基于空氣動力學(xué)的高速列車刮雨器動態(tài)性能測試試驗臺研發(fā)

基于空氣動力學(xué)的高速列車刮雨器動態(tài)性能測試試驗臺研發(fā)摘要：隨著高速列車的運行速度越來越高，了解和掌握列車高速運行時，其刮雨器的性能也越來越迫在眉睫。本文基于有限元結(jié)構(gòu)仿真和CFD仿真方法，通過對高速列車刮雨器的空氣動力學(xué)力學(xué)特性進(jìn)行仿真研究，確定高速列車刮雨器受不同風(fēng)載等工況下，刮片與擋風(fēng)玻璃之間的動態(tài)壓力；通過設(shè)計加載機(jī)構(gòu)，模擬實驗室中高速列車刮雨器不同工況，完成試驗臺的開發(fā)和高速列車刮雨器性能測試；根據(jù)試驗數(shù)據(jù)或結(jié)果，對刮雨器進(jìn)行可靠性分析，為刮雨器的維護(hù)和檢修提供依據(jù)。試驗結(jié)果表明基于空氣動力學(xué)的高速列車雨刮器動態(tài)性能測試試驗臺能有效解決傳統(tǒng)汽車級雨刮器測試裝置無法模擬高速列車長期高速運行時（時速達(dá)350km/h以上）產(chǎn)生的動態(tài)氣動載荷對頭車和尾車刮雨器電機(jī)和刮臂的疲勞失效和沖擊失穩(wěn)的問題，為后續(xù)更高速度高速列車雨刮器開發(fā)提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐和試驗支持，填補(bǔ)了國際國內(nèi)高速列車動態(tài)性能測試試驗臺開發(fā)的空白，具有里程碑意義。關(guān)鍵詞：空氣動力學(xué)；高速列車；刮雨器；動態(tài)性能測試0前言高速列車(如時速350公里中國標(biāo)準(zhǔn)動車組)，其刮雨器的動力部分采用的是直流有刷電機(jī)，電壓為DC110V。電機(jī)帶動刮雨器的刮臂和刮片作左右往復(fù)運動，達(dá)到清洗擋風(fēng)玻璃的作用。在清洗擋風(fēng)玻璃的過程中，擋風(fēng)玻璃清洗液經(jīng)水泵驅(qū)動，通過整合在刮臂上的軟管，利用噴嘴噴在擋風(fēng)玻璃上。刮雨器的狀態(tài)通常分為四種：關(guān)閉、間歇、慢速和快速。目前列車刮雨器試驗臺采用1:1比例模擬原車結(jié)構(gòu)，采用原裝玻璃，試驗臺內(nèi)部設(shè)置一套試驗工裝，用于雨刮器安裝；試驗臺內(nèi)部工作臺上配有工業(yè)計算機(jī)，用于刮雨器試驗軟件的編寫，存儲試驗數(shù)據(jù)及生成相應(yīng)的試驗報告。試驗臺外部配有能正常循環(huán)利用的水路及相應(yīng)防灑水裝置，不會造成試驗區(qū)域出現(xiàn)積水現(xiàn)象。圖1傳統(tǒng)雨刮器功能測試臺由于目前刮雨器試驗臺是靜態(tài)試驗，刮雨器試驗時未考慮相關(guān)空氣動力學(xué)的影響，不能真實模擬列車實際運行狀況。隨著列車運行速度的提高，列車的空氣動力對刮雨器的影響問題日益突出。雖然列車和汽車都是在地面上運行的交通工具，但是汽車所用刮雨器可以利用刮雨器靜態(tài)試驗臺進(jìn)行刮雨器性能測試，列車所用刮雨器卻不能完全采用刮雨器靜態(tài)試驗臺進(jìn)行刮雨器性能測試。主要原因是工況差別較大：(1)為提高列車的運行效率，縮短其運行時間，列車的運行速度大大高于汽車的運行速度。我國高速公路的最高速度一般為120Km/h，此時可以不考慮空氣動力學(xué)對汽車刮雨器性能的影響。我國提高列車的穩(wěn)定運行速度通常為350Km/h，這時不能不考慮空氣動力學(xué)對高速列車刮雨器性能的影響。(2)當(dāng)固定在軌道上的高速列車在復(fù)線上運行時，兩相對運行列車交匯時，不能不考慮刮雨器運行的空氣動力學(xué)力學(xué)特性。(3)當(dāng)高速列車過隧道及兩車交匯時，尤其不能不考慮刮雨器運行的空氣動力學(xué)力學(xué)特性。隨著高速列車的運行速度越來越高，了解和掌握列車高速運行時，其刮雨器的性能也越來越迫在眉睫。新型刮雨器動態(tài)試驗臺，主要是在模擬列車行駛過程中，頭車和尾車刮雨器受到空氣阻力影響及風(fēng)阻大小的基礎(chǔ)上，完成高速列車刮雨器性能的測試。