基于空气动力学的高速列车刮雨器动态性能测试试验台研发

基于空气动力学的高速列车刮雨器动态性能测试试验台研发摘要：随着高速列车的运行速度越来越高，了解和掌握列车高速运行时，其刮雨器的性能也越来越迫在眉睫。本文基于有限元结构仿真和CFD仿真方法，通过对高速列车刮雨器的空气动力学力学特性进行仿真研究，确定高速列车刮雨器受不同风载等工况下，刮片与挡风玻璃之间的动态压力；通过设计加载机构，模拟实验室中高速列车刮雨器不同工况，完成试验台的开发和高速列车刮雨器性能测试；根据试验数据或结果，对刮雨器进行可靠性分析，为刮雨器的维护和检修提供依据。试验结果表明基于空气动力学的高速列车雨刮器动态性能测试试验台能有效解决传统汽车级雨刮器测试装置无法模拟高速列车长期高速运行时（时速达350km/h以上）产生的动态气动载荷对头车和尾车刮雨器电机和刮臂的疲劳失效和冲击失稳的问题，为后续更高速度高速列车雨刮器开发提供强有力的数据支撑和试验支持，填补了国际国内高速列车动态性能测试试验台开发的空白，具有里程碑意义。关键词：空气动力学；高速列车；刮雨器；动态性能测试0前言高速列车(如时速350公里中国标准动车组)，其刮雨器的动力部分采用的是直流有刷电机，电压为DC110V。电机带动刮雨器的刮臂和刮片作左右往复运动，达到清洗挡风玻璃的作用。在清洗挡风玻璃的过程中，挡风玻璃清洗液经水泵驱动，通过整合在刮臂上的软管，利用喷嘴喷在挡风玻璃上。刮雨器的状态通常分为四种：关闭、间歇、慢速和快速。目前列车刮雨器试验台采用1:1比例模拟原车结构，采用原装玻璃，试验台内部设置一套试验工装，用于雨刮器安装；试验台内部工作台上配有工业计算机，用于刮雨器试验软件的编写，存储试验数据及生成相应的试验报告。试验台外部配有能正常循环利用的水路及相应防洒水装置，不会造成试验区域出现积水现象。图1传统雨刮器功能测试台由于目前刮雨器试验台是静态试验，刮雨器试验时未考虑相关空气动力学的影响，不能真实模拟列车实际运行状况。随着列车运行速度的提高，列车的空气动力对刮雨器的影响问题日益突出。虽然列车和汽车都是在地面上运行的交通工具，但是汽车所用刮雨器可以利用刮雨器静态试验台进行刮雨器性能测试，列车所用刮雨器却不能完全采用刮雨器静态试验台进行刮雨器性能测试。主要原因是工况差别较大：(1)为提高列车的运行效率，缩短其运行时间，列车的运行速度大大高于汽车的运行速度。我国高速公路的最高速度一般为120Km/h，此时可以不考虑空气动力学对汽车刮雨器性能的影响。我国提高列车的稳定运行速度通常为350Km/h，这时不能不考虑空气动力学对高速列车刮雨器性能的影响。(2)当固定在轨道上的高速列车在复线上运行时，两相对运行列车交汇时，不能不考虑刮雨器运行的空气动力学力学特性。(3)当高速列车过隧道及两车交汇时，尤其不能不考虑刮雨器运行的空气动力学力学特性。随着高速列车的运行速度越来越高，了解和掌握列车高速运行时，其刮雨器的性能也越来越迫在眉睫。新型刮雨器动态试验台，主要是在模拟列车行驶过程中，头车和尾车刮雨器受到空气阻力影响及风阻大小的基础上，完成高速列车刮雨器性能的测试。1高速列车雨刮器结构以时速350公里中国标准动车组为例，其刮雨器采用直流有刷电机传动，由直流DC110V驱动电机产生摆动运动，带动安装在挡风玻璃的刮臂、刮片进行左右的往复运动，达到清洗挡风玻璃的作用。挡风玻璃清洗液通过水泵和整合在刮臂上的软管，通过喷嘴喷在挡风玻璃上，以达到清洗挡风玻璃的作用。图2刮雨器总成如图2所示，刮雨器系统主要部件组成清单:①刮片组件、②刮架组成、③刮臂组成、④驱动装置组成、⑤接线箱组成、⑥刮雨器开关、⑦洗涤器、⑧液位显示开关、⑨水泵、⑩软管组成、⑾喷嘴组成、⑿接头。机械原理：驱动电机的转速经过蜗轮蜗杆的减速增扭作用驱动主动刮臂，主动刮臂带动四连杆机构驱动从动刮臂，实现主驾驶、副驾驶的刮臂同步摆动，带动雨刮片刮扫挡风玻璃。电气原理：通过控制选择刮雨器旋钮关闭、间歇、慢速和快速四个档位，将电信号传递到PLC控制装置，PLC控制驱动电机和水泵的开闭，刮雨器实现相应的功能。2高速列车雨刮器动态性能测试试验台主要研究内容通过对高速列车刮雨器的空气动力学力学特性仿真，确定高速列车刮雨器受不同风载等工况下，刮片与挡风玻璃之间的压力；通过设计加载机构，模拟实验室中高速列车刮雨器不同工况，完成试验台的开发和高速列车刮雨器性能测试；根据试验数据或结果，对刮雨器进行可靠性分析，为刮雨器的维护和检修提供依据。