DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.03.032

高速列车转向架区域积雪形成原因及防积雪研究

苗秀娟^{1, 2}，何侃³

(1. 工程车辆安全性设计与可靠性技术湖南省重点实验室，湖南 长沙，410076；

2. 长沙理工大学 汽车与机械工程学院，湖南 长沙，410076；

3. 中南大学 交通运输工程学院，轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙，410075)

摘要：为解决大风雪环境下高速列车转向架区域发生的严重积雪结冰问题，采用三维雷诺时均SST k-ω双方程湍流模型和有限体积法对CRH380型高速列车转向架区域流场进行数值模拟，分析转向架区域积雪成因及易积雪部位，提出转向架区域流场流动控制方法。研究结果表明：气流经列车底部至转向架区域时发生上扬，直接作用在转向架迎风侧，进而形成雪花堆积；部分气流在转向架各死角处减速，导致随气流运动的雪花在附近滞留、黏附；制动装置、弹簧悬挂装置、心盘以及转向架迎风侧等为主要的积雪结冰部位；转向架周围的车体底板距离轨面的高度直接影响气流进入到转向架的扬起角，建议保持车体底板高度一致；设计的流动控制装置有效减少了进入到转向架区域46.51%的气流，从而改善了转向架区域流场结构。

关键词：高速列车；转向架；积雪成因；流动控制；数值模拟

中图分类号：U271.91        文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2018)03-0756-08

Cause analysis of snow packing in high-speed train’s bogie regions and anti-snow packing design

MIAO Xiujuan^{1, 2}, HE Kan³

(1.Key Laboratory of Safety Design and Reliability Technology for Engineering Vehicle, Hunan Province, Changsha 410076, China;

2. College of Automobile and Machinery Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410076, China;

3. Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education,

School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract: To solve the serious problems of snow packing in high-speed train’s bogies under the blizzard environment, the flow structure in bogie regions of a CRH380 high-speed train was simulated by the three-dimensional Reynolds-averaged SST k-ω two-equation turbulence model and finite volume method. The cause of snow packing and the location that was easily covered snow were analyzed. A flow control method was proposed. The results show that airflow coming from the bottom of the train increases with a tilt angle in the bogie regions, which can impact the windward side of the bogies and lead to snow packing. Meanwhile, snowflakes carried by the decelerated airflow are stranded and trapped in blind corners of bogies. Braking systems, spring suspensions, core plates and the windward side of bogies are the configurations which are mainly covered snow. The raising angles of airflow entering into the bogie regions are directly influenced by the height between the rail level and the bottom close to the bogies. The uniform height for the car bottom is proposed. The designed flow control device can effectively reduce the airflow rushing into the bogie regions by 46.51%. Therefore, the flow structures in the bogie regions are improved.

Key words: high-speed train; bogie; causes of accumulated snow; flow control; numerical simulation