1高速列車雨刮器結(jié)構(gòu)以時速350公里中國標(biāo)準(zhǔn)動車組為例，其刮雨器采用直流有刷電機(jī)傳動，由直流DC110V驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)生擺動運動，帶動安裝在擋風(fēng)玻璃的刮臂、刮片進(jìn)行左右的往復(fù)運動，達(dá)到清洗擋風(fēng)玻璃的作用。擋風(fēng)玻璃清洗液通過水泵和整合在刮臂上的軟管，通過噴嘴噴在擋風(fēng)玻璃上，以達(dá)到清洗擋風(fēng)玻璃的作用。圖2刮雨器總成如圖2所示，刮雨器系統(tǒng)主要部件組成清單:①刮片組件、②刮架組成、③刮臂組成、④驅(qū)動裝置組成、⑤接線箱組成、⑥刮雨器開關(guān)、⑦洗滌器、⑧液位顯示開關(guān)、⑨水泵、⑩軟管組成、⑾噴嘴組成、⑿接頭。機(jī)械原理：驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速經(jīng)過蝸輪蝸桿的減速增扭作用驅(qū)動主動刮臂，主動刮臂帶動四連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動從動刮臂，實現(xiàn)主駕駛、副駕駛的刮臂同步擺動，帶動雨刮片刮掃擋風(fēng)玻璃。電氣原理：通過控制選擇刮雨器旋鈕關(guān)閉、間歇、慢速和快速四個檔位，將電信號傳遞到PLC控制裝置，PLC控制驅(qū)動電機(jī)和水泵的開閉，刮雨器實現(xiàn)相應(yīng)的功能。2高速列車雨刮器動態(tài)性能測試試驗臺主要研究內(nèi)容通過對高速列車刮雨器的空氣動力學(xué)力學(xué)特性仿真，確定高速列車刮雨器受不同風(fēng)載等工況下，刮片與擋風(fēng)玻璃之間的壓力；通過設(shè)計加載機(jī)構(gòu)，模擬實驗室中高速列車刮雨器不同工況，完成試驗臺的開發(fā)和高速列車刮雨器性能測試；根據(jù)試驗數(shù)據(jù)或結(jié)果，對刮雨器進(jìn)行可靠性分析，為刮雨器的維護(hù)和檢修提供依據(jù)。2.1刮雨器空氣動力學(xué)仿真與速度較低的普通汽車刮雨器不同，高速列車的刮雨器需要考慮空氣動力學(xué)對其性能的影響。刮雨器空氣動力學(xué)仿真，掌握刮雨器在不同位置時，對擋風(fēng)玻璃的真實壓力及分布情況，為高速列車刮雨器動態(tài)性能測試試驗臺的壓力模擬提供依據(jù)。2.2刮雨器空間姿態(tài)分析為模擬高速列車刮雨器對擋風(fēng)玻璃的真實壓力，需要確切地知道刮雨器在運動過程中，在擋風(fēng)玻璃上的位置。通過建立合理的坐標(biāo)系，利用機(jī)械原理中機(jī)構(gòu)分析的方法，詳細(xì)分析刮雨器在該坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置。刮雨器在不同位置時對擋風(fēng)玻璃的壓力，及刮雨器的空間姿態(tài)，在相同的坐標(biāo)系描述，以方便后續(xù)的設(shè)計和處理。2.3刮雨器動態(tài)性能測試(加載機(jī)構(gòu)設(shè)計)方法構(gòu)思綜合刮雨器空氣動力學(xué)仿真結(jié)果和刮雨器空間姿態(tài)分析結(jié)果，通過合理的加載機(jī)構(gòu)設(shè)計，將各種情況下高速列車刮雨器對擋風(fēng)玻璃的真實壓力加載到刮雨器的各個空間位置。2.4試驗臺硬件選型和設(shè)計滿足空氣動力學(xué)試驗的高速列車刮雨器動態(tài)性能測試試驗臺設(shè)計及制作包括機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計。機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計要求擋風(fēng)玻璃的上蓋部分為可更換結(jié)構(gòu)，能自由替換為不同車型的擋風(fēng)玻璃上蓋?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計主要考慮相關(guān)參數(shù)的測量，如刮雨器在擋風(fēng)玻璃上的位置或角度、刮雨器在不同位置時對擋風(fēng)玻璃的壓力等，及其實現(xiàn)。