2.1刮雨器空气动力学仿真与速度较低的普通汽车刮雨器不同，高速列车的刮雨器需要考虑空气动力学对其性能的影响。刮雨器空气动力学仿真，掌握刮雨器在不同位置时，对挡风玻璃的真实压力及分布情况，为高速列车刮雨器动态性能测试试验台的压力模拟提供依据。2.2刮雨器空间姿态分析为模拟高速列车刮雨器对挡风玻璃的真实压力，需要确切地知道刮雨器在运动过程中，在挡风玻璃上的位置。通过建立合理的坐标系，利用机械原理中机构分析的方法，详细分析刮雨器在该坐标系中的坐标位置。刮雨器在不同位置时对挡风玻璃的压力，及刮雨器的空间姿态，在相同的坐标系描述，以方便后续的设计和处理。2.3刮雨器动态性能测试(加载机构设计)方法构思综合刮雨器空气动力学仿真结果和刮雨器空间姿态分析结果，通过合理的加载机构设计，将各种情况下高速列车刮雨器对挡风玻璃的真实压力加载到刮雨器的各个空间位置。2.4试验台硬件选型和设计满足空气动力学试验的高速列车刮雨器动态性能测试试验台设计及制作包括机械系统和控制系统设计。机械系统设计要求挡风玻璃的上盖部分为可更换结构，能自由替换为不同车型的挡风玻璃上盖。控制系统设计主要考虑相关参数的测量，如刮雨器在挡风玻璃上的位置或角度、刮雨器在不同位置时对挡风玻璃的压力等，及其实现。具体试验台设计及其附件选型，应根据不同车型挡风玻璃及其上盖的类型、尺寸、安装要求等确定。2.5试验台控制软件开发包括上位机程序和下位机程序。上位机程序界面友好、操作方便，具有手动和自动操作界面，可添加和修改有关参数，导出分析报表。2.6试验台性能测试利用制作的试验台进行相关性能进行测试，主要包括验证或试验比较刮雨器空气动力学仿真结果，耐久性试验等。其他参数，如刮雨器结构件的速度、加速度、应力、应变、扭矩、位移等，不建议采集。一方面是意义不大，另一方面所加传感器过多，设计复杂且影响整个测试效果。2.7刮雨器可靠性分析根据耐久性试验，对刮雨器进行FMEA分析，供刮雨器设计或改进参考。3高速列车雨刮仿真分析主要内容3.1刮雨器力学特性仿真3.1.1刮雨器力学特性仿真内容按照轨道交通行业常规结构仿真流程对雨刮器结构强度进行摸底.，包括基于TB1335或EN12663静强度结构仿真分析、模态仿真分析、基于IEC61373标准半波正弦冲击仿真分析和随机振动仿真分析。静强度分析根据TB/T1335-1996《铁道车辆强度设计及实验鉴定规范》规定的载荷——客车车体内外设备及其紧固零件应按相当于下列加速度的惯性力进行强度考核，具体分析工况如表1所示，其中g为重力加速度。此时所产生的三个方向的合成应力不得大于材料的屈服极限。表1雨刮器静强度分析工况工况纵向载荷垂向载荷横向载荷S01-3g3g-1gS02-3g3g1gS033g3g-1gS043g3g1g表2列出设备箱体各部位材料的基本力学特性。表2设备箱体材料的基本力学特性材料使用部位弹性模量[GPa]屈服强度[MPa]密度[ton/mm3]泊松比不锈钢(06Cr19Ni10)刮雨器主要结构件2062057.85E-90.28模态分析是计算雨刮器结构固有频率和确定雨刮器结构的振动形式，从而判断结构的整体或局部刚度。除安装座约束外，不用施加载荷。随机振动分析采用GB/T21563-2018《轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验》中模拟长寿命试验中加速度比例系数取5.66，其所规定的ASD频谱（见图2）。设备应该经受总共15h的试验，三个互相垂直的方向分别做5h。疲劳分析是在随机振动分析得到结构1σ、2σ、3σVonMises最大应力的基础上，利用材料的P-S-N曲线，并根据Steinberg理论（结构在随机载荷作用下的响应是基于高斯分布）和Miner线性疲劳累计损伤理论进行计算，从而对雨刮器的疲劳寿命进行预估。图21类—A级—车体安装—ASD频谱假设材料为各向同性材料。在上述分析类型中为小变形、弹性分析类型，不考虑接触等非线性行为。按照Steinberg提出的基于高斯分布和Miner线性累计损伤定律的三区间法进行随机疲劳计算。应力区间发生的时间-1~+1