我国铁路线路长、区域跨度大，列车所处的运行环境复杂多变。当列车在我国东北、新疆北部以及青藏高原等寒冷区域运行时，将不可避免地遭受风雪袭击。目前，高速列车虽然整体上采用流线型结构设计，但在转向架区域，为了检修方便(观察检查)以及避免转向架和车体的干涉(有相对运动)，转向架结构大都裸露在外。当列车长时间在风雪环境中高速运行时，转向架底部和侧部的空气直接灌入到转向架区域，形成复杂的湍流运动。由于雪花质量很小，其运动轨迹容易受到气流扰动的影响，因此，环境风中携带的雪花颗粒随之流入到转向架区域。当运动行程中产生较多气流漩涡时，雪花颗粒便在漩涡内相互吸附，黏附在转向架结构表面，进而形成堆积^[1]。雪花颗粒将会随着列车运行时间的增长而越积越多。当转向架上存在电机、齿轮箱、弹簧、制动盘等发热部件时，其产生的热量将会被雪花吸收，形成雪水。当热源冷却或雪水运动至热源远端时，受到周围环境的冷空气影响，雪水又转化成冰，周而复始，转向架上的积雪结冰情况将会越来越恶劣，最终导致轴质量增加、悬挂及制动部件动作不良甚至失效，恶化车辆动力学性能，致使运行出现故障，可能导致事故发生。同时，运动中的结冰坠落威胁着地面设备(设施)、车下设备，而积雪也会对转向架区域的流场产生干扰，可能会恶化流场结构，加剧雪花堆积，所以，列车回库需要耗费大量人力除冰。因此，有必要对动车组转向架区域积雪成因进行深入研究，从而找到改善转向架区域流场并减少积雪结冰的方案。随着CFD技术的发展，很多学者采用数值模拟对转向架区域流场进行了分析。IGLESIAS等^[2]指出空气进入转向架区域围绕其各部件形成循环复杂的紊流。黄莎等^[3]通过数值模拟研究，设置裙板对转向架区域流场进行了整流。FLYNN等^[4]发现某型货运列车空气流速最高的地方在转向架区域。郑循皓等^[5]研究了高速列车转向架的气动阻力特性，发现转向架区域的空气流动是非常复杂的，并且提出适当改变列车底部形状，可以改善转向架区域流场。ORELLANO等^[6]研究了侧风下列车运行的安全稳定性。以上对于转向架的结构及流场方面的研究主要考虑的是噪声与气动力，并未涉及转向架积雪结冰形成原因以及积雪防治方面的研究。而人们对列车积雪方面的研究大多集中在改善列车运行环境以及清除已形成的积雪上。FUJII等^[7]在考虑了经济方面可行的情况下，提出适当降低的列车的运行速度从而减少雪花落入转向架区域。KIM等^[8]通过数值模拟研究了列车上安装的电热融雪系统。AZUMA等^[9]利用管道将空调系统排出的气体引入转向架区域从而起到融雪作用。韩运动等^[10]测试了高速列车转向架区域流场，提出转向架区域的雪花源自底部来流。LUDVIGSEN等^[11]统计了大量数据并通过建立回归模型研究了风雪天气对欧洲货运列车运行带来的负面影响，但是未能从流场的角度分析积雪产生的原因以及其防治措施。雪花颗粒密度虽然比空气的大，但是其形状较复杂，易受空气动力的作用影响。研究表明^[12]：当起动风速达到10.7 m/s以上时，雪花颗粒会被运动的漩涡群卷入气流并悬浮在空气中随风运动；高速列车运行时其周围流场的风速一般可以达到50 m/s以上。所以，雪花颗粒相对气流有较强的跟随性，可以通过描述空气的流动来间接说明雪花颗粒在空气中的运动轨迹，并需要了解气流在列车周围的流动情况。本文结合空气动力学理论，对CRH380型高速列车转向架区域流场进行数值模拟，从流场的角度分析转向架区域积雪成因及易积雪部位。从气流流动控制入手，提出一种转向架区域防积雪改进方法，以便为防积雪转向架设计提供参考。

1  数值模拟方法的适用性分析

利用工程中广泛应用的剪切压力传输SST k-ω湍流模型进行流场模拟。该模型综合了近壁k-ω模型的稳定性及边界层外部k-ω独立性的特点，对描述近壁面自由流精确性较高。夏超等^[13]采用多种不同湍流模型模拟了列车外流场并将计算结果与风洞试验结果进行对比，证明了SST k-ω湍流模型的准确性非常高。毛军等^[14-15]采用SST k-ω湍流模型对高速列车周围流场进行了数值模拟研究，并将计算结果与风洞实验结果进行了对比，结果表明SST k-ω湍流模型是适用的。以上研究结果表明：对于高雷诺数的高速列车周围流场，采用SST k-ω湍流模型进行模拟研究是准确且可行的。流动控制方程以及各常数的具体取值见文献[16]。

2  数值模拟计算模型、区域及边界条件

2.1  数值模拟几何模型

本文研究对象是车型为CRH380型高寒动车组。该车型一般为8节车辆编组运营，全长200.65 m，每节车厢下各有2个转向架，因此，共有16个转向架。若从列车头部开始研究各个转向架区域的流场以及分析积雪情况，则计算量较大。实际上，由于列车是1个细长体，当高速列车在运行时，气流在离车头一定距离后，在列车中部的流场结构基本保持稳定，所以，将缩短的列车模型与完整列车模型相比，其流场基本特征变化并不大^[17]。为减小计算规模而又不失准确性，采用3节车模型进行模拟，整个计算模型由1节头车、1节中间车和1节尾车组成，共包含6个转向架区域。为方便区分，从头车第个转向架至尾车最后1个转向架分别编号为1~6号。图1所示为车体几何模型示意图，其中头车转向架为动车转向架，中间车转向架为拖车转向架。