具體試驗臺設(shè)計及其附件選型，應(yīng)根據(jù)不同車型擋風(fēng)玻璃及其上蓋的類型、尺寸、安裝要求等確定。2.5試驗臺控制軟件開發(fā)包括上位機(jī)程序和下位機(jī)程序。上位機(jī)程序界面友好、操作方便，具有手動和自動操作界面，可添加和修改有關(guān)參數(shù)，導(dǎo)出分析報表。2.6試驗臺性能測試?yán)弥谱鞯脑囼炁_進(jìn)行相關(guān)性能進(jìn)行測試，主要包括驗證或試驗比較刮雨器空氣動力學(xué)仿真結(jié)果，耐久性試驗等。其他參數(shù)，如刮雨器結(jié)構(gòu)件的速度、加速度、應(yīng)力、應(yīng)變、扭矩、位移等，不建議采集。一方面是意義不大，另一方面所加傳感器過多，設(shè)計復(fù)雜且影響整個測試效果。2.7刮雨器可靠性分析根據(jù)耐久性試驗，對刮雨器進(jìn)行FMEA分析，供刮雨器設(shè)計或改進(jìn)參考。3高速列車雨刮仿真分析主要內(nèi)容3.1刮雨器力學(xué)特性仿真3.1.1刮雨器力學(xué)特性仿真內(nèi)容按照軌道交通行業(yè)常規(guī)結(jié)構(gòu)仿真流程對雨刮器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行摸底.，包括基于TB1335或EN12663靜強(qiáng)度結(jié)構(gòu)仿真分析、模態(tài)仿真分析、基于IEC61373標(biāo)準(zhǔn)半波正弦沖擊仿真分析和隨機(jī)振動仿真分析。靜強(qiáng)度分析根據(jù)TB/T1335-1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及實驗鑒定規(guī)范》規(guī)定的載荷——客車車體內(nèi)外設(shè)備及其緊固零件應(yīng)按相當(dāng)于下列加速度的慣性力進(jìn)行強(qiáng)度考核，具體分析工況如表1所示，其中g(shù)為重力加速度。此時所產(chǎn)生的三個方向的合成應(yīng)力不得大于材料的屈服極限。表1雨刮器靜強(qiáng)度分析工況工況縱向載荷垂向載荷橫向載荷S01-3g3g-1gS02-3g3g1gS033g3g-1gS043g3g1g表2列出設(shè)備箱體各部位材料的基本力學(xué)特性。表2設(shè)備箱體材料的基本力學(xué)特性材料使用部位彈性模量[GPa]屈服強(qiáng)度[MPa]密度[ton/mm3]泊松比不銹鋼(06Cr19Ni10)刮雨器主要結(jié)構(gòu)件2062057.85E-90.28模態(tài)分析是計算雨刮器結(jié)構(gòu)固有頻率和確定雨刮器結(jié)構(gòu)的振動形式，從而判斷結(jié)構(gòu)的整體或局部剛度。除安裝座約束外，不用施加載荷。隨機(jī)振動分析采用GB/T21563-2018《軌道交通機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動試驗》中模擬長壽命試驗中加速度比例系數(shù)取5.66，其所規(guī)定的ASD頻譜（見圖2）。設(shè)備應(yīng)該經(jīng)受總共15h的試驗，三個互相垂直的方向分別做5h。疲勞分析是在隨機(jī)振動分析得到結(jié)構(gòu)1σ、2σ、3σVonMises最大應(yīng)力的基礎(chǔ)上，利用材料的P-S-N曲線，并根據(jù)Steinberg理論（結(jié)構(gòu)在隨機(jī)載荷作用下的響應(yīng)是基于高斯分布）和Miner線性疲勞累計損傷理論進(jìn)行計算，從而對雨刮器的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)估。圖21類—A級—車體安裝—ASD頻譜假設(shè)材料為各向同性材料。在上述分析類型中為小變形、彈性分析類型，不考慮接觸等非線性行為。按照Steinberg提出的基于高斯分布和Miner線性累計損傷定律的三區(qū)間法進(jìn)行隨機(jī)疲勞計算。應(yīng)力區(qū)間發(fā)生的時間-1~+1

