究了高速列车转向架区域积雪分布，并对雪粒子运动特性进行分析。苏格兰铁路机构采用对转向架喷射高温气流的方法来融化转向架区域的积雪积冰[11]。芬兰铁路机构则是采用高温水流来融化转向架上的积雪积冰。PAULUKUHN[12]提出在火车底部喷洒水和丙烯的混合物可以消除列车底部积雪。BETTEZ[13]提出了有效消除新干线列车底部积雪结冰的方案，主要是通过在铁路线上安装除冰喷淋装置来实现除雪除冰。以上对列车积雪结冰问题及防治的研究主要针对高速列车，而对于城轨列车积雪结冰问题的研究较少，而且提出的防积雪结冰方案大都需要进站才能实现，大大降低了列车运行的效率。本文作者通过数值仿真方法研究城际动车组积雪结冰问题，并提出高效的防积雪结冰方案。

1 数值仿真

1.1 几何模型

城际动车组每节车包含2个转向架。本文主要研究头车转向架的积雪结冰现象，如果对完整编组的列车进行雪粒子运动以及堆积预测将耗费大量的计算时间[14]。因此，采用头车与1/3 中间车组合的简化模型进行数值仿真计算[15]，如图1(a)所示，其中，车高h 为3.9 m，模型总长为27.3 m，车宽为2.8 m。头车2 个转向架模型一致，都属于无动力型转向架。转向架保留了制动装置、踏面清扫器、空气弹簧等较为完整的细节，如图1(b)所示。

图1 计算模型Fig.1 Computational model

1.2 计算区域与边界条件

数值仿真计算区域如图2所示。为了能够准确模拟城际动车组周围流场，使流场充分发展，速度入口至列车头部距离为9h，压力出口至列车尾部距离为15h。计算区域总长31h，总宽20h，总高13h。

图2 数值仿真计算域Fig.2 Computational domain of numerical simulation

边界ABCD面为速度入口，来流速度与列车速度相同，设定为40 m/s；边界BCGF，ADHE，ABFE 设定为对称平面；边界EFGH 为压力出口，设定压力为0 Pa。轨道与CGHD 设定为滑移壁面，滑移速度与来流速度均为40 m/s。环境温度设置为-30℃。

雪粒子发射面建立在头车前方底部区域，高度从列车底部至轨道，宽度为转向架宽度。雪粒子质量流率为4 kg/s，粒径为0.2 mm，密度设定为250 kg/m3[14,16-17]。以轨道以及地面CGHD 对雪粒子的壁面条件为逃逸条件，以车体以及转向架轮对对雪粒子的壁面条件为反弹条件，以转向架包括构架、空气弹簧、制动夹钳、踏面清扫器，对雪粒子的壁面条件为捕捉条件。

1.3 计算网格

采用CFD软件STAR-CCM+对模型进行数值计算。四面体和多面体网格用于离散几何模型生成计算网格。轨道与车体最小表面网格大小为0.04 m，列车底部设备包括转向架最小表面网格大小为0.02 m。为了较好地捕捉列车与转向架表面的边界层，附面层层数设置为6层。计算区域采用三层空间加密，计算区域总网格数量为3 600 万个，列车周围局部网格以及列车附面层如图3所示。

图3 计算网格Fig.3 Computational mesh

使用有限体积软件STAR-CCM+对流体控制方程进行求解。二阶迎风格式以及中心差分格式的混合数值格式被用于连续相与离散相耦合的非定常计算。时间离散格式采用二阶隐式格式。为保证计算单元的库朗数小于1，时间步长设定为0.1 ms。非定常计算前，采用可实现的k - ε 方程先进行流场的定常计算，待列车区域的流场稳定再进行非定常计算。非定常计算持续时间为2 s。

1.4 数值计算方法

采用三维、不可压缩的Realizable k - ε湍流模型求解列车周围特别是转向架区域的湍流流动现象。通过在计算区域中释放雪粒子从而模拟雪粒子在列车周围的运动以及转向架区域的堆积情况。对于雪粒子运动的预测采用离散相模型(DPM)实现[18]。在壁面实现堆积后的雪粒子采用积冰模型进行计算，模拟雪花转变为冰的过程[19]，此过程考虑了环境温度对流场以及积冰过程的影响。针对离散相与空气相耦合的问题，GAO等[8,14,20-21]采用缩比模型进行净风场以及两相流风洞试验，试验结果得出了数值计算结果与风洞试验结果具有很高的一致性。本文研究采用相同的数值仿真模型与模型建立方法。

2 数值计算结果

2.1 速度场分析

为了研究转向架上制动夹钳、踏面清扫器、空气弹簧的积雪结冰成因，对这些部件切片处的流场特性进行分析。由于此转向架模型近似对称，因此转向架流场也会出现近似对称的现象[1,22]。由于3 个关键部件处于同一截面并且考虑流场对称性，主要分析Y轴负向的切片。

