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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
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