高速列车受电弓试验段内固定收缩地板的应用

高速列车受电弓试验段内固定收缩地板的应用

0受电弓空气动力特性研究近年来，我国长距离铁路的建设和运营取得了很大进展。随着高速列车运行速度的提高,对高速列车运行安全性的技术要求也相应提高。高速列车的弓网受流质量是影响高速列车运行安全性的关键因素之一。受电弓是电力机车从接触网上获取电能的关键装置,列车在高速行驶时,受电弓的空气动力特性直接影响受流质量。受电弓良好的气动特性是确保弓网系统跟随性、稳定性和减小弓网磨损及降低气动噪声的重要因素,也是提高弓网使用寿命和保证运行安全的关键。另外,受电弓的空气动力作用也直接影响受电弓对支持绝缘子的作用力,机车变速等状态下受电弓对支持绝缘子的作用力也相应发生变化。列车在高速行驶时,受电弓与支持绝缘子之间的受力情况和连接强度将影响受电弓运行时的安全性。因此,开展高速列车受电弓相关空气动力特性研究具有重要的实际意义。研究高速列车受电弓的空气动力特性,可以采用理论计算、随车运行测试和风洞试验等手段。相比较而言,风洞试验具有模拟逼真度高、测试成本低等特点。本文在3m量级的低速风洞中对某国产高速受电弓实物模型进行了测试,研究了受电弓整体气动特性、弓网接触压力、受电弓对支持绝缘子的作用力等综合性能。随着高速列车运行速度的提高,受电弓在高速下的各种性能也成为了研究的重点,因此受电弓风洞试验风速也需要相应提高。本文通过在FD-09风洞试验段内安装收缩地板的方式建立新的试验段,首次把受电弓的风洞试验风速提高到了380km/h［１－３］,可以对高速列车受电弓高速性能的研究和高速受电弓的设计提供参考。1风、试验设备和试验设备1.1试验段长和风速范围受电弓测试试验在中国航天空气动力技术研究院FD-09低速风洞中进行。FD-09风洞试验段为3m×3m的四角圆化正方形,试验段长为14m,试验风速范围为0km/h~300km/h。在FD-09风洞试验段内通过安装收缩地板可以形成一个宽3m、高2m的新试验段(见图1),其试验风速最高可以达到380km/h。FD-09风洞的两种试验段结合使用可以满足高速受电弓模型对不同风速试验的需求。1.2受电弓相对运行方向试验件为国产某型号高速受电弓实物。受电弓由弓头、框架、底架和传动机构等部件组成,通过在气囊内充入和排出压缩空气的方式实现升弓和降弓动作。受电弓相对列车运行方向,作如下约定:(1)受电弓开口运行方向:受电弓框架上下臂杆夹角开口面向气流方向,受电弓方位角定义为β=0°;(2)受电弓闭口运行方向:受电弓框架上下臂杆夹角开口背向气流方向,受电弓方位角定义为β=180°。受电弓运行方向示意图见图2。1.3弓网接触压力测量受电弓整体气动力和力矩由盒式六分量应变天平测量,主要是测量受电弓整体的阻力、升力和倾覆力矩等。弓网接触压力是指受电弓弓头与接触电网之间的接触压力,由分布在前后每个弓头两端正下方的四个拉力传感器测量。受电弓对支持绝缘子的作用力由安装在受电弓底架下方支持绝缘子位置处的三个压力传感器测量。2测量设计和方法2.1弓网接触压力测量(1)测量不同风速(V=0km/h~380km/h)下受电弓整体气动特性,主要是受电弓整体的阻力、升力和倾覆力矩等;(2)测量弓网接触压力P:测量了前后弓头两端共四个点处的接触压力,四个点的合力即为弓网的总接触压力;(3)测量受电弓对支持绝缘子的作用力F:测量了受电弓底架下方三个支持绝缘子支撑位置处的作用力,可以比较受电弓对三个位置处支持绝缘子作用力的差别。2.2压力传感器在风洞试验段下转盘上安装一个转接支座,转接支座伸出到收缩地板外连接盒式天平,盒式天平上面连接一个平面为三角形的转接架,转接架三角形的三个顶点位置为安装绝缘子的位置,在本文试验中将三个绝缘子替换为三个压力传感器,受电弓底架安装在三个压力传感器上,用来测量受电弓对支持绝缘子的作用力。在受电弓前后每个弓头两端正下方的受电弓底架上安装四个拉力传感器,用细钢丝绳垂直连接拉力传感器和弓头,用来测量弓头四个点处的接触压力,弓头距底架的高度通过调节细钢丝绳的长度来实现。各传感器的安装位置见图3。3测量结果分析3.1受电弓的气动特性在FD-09风洞中已经进行过多次受电弓气动特性的测量试验,对受电弓气动特性的测量方法和阻力测量结果已有详细的论述［２，３］。但是先前研究的最高试验风速只到280km/h,与高速列车运行速度日益提高的要求已不相符。本文通过在FD-09风洞试验段内安装收缩地板的方式建立了一个新的试验段,首次将受电弓试验风速提高到了380km/h,并首次研究了受电弓整体的高速气动特性。