本文主要研究转向架区域流场，故对车体和转向架结构进行简化，省略了转向架表面的管线等细小结构，同时，对各个运动件之间的间隙进行调整，以方便网格离散和数值计算。考虑转向架各个部件对其所在流场的影响，尽可能地保障动车组转向架的完整性。在转向架上存在的许多发热元件如制动钳夹、制动盘在列车制动时会产生大量的热量，电机在车辆运行时也会产生热量，齿轮箱内的齿轮之间的摩擦也会产生热量。这些热量都可能使覆盖在其上的雪花融化，甚至在列车运行时，空气中的雪粒子碰到上述设备就直接融化为水，所以，在计算时需要重点关注这些部位。

2.2  数值模拟计算模型及边界条件

采用3节CRH380B型高寒动车组为计算模型，同时对车辆进行简化，省略车体表面的一些细小部件。车体、转向架及其周围区域均采用六面体网格进行划分。为准确模拟转向架周围涡流的形成和脱落以及附面层效应，对车体、转向架、地面、道床以及钢轨等近壁面附近的单元进行加密处理。本文研究的是转向架区域的积雪形成原因，故主要关心转向架周围的列车底部流场情况。相对转向架周围网格而言，车体两端以及顶部网格对车体底部流场影响不大，因此，该网格较稀疏。密网格和稀疏网格之间以一定的增长因子均匀过渡，这样既保证了精度要求，又减少了计算量，并加快了收敛速度。空间体单元总数约为3 000万。流场整体网格如图2所示。计算采用天河二号广州超级计算中心高性能计算平台，采用60个CPU并行计算。

为真实模拟动车组运行时车体底部的流场结构，根据实际比例增加钢轨和道床模型。为保证流场的充分发展，避免边界条件对转向架周围流场结构的影响，计算采用1:8的缩比模型，建立了长为30H、宽为15H、高为19H的计算区域(其中，H为车高)。计算区域如图3所示。ABCD面与ADHE面定义为气流入口，给定列车纵向速度为55.56 m/s以及侧向速度为10 m/s的合成来流，模拟列车走行风与横风；EFGH面与BCGF面定义为气流压力出口；顶部DCGH面定义为对称面，使流域扩大。由于在列车运行中，车轮旋转以及列车相对地面的滑移都会对转向架区域空气的流速产生一定的影响^[18-19]，为真实地模拟列车与地面、轮对与地面的相对运动，地面、道床、钢轨给定沿列车运行方向相反的滑移速度，轮对给予列车运行方向一致的旋转角速度。

图1  几何模型

Fig. 1  Geometrical models

图2  网格示意图

Fig. 2  Diagrams of mesh distributions

图3  计算区域

Fig. 3  Computational domain

3  高速列车原型车转向架积雪结冰成因分析

转向架区域积雪结冰主要原因是转向架区域雪粒子进入，并在转向架上堆积、融化、结冰而成。而雪花由于形状复杂，受到气动力的影响较大，有较强的跟随性，可以从流场流动方面寻找成因。为此，本文分析转向架区域流场情况，提出可能积雪的部位，并找到转向架积雪结冰成因。由于转向架2和转向架4、转向架3和转向架5的流场结构类似，因此，分别选取原型车的1，2，3和6号转向架进行重点分析。

3.1  转向架区域流线

空间流线可以直接显示转向架区域空气的流向和流速以及气流漩涡情况。在转向架区域取纵向截面，显示二维空气流线，如图4所示。为了更清晰地观察转向架区域内的流场情况，隐藏了转向架一侧构架、轮对、弹簧悬挂装置等遮挡视线的部件。

图4  转向架区域二维流线

Fig. 4  Two-dimensional streamlines in bogie regions

通过分析空间流线发现：当列车运行时，高速气流夹带雪花颗粒流经转向架区域且上扬，气流进入转向架区域后受到转向架各部件复杂结构影响，形成低速漩涡，此时雪花颗粒跟随性降低，从而容易黏附在转向架各部件上，形成堆积。图5所示为转向架周围车体纵向剖面示意图。结合图4和图5可以看出转向架周围车体结构有很大差异，导致头、尾车和中间车转向架空间流场差别很大，具体体现在：

