高速列车受电弓减阻的风洞试验研究

　　摘要: 我国对列车气动阻力的研究主要考虑列车的头型、断面形状和底部外形等方面, 在受电弓减阻方面也主要是考虑受电弓的结构外形, 然而对于受电弓减阻的风洞试验研究比较少。为了获得某高速列车的空气动力特性, 并考察受电弓各种减阻措施的效果, 在中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所的 8 m 6 m 风洞中进行了列车模型的风洞试验, 在风洞试验中通过在受电弓前部安装各种导流罩和风挡来测试其对受电弓阻力的影响。试验结果表明: 受电弓的存在会对列车的气动阻力有约 3. 2% 的增加; 在头车尾部安装反向导流罩能有效的降低受电弓的气动阻力; 在受电弓前部安装风挡, 这种风挡在侧偏角为 0 时对受电弓的减阻有一定效果。

　　关键词: 受电弓; 气动特性; 风洞试验

　　高速列车是以空气为介质在地面上行驶, 空气会对列车及其受电弓产生空气动力作用。国内外相关科研部门和院校已广泛开展高速列车的空气动力特性研究, 结果表明[ 1] : 随着列车运行速度的提高, 阻力不断增大, 阻力与其速度的平方成正比。机车的气动外形, 机车表面的摩擦阻力, 机车车顶和车底外露附属装置等产生的阻力, 是构成高速机车运行阻力, 影响机车气动性能的几个方面。受电弓是置于电力机车顶部的传导电装置, 直接暴露在大气中, 对列车的气动阻力有较大影响。国外对高速列车受电弓的气动阻力进行了多次的研究, 法国 TGV 高速列车在 6车编组时受电弓的气动阻力占整列车气动阻力的 19% ; 德国 ICE 高速列车在长编组时, 受电弓的气动阻力占整列车气动阻力的7% ~ 9% [ 2- 3] 。然而受电弓的空气动力特性直接影响列车的受流质量, 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阻力、气动噪音的重要因素, 从而提高弓网使用寿命和保证运行安全[ 4- 5] 。

　　我国对列车气动阻力的研究主要是从列车的头型、断面形状和底部外形等方面入手。陈锐林等人在列车头型研究方面认为: 在无横风的情况下, 头车阻力: 椭球形为最小, 扁宽形为最大; 尾车阻力: 扁梭形为最小, 鼓宽形为最大; 列车总阻力: 以头车为椭球形而尾车扁梭形时为最小[ 6 ] 。田红旗等人通过对列车底部外形的研究得出在车体底部为底罩结构时, 全车阻力的减阻效果较好 [ 7] 。我国对于受电弓的减阻大多数采用数值模拟进行研究, 在受电弓减阻的风洞试验研究方面较少。

　　高速列车气动阻力特性的研究方法大致分为三类: 理论研究、数值模拟和风洞试验, 由于理论计算和数值模拟的复杂性, 风洞试验仍是当前的主要研究手段, 它既可以直接测定列车的气动力数据, 又可以验证理论分析和数值模拟的真实性和可靠性 [ 8- 9] 。受电弓的减阻研究主要从两方面入手: ( 1) 受电弓结构的优化; ( 2) 在受电弓基座处安装导流罩及其他结构[ 10] 。两方面都可以降低受电弓的气动阻力。本文主要研究在风洞试验中导流罩及其风挡对受电弓的减阻效果。

　　1 试验设备和列车模型

　　1. 1 风洞

　　试验在中国空气动力研究与发展中心低速所的 8 m 6 m 风洞第二试验段中进行。 8 m 6 m 风洞是一座开路式闭口串列双试验段的大型低速风洞, 第二试验段宽 8 m, 高 6 m , 长 15 m。为了模拟地面效应, 在试验中安装了列车试验专用地板, 地板上表面距风洞下洞壁 1. 06 m。地板中间为直径 7 m、可旋转 360 的转盘, 转盘中心距地板前缘 7. 84 m, 后缘 8. 26 m。安装列车试验地板后, 试验段变为长 16. 1 m、宽 8 m、高 4. 94 m、有效截面积 39. 2 m2。(相关阅读：风洞试验研究及其应用)

　　1. 2 模型