图4给出了不带任何导流装置的受电弓在不同运行方向的阻力、升力和倾覆力矩随试验风速变化的曲线。在开口和闭口方向受电弓的阻力和倾覆力矩都随试验风速的增加而增大,并且闭口方向受电弓的阻力和倾覆力矩比开口方向要小一些。到最高试验风速380km/h时,开口方向受电弓的阻力约为2850N,闭口方向受电弓的阻力约为2685N,两者的阻力差量约165N。开口和闭口方向受电弓受到的倾覆力矩始终为使弓头向后倾覆的力矩。开口方向受电弓的升力随试验风速的增加而增大,而闭口方向受电弓的升力为负升力,并且随试验风速增加其变化较小。图4中的曲线数据为受电弓的气动力和气动力矩数据,没有转换为气动力系数。这样是为了更加直观的观察受电弓气动力的变化规律和变化量级。将图4中的数据转换为气动力系数,如图5所示,受电弓的气动力系数基本不随试验风速的变化而改变。因此本文通过首次将试验风速提高到380km/h所进行的高速试验表明:高速下受电弓的气动力系数基本不随风速的变化而改变,高速下受电弓的绕流没有发生本质的改变,受电弓气动特性对雷诺数不敏感,因此在以后的试验中可以通过低速试验结论推算得到高速气动力结果。3.2受电弓高速性能试验结果受电弓弓头与接触电网之间保持相对恒定的接触压力,是保证持续稳定的受流性能的关键。如果接触压力过小则易造成离线产生电弧烧损导线,并且受流不稳定;而接触压力过大则易使接触线抬升量过大,造成弓网间磨损加大［２－６］。本文所研究的受电弓型号的弓网初始接触压力设计值为80N左右。图6中比较了不带任何导流装置的受电弓在不同运行方向的弓网接触压力随试验风速变化的曲线。从图中可以看出:闭口方向的弓网接触压力随风速的增加而增大,开口方向的弓网接触压力先随风速增加而增大,到380km/h时又减小;开口和闭口方向的弓网初始接触压力都为80N左右,但是开口方向弓网接触压力的变化范围相对于闭口方向要小很多,开口方向的接触压力最大到120N,而闭口方向最大要到270N。本文的研究工作首次把受电弓的风洞试验风速提高到了380km/h,所得到的受电弓高速试验结果与某型号受电弓在120km/h下随车运行测试的结果［６］有本质的差别。文献中在120km/h以下是闭口方向弓网接触压力的变化范围要小一些。另外图6中开口方向的弓网接触压力也与速压不成正比。因此随着高速列车运行速度的提高,高速下的弓网接触压力特性与低速状态下存在较大差异,因此提高试验风速开展较高风速的受电弓高速性能研究是非常必要的。在受电弓设计中,通常采用导风板来改善受电弓整体气动升力,调节受电弓的弓网接触压力,满足高速受流要求［７］。本文研究了最高试验风速(380km/h)下主导风板角度对接触压力的影响规律。图7给出了受电弓在不同运行方向下导风板角度对接触压力的影响。可以看出:开口方向弓网接触压力随导风板角度的增加而增加,并且基本呈线性关系;闭口方向下随导风板角度增大接触压力先快速减小后趋于稳定。所以通过合理调节导风板的角度可以控制弓网的接触压力,满足高速受流的要求。3.3不同运行方向对支持绝缘子三个支撑位置处的作用力在本文研究中将三个绝缘子位置替换为三个压力传感器,受电弓底架安装在三个压力传感器上,用来测量受电弓对支持绝缘子的作用力。三个压力传感器的相对位置见图8所示。对传感器受力方向作如下规定:压力为正、拉力为负。在图9中给出了不带任何导流装置的受电弓在不同运行方向对支持绝缘子三个支撑位置处的作用力。从图中可以看出,无论在开口还是闭口方向,都是位于前面的传感器受到拉力,位于后面的传感器受到压力。这是因为从受电弓整体气动力测量结果来看,受电弓在开口和闭口方向都是受到一个使弓头向后倾覆的力矩,因此倾覆力矩对三个支撑位置处的作用力就表现为前面拉力后面压力。三个支撑位置处力的大小都随风速的增加而增大。3#位置处力的大小最大可达到约2000N,并且闭口方向的力要略大一些;因为没有侧滑角,所以左右两个对称位置处(1#和2#)力的大小比较接近,最大可达到约1000N,并且开口方向的力要略大于闭口方向。由于列车高速行驶,受电弓对支持绝缘子支撑位置处的作用力也比较大,因此在高速列车设计中应对绝缘子的结构强度以及受电弓与绝缘子的连接强度进行考虑,以保证受电弓系统的安全使用。4受电弓试验风速对高速列车升力特性的影响本文通过风洞试验的方法研究了高速列车受电弓的综合气动性能,可得出如下结论:(1)通过在FD-09风洞试验段内安装收缩地板的方式首次将受电弓试