1) 在转向架1区域，由于车体端面距离转向架较远、转向架裙板较短，转向架迎风侧区域空隙较大(如图5(a)所示)，导致气流通过车体底板、转向架裙板后上扬并作用在转向架区域，造成转向架1区域流线紊乱；同时，由于受到设备舱端面和转向架各个部件之间的阻挡影响，导致气流反射，在弹簧悬挂装置、制动装置、牵引电机等形成漩涡。但在背风侧，端板倾斜，从而可以将气流引出转向架区域，形成较少漩涡，有效防止雪花停留。

图5  各转向架区域周围车体结构纵向剖面

Fig. 5  Longitudinal section of car-body structures around bogie regions

2) 在转向架2中，整体情况相比于转向架1较好，主要是由于转向架前端空隙距离比转向架1的要小，相对设备舱距离较近(如图5(b)所示)，导致气流扬起不够，大部分气流只能从转向架下部流过；同时，转向架后端底板倾斜且距离地面较高，气流未受到阻挡，形成漩涡较少。但由于气流受到转向架迎风侧阻挡，加之裙板较短，致使转向架区域构架中心、制动装置、弹簧悬挂装置等存在漩涡，形成较少积雪。

3) 在转向架3处，由于“头-中间车”间风挡最低点、中间车端部底板距离地面较高以及转向架裙板较短(如图5(c)所示)，导致大部分气流扬起并覆盖在整个转向架结构上，直接冲刷转向架各部件迎风侧；同时，转向架后端气流受到设备舱垂直端面阻碍，造成反射，在转向架背风侧形成漩涡，致使雪花停留、黏附，整个转向架严重积雪。

4) 在转向架6中，由于受到车头曲面的影响，导致气流通过面积增大(如图5(d)所示)，大部分气流较难流入转向架区域，只在转向架前端区域形成较少漩涡，并没有大量气流直接作用在转向架上，但转向架“前制动装置”受到气流直接作用、中后部区域受到气流反射作用，仍然能形成少量积雪。

3.2  转向架区域压力

在转向架中间位置取水平截面显示空间压力云图，如图6所示。

图6  转向架区域空间压力

Fig. 6  Pressure contours in bogie regions

从图6可见：转向架3周围为较大面积的正压区，主要是气流直接上扬作用在转向架上所致；转向架1和转向架2的正压区较少，由于少部分气流越过转向架，造成转向架存在部分极值较大的低压区；转向架6处在比较均匀的小负压区，很少受到气流的扬起作用。结合转向架区域流线可知：当流线未扬起，直接从转向架下部通过时，将造成转向架上部区域形成1个较小的均匀负压区，从而改善转向架区域流场。

4  防积雪设计

由于高速列车的转向架是经过完善的结构和动力学研究设计的产物，因此，在设计防积雪方案时，不考虑改变转向架自身的外形和结构。防积雪方案主要基于原模型车进行转向架周围车体结构改进，而保持转向架位置、结构等与现有动车组的一致性。由于最靠近车头和车尾的2个转向架区域流场受车体外形影响较大，在实际运行和数值计算中，中间车转向架的积雪情况较严重，而头、尾车转向架并不会有严重的积雪问题。在对原型车数值计算结果进行分析后发现，3号转向架是积雪最为严重的区域，因此，在设计改进方案时选取该转向架进行重点分析。根据前面的流线分析可知，转向架1，2和6区域内的气流比转向架3区域的小。从转向架区域周围底架结构看，各个转向架区域与转向架3前后两端的端板存在很大区别：与转向架3相比，转向架1，2和6的上风侧端面底部距离轨道面较近，且转向架1和转向架2的端板与转向架的距离也较近，从而导致上扬而进入转向架区域的气流较少；而转向架1，2和6的下风侧端板均存在倾斜结构，与转向架3下风侧端板的垂直结构不同，将经过转向架区域的气流引导出转向架区域，形成较少漩涡。防积雪方案设计主要有2种思路：一种是减少进入到转向架区域的高速气流，从而减少雪花进入量，即通过流动控制方法引导气流从转向架底部通过，尽量避免气流与转向架接触；另一种则是通过稀疏转向架自身结构或对特定机构(如空气、弹簧)采取隔离措施，从而减少进入到转向架区域气流中的雪花在转向架区域堆积。结合实际情况与流场分析，本文采取引导来流的方式，设计了如下防积雪方案：将上风侧车体底架端面高度拉低至与底罩平齐，前后两侧端板与转向架之间的距离均拉近至0.16 m，在靠近转向架前后两端的底罩处各构造1个三棱柱导流槽结构。具体方案措施见图7。