制动夹钳、踏面清扫器、空气弹簧截面的流线情况如图4所示，图中U为量纲一速度：

式中：Uinf为入口速度，Uinf=40 m/s；uT-ave为转向架区域时间平均速度。

由图4 可见：转向架1 前端区域气流出现上扬，车轮前端气流速度差较大并且在车轮前方出现较大的低速涡流，雪粒子进入转向架区域时将会跟随这一上扬流线运动从而进入到转向架上部区域并且在低速涡流区域集聚。前端制动夹钳周围出现较多低速涡流，但是由于轮对对雪粒子起到一定的阻碍作用，少部分雪粒子将会撞击黏附在前端制动夹钳上，大部分粒子在惯性作用下将沿流线切线继续运动。转向架1 中部区域较为空阔，气流在此区域出现上扬情况，并且流速相对较高，雪粒子将会沿着这一流线从中部区域上扬进入转向架上部区域撞击空气弹簧以及直接撞击后端制动夹钳和底部扭杆。由于列车底部设备以及转向架2距离车头距离较远，转向架2区域的总体流速明显降低，运动到此区域的粒子在重力的作用下总体运动高度会有所下降，因此相对于进入转向架1区域的雪粒子量有所下降。转向架2前端区域、中部区域同转向架1类似，同样出现了上扬趋势以及低速涡流区域，制动夹钳、底部扭杆将依旧是受雪粒子严重冲击的部件。

图4 转向架流线切片Fig.4 Slices of streamlines for bogies

2.2 转向架表面积冰分析

图5所示为t=2 s时刻转向架1和2的表面积冰情况。由图5(a)可知：转向架1的前端轴箱、轴箱垂向减振器迎风面出现较多积冰现象。前端制动夹钳受到前端车轮的保护，其积冰主要集中在闸片处，但是，此处出现积冰现象将会影响列车的制动性能甚至危害列车行车安全，这是因为当列车制动时，闸片处的积冰会影响闸片的摩擦因数导致摩擦力减少使得制动效率降低。转向架中部区域空旷出现气流上扬的情况导致转向架构架横梁出现较多的积冰现象。转向架底部扭杆由于没有保护并且处于流速较快的区域，将直接受到雪粒子的冲击并不断堆积，同样会出现严重的积冰现象而影响其正常工作。与前端制动夹钳不同，后端制动夹钳积冰现象主要集中在迎面处，闸片处于背风面因而堆积较少。由于粒子从中部区域上扬以及转向架外侧上扬撞击到空气弹簧，空气弹簧迎风面也出现了较为严重的积冰现象，随着运行时间的加长，此处堆积不断增加，弹簧的缓冲行程减小将会影响到列车的减振性能，从而降低乘员舒适性。转向架上表面的积冰现象呈现出前少后多的特征，前端积冰现象主要集中在踏面清扫器与制动夹钳上方，后端积雪结冰现象主要集中在构架与踏面清扫器处。

对于转向架2，由于此区域流速降低，粒子运动速度与运动高度在一定程度上有所降低。上扬至前端轴箱以及构架上表面的雪粒子数减少，使得前端轴箱、轴箱垂向减振器迎风面积冰情况相对转向架1有所缓解。上部前端区域的积冰现象出现在了前端踏面清扫器以及前端制动夹钳处并且堆积量较少，中部区域流速低导致大部分粒子所受气动力小于重力，使上扬粒子运动高度较低不足以进入转向架上部区域，转向架上部区域后端积冰现象不明显。与转向架1相比，底部区域堆积现象也明显减少，主要集中在转向架后部的底部扭杆以及后端制动夹钳迎风面。

为比较转向架各部件的积冰情况，对各部件积冰质量进行量化比较。图6所示为转向架各部件积冰质量随时间变化的曲线图。转向架构架由于本身表面积较大导致受雪粒子冲击概率也较大，从而使其积冰质量也最多，由于进入转向架1区域的雪粒子数比转向架2区域的大，并且粒子运动速度与运动高度较高，因此，转向架1构架积冰质量比转向架2构架的大。转向架2构架从0.5 s时刻才开始出现堆积现象，堆积速率也比转向架1构架的小。转向架2区域流速较低，雪粒子运动高度有所下降，使得转向架2空气弹簧处堆积较少，其质量远远小于转向架1 空气弹簧的积冰质量。转向架1上各踏面清扫器积冰质量相近，积冰速率也相近并且大于转向架2上的各踏面清扫器积冰速率。与转向架1相比，达到转向架2上部区域的雪粒子较少，运动高度较高的雪粒子大部分撞击到构架迎风面(包括轴箱、垂向减振器)，少部分沉降在转向架2上表面前端区域。因此，转向架1踏面清扫器积冰质量比转向架2踏面清扫器的积冰质量大。由于转向架2中部区域大部分上扬的雪粒子重力占主导作用，进入转向架上部区域的粒子数量减少，因而与前端相比，转向架2后端踏面清扫器积冰质量大幅下降。由于制动夹钳本身安装高度较低，制动夹钳区域总体流速较快，容易直接受到雪粒子冲击，在车轮的影响下，制动夹钳主要呈现出后端积冰质量大于前端积冰质量的趋势，并且转向架1 处的制动夹钳积冰质量比转向架2 处的大。制动夹钳是转向架上表面积较小的部件，然而，积冰质量量级与转向架构架的相同，这表明城轨列车转向架上制动夹钳是受积雪结冰影响最严重的部件。制动夹钳作为影响列车安全的重要部件，亟需提出优化方案缓解制动夹钳积雪结冰现象。