68.3%的时间-2~+2

27.1%的时间-3~+34.33%的时间总计99.73%

图3随机振动高斯应力概率分布图大于3的应力仅仅发生在0.27%的时间内，假定其不造成任何损伤。在利用Miner定律进行疲劳计算时，将应力处理成上述3个水平，总体损伤的计算公式就可以写成：其中，、和分别表示级别为、和的疲劳循环次数，、和分别为对应应力级别的允许循环次数，可以由S-N曲线得到。为统计频率，可由如下公式得到其中，和分别为速度和位移的均方根。假设材料为各向同性材料。在上述分析类型中为小变形、弹性分析类型，不考虑接触等非线性行为。3.1.2刮雨器力学特性仿真结果表3静强度仿真结果

表4随机振动仿真结果纵向、横向、垂向载荷VonMises应力/MPa（不锈钢材料部分）S0155.23S0258.26S0329.25S0428.01横向、垂向、纵向载荷骨架不锈钢材料部分最大1σ应力/MPa纵向7.25垂向27.37横向11.13

S01工况

S02工况

S03工况

S04工况图4雨刮器静强度应力分布云图

图5雨刮器前四阶模态振型云图

纵向

垂向横向图6随机振动时1σ应力分布通过上面静强度、模态和随机振动疲劳分析结果可以看出：（1）刮雨器静强度分析不锈钢结构件最大应力58.26MPa，小于06Cr19Ni10材料的屈服强度205MPa，满足标动设计要求。（2）第一阶振动频率为36.97Hz。（3）横向、垂向和纵向随机振动的06Cr19Ni10材料部分最大1σ应力分别为7.25MPa、27.37MPa和11.13MPa，三个方向的疲劳损伤之和小于1，疲劳强度均满足要求。综上所述，雨刮器系统符合TB/T1335-1996《铁道车辆强度设计及实验鉴定规范》规定的静强度设计要求，符合GB/T21563-2018《轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验》规定的长寿命振动要求。3.2多种运行工况下的列车刮雨器空气动力学力学特性仿真与速度较低的普通汽车刮雨器不同，高速列车的刮雨器需要考虑空气动力学对其性能的影响。开展刮雨器空气动力学仿真，掌握刮雨器在不同位置时，对挡风玻璃的真实压力及分布情况，为高速列车刮雨器动态性能测试试验台的压力模拟提供依据。图7高速列车雨刮器外流场分析图3.2.1刮雨器空气动力学力学特性仿真内容本文采用有限体积法(FVM)进行数值计算，把计算区域分为n个小的区域，分别进行积分，以求离散化，用差分的形式导出离散式，兼备了有限元法和差分法的性质。考虑动车组的速度，流动属不可压流体力学范畴，计算中采用的数学模型是N-S(纳维尔-斯托克斯)方程组，离散后求解。根据复兴号标动典型速度及后续雨刮器可能应用的车型，本次仿真计算以下5个速度等级：200km/h、250km/h、300km/h、350km/h、400km/h,其对应的仿真的进口风速分别为55.5m/s、69.4m/s、83.3m/s、97.2m/s、111.1m/s(进风速度为350*1000/3600=97.2m/s，试验一般要求试验风速至少不低于动车组的最大车速。设风洞入口边界条件为umax=111.1mm/s，出口边界条件为白由条件，空气的密度为1.225kg/m3，计算中不考虑温度的影响。由于计算机硬件条件的限制，采用Realizablek-Ɛ湍流模式和non-equilibriumwallfunctions壁面函数，紊动能kin和紊动能的耗散率Ɛin选用默认值，计算选择二阶迎风格式。速度与压力之间的耦合采用分离算法，从连续式中导出的压力修正式求压力修正量，从修正量中求速度。收敛判断条件的所有物理量的容差为1.0E-4，各个方程的松驰因子采用默认的设置。为了后续设计气动载荷加载机构和压力薄膜传感器，需要将刮片分成五段，如下图所示，建立局部坐标系，分别计算每段压片所受表面压力，通过所计算的压力用来模拟后续实际压力薄膜所测的压力。两个雨刮片总共分为10段，每段单独计算典型压力值，分别编号为1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、2-1、2-2、2-3、2-4、2-5，后续计算时单独输出每段压片所受表面压力随时间变化的曲线。图8刮片分割图3.2.2刮雨器空气动力学力学特性仿真结果图9雨刮器初始位置迎风面表面压力随列车速度变化曲线图10雨刮器初始位置背风面表面压力随列车速度变化曲线4结论1）基于有限元仿真技术，对高速列车刮雨器开展了基于TB1335静强度结构仿真分析、模态仿