三棱柱导流槽的结构见图8，其远离转向架一侧斜角a为15.5°，靠近转向架一侧斜角b为35.5°，沿列车长度方向H为1.3 m；沿列车宽度方向L为1.4 m，最高点到底部端面距离D为0.2 m。

对于将防积雪方案，采取与原始方案同样的方法进行流场数值模拟，从而得到原始方案与防积雪方案的转向架3区域空气流线对比，见图9。

雪花随着气流悬移，可以通过进风量来间接对比雪花颗粒进入转向架区域的量，如图10所示。在转向架的四周以及底面分别作切片，这5个切片与转向架上端的车体底面将转向架区域完全包裹在内。定义垂直于上述各个面且流向指向转向架区域内部的气流的风速在各个面上的积分为进风量，通过计算得到2种不同方案下转向架3区域的进风量，如表1所示。

图7  优化方案模型

Fig. 7  Models of optimization projects

图8  三棱柱导流槽

Fig. 8  Triple prism guiding groove

图9  转向架3区域流线

Fig. 9  Streamlines in region of bogie 3

图10  转向架区域进风量示意图

Fig. 10  Sketch picture of into air volume in region of bogie

表1  转向架3区域进风量

Table 1  Regional air flow of bogie 3      m³/s

对比转向架3区域的原始方案与防积雪方案二维流线发现：与原始模型相比，进行防积雪改进之后上风侧底板拉低，端板向转向架拉近，且安装有导流装置，因而，大部分气流沿着导流装置向下流动，未被扬起，减少了气流直接对转向架区域各部件的冲刷，转向架前部流场明显改善；后端虽然增加了引流结构，但仍然受端面影响，部分气流受阻，在转向架区域内部形成少量漩涡，对流场起到了一定的副作用。从三维空间流线图可以看出：采用防积雪方案之后，上风侧气流受到导流装置的影响，并未在转向架区域上扬，进入转向架区域的空气大幅度减少，有效地阻挡了大量气流夹带雪花颗粒进入转向架区域，转向架区域流场结构得到明显改善。通过定量分析进一步验证了防积雪方案的进风量与原始方案相比降低46.51%，对转向架区域防积雪结冰起到了积极作用。目前，该防积雪方案已得到了实车实验性研究，取得了较好效果。

5  结论

1) 当转向架前端与设备舱(或车体端板)距离较近时，积雪较少；列车往返1次行驶后，头尾车前端转向架(头部下方转向架)积雪比其他转向架的少。

2) 风挡、底板最低点到轨面的距离决定了转向架积雪的严重程度；当距离较大时，积雪严重；当距离较小时，积雪较少。

3) 形成积雪的主要原因是：气流上扬直接作用在转向架各部件上，将雪花带至转向架各死角处；转向架区域存在大量的低速漩涡，导致从车体前方夹带雪花而来的高速气流在附近滞留，以致雪花黏附。

4) 制动装置、弹簧悬挂装置、心盘以及转向架迎风侧等是主要的积雪部位。

5) 本文所设计的拉近车体端板、降低底板端面高度并在车体底板设置适当的导流装置的优化方案能使得气流在经过转向架区域时未上扬进入转向架区域，直接从转向架下部通过，从而改善转向架区域流场，转向架区域的进风量比原始车型减少了46.51%，有效地防止了积雪进入转向架区域。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2017-03-10；修回日期：2017-05-15

基金项目(Foundation item)：国家重点研发计划项目(2016YFB1200403)；高铁联合基金资助项目(U1534210)；湖南省自然科学基金资助项目(14JJ1003)；国家自然科学基金青年基金资助项目(51605044)；湖南省自然科学基金青年基金资助项目(2016JJ3004)；工程车辆安全性设计与可靠性技术湖南省重点实验室开放基金资助项目(KF1607) (Project(2016YFB1200403) supported by the National Key Research and Development Program of China; Project(U1534210) supported by the High Speed Railway Union Fund; Project(14JJ1003) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province; Project(51605044) supported by the Youth Foundation of National Natural Science Foundation of China; Project(2016JJ3004) supported by the Youth Foundation of Natural Science Foundation of Hunan Province; Project(KF1607) supported by the Open Fund of Key Laboratory of Safety Design and Reliability Technology for Engineering Vehicle of Hunan Province)

通信作者：何侃，博士，从事轨道交通空气动力学与行车安全研究；E-mail：k_he@foxmail.com