图5 转向架表面积冰厚度Fig.5 Ice thickness of bogie surface

图6 转向架各部件积冰质量Fig.6 Mass of ice accreting on components of bogies

3 优化方案结果对比

针对粒子运动路径对转向架区域积雪结冰现象进行防治。头车整体优化方案如图7(a)所示。转向架1区域优化方案如图7(b)所示，车头前端导流装置可降低进入转向架区域的雪粒子运动高度；转向架底部吊挂板可降低转向架后部区域雪粒子运动高度；考虑列车运行双向性，转向架1后端安装可收缩导流板并处于收缩状态，转向架2前端呈未收缩状态，转向架2后端呈收缩状态。

优化前后雪粒子在转向架区域雪粒子体积分数分布如图8 所示。从图8 可见：在原始情况下，转向架1和2的前端区域粒子运动高度较高，约为轮对高度的一半；在导流结构的作用下，进入转向架区域雪粒子的运动高度得到抑制，轮对前端粒子被压缩至较低高度，呈现出高体积分数低高度的趋势；转向架中部区域雪粒子在原始情况下出现上扬从而冲击后端部件形成严重的积雪结冰现象；在中部吊挂板的作用下，阻碍了雪粒子上扬运动，减少了直接冲击后端部件的粒子数，缓解了后端部件的积雪结冰现象，有效保护了后端部件；转向架后端导流板在收缩状态下并未有效阻碍转向架区域中的雪粒子离开转向架区域，因此，当列车反向运行时，处于收缩状态的导流结构转变为伸展状态时也将起到较好的防治作用。

图7 优化方案Fig.7 Optimize program

图8 制动夹钳切面处雪粒子体积分数对比Fig.8 Comparison of volume fraction of snow particles on wheel plane

优化方案下转向架表面积冰情况如图9 所示。对比图9和图5可以得出：转向架前端雪粒子运动高度降低使得能冲击转向架1前端轴箱、垂向减振器的粒子数减少，从而缓解这区域的积雪结冰现象；前端区域与中间区域的粒子运动高度都得到抑制，从而空气弹簧处积冰情况也得到抑制，几种减振部件得到保护，乘员舒适性提高；转向架构架横梁迎风面以及转向架构架上表面的积冰现象明显减少；制动夹钳等关键部件的积冰现象也得到有效抑制，提高了列车在风雪环境下运行的安全性。对于转向架2，原始情况下主要积冰集中的区域相对转向架1较小，防治方案的保护使得转向架2区域内积雪结冰现象得到有效抑制。

对比积冰质量可以更直观地反映优化方案的防治效果。转向架各部件积冰质量对比如表1 所示。由表1 可知：对于转向架1，制动夹钳作为积冰严重的部件，在优化方案的防护下，2 s 时的积冰质量明显下降，仅为6.2 g；转向架2制动夹钳积冰质量在2 s时的积冰质量仅为0.5 g；转向架其他部件的积冰质量减少了约1个量级；对于整个转向架来说，在有效计算时间内，转向架1整体积冰质量在优化方案的防治下减少了96%，转向架2整体积冰质量减少了94%。城际动车组转向架区域积雪结冰优化方案具有明显的防治效果，有效改善了转向架积雪结冰情况。

图9 优化方案转向架表面积冰厚度Fig.9 Ice thickness of bogie surface under optimized condition

表1 转向架各部件积冰质量对比Table 1 Comparison of mass of ice accreting on components of bogies 积冰质量/g

4 结论

1)对于城际动车组，由于车体底部存在较多设备阻碍了气流的运动使得气流抵达头车转向架2区域后流速降低，雪粒子进入转向架2区域粒子数量较转向架1有所减少，转向架1积雪结冰现象比转向架2的严重。对于2台转向架，制动夹钳均为受积雪结冰影响最严重的部件。空气弹簧、踏面清扫器受到雪粒子不同程度的影响出现积雪结冰现象。转向架迎风面为受雪粒子冲击的严重区域，前端轴箱、垂向减振器等都存在严重的积雪结冰现象。

2) 根据雪粒子在转向架区域中的运动轨迹，提出了优化防治方案。在非定常计算时间2 s 内，优化方案下转向架区域积雪结冰情况得到有效抑制，转向架1 和转向架2 的积冰质量分别减少了96%和94%。关键部件的积雪结冰现象得到明显缓解，将有效提高城际动车组在风雪环境下运行的安全性、舒适性。