68.3%的時間-2~+2

27.1%的時間-3~+34.33%的時間總計99.73%

圖3隨機(jī)振動高斯應(yīng)力概率分布圖大于3的應(yīng)力僅僅發(fā)生在0.27%的時間內(nèi)，假定其不造成任何損傷。在利用Miner定律進(jìn)行疲勞計算時，將應(yīng)力處理成上述3個水平，總體損傷的計算公式就可以寫成：其中，、和分別表示級別為、和的疲勞循環(huán)次數(shù)，、和分別為對應(yīng)應(yīng)力級別的允許循環(huán)次數(shù)，可以由S-N曲線得到。為統(tǒng)計頻率，可由如下公式得到其中，和分別為速度和位移的均方根。假設(shè)材料為各向同性材料。在上述分析類型中為小變形、彈性分析類型，不考慮接觸等非線性行為。3.1.2刮雨器力學(xué)特性仿真結(jié)果表3靜強(qiáng)度仿真結(jié)果

表4隨機(jī)振動仿真結(jié)果縱向、橫向、垂向載荷VonMises應(yīng)力/MPa（不銹鋼材料部分）S0155.23S0258.26S0329.25S0428.01橫向、垂向、縱向載荷骨架不銹鋼材料部分最大1σ應(yīng)力/MPa縱向7.25垂向27.37橫向11.13

S01工況

S02工況

S03工況

S04工況圖4雨刮器靜強(qiáng)度應(yīng)力分布云圖

圖5雨刮器前四階模態(tài)振型云圖

縱向

垂向橫向圖6隨機(jī)振動時1σ應(yīng)力分布通過上面靜強(qiáng)度、模態(tài)和隨機(jī)振動疲勞分析結(jié)果可以看出：（1）刮雨器靜強(qiáng)度分析不銹鋼結(jié)構(gòu)件最大應(yīng)力58.26MPa，小于06Cr19Ni10材料的屈服強(qiáng)度205MPa，滿足標(biāo)動設(shè)計要求。（2）第一階振動頻率為36.97Hz。（3）橫向、垂向和縱向隨機(jī)振動的06Cr19Ni10材料部分最大1σ應(yīng)力分別為7.25MPa、27.37MPa和11.13MPa，三個方向的疲勞損傷之和小于1，疲勞強(qiáng)度均滿足要求。綜上所述，雨刮器系統(tǒng)符合TB/T1335-1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及實驗鑒定規(guī)范》規(guī)定的靜強(qiáng)度設(shè)計要求，符合GB/T21563-2018《軌道交通機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動試驗》規(guī)定的長壽命振動要求。3.2多種運行工況下的列車刮雨器空氣動力學(xué)力學(xué)特性仿真與速度較低的普通汽車刮雨器不同，高速列車的刮雨器需要考慮空氣動力學(xué)對其性能的影響。開展刮雨器空氣動力學(xué)仿真，掌握刮雨器在不同位置時，對擋風(fēng)玻璃的真實壓力及分布情況，為高速列車刮雨器動態(tài)性能測試試驗臺的壓力模擬提供依據(jù)。圖7高速列車雨刮器外流場分析圖3.2.1刮雨器空氣動力學(xué)力學(xué)特性仿真內(nèi)容本文采用有限體積法(FVM)進(jìn)行數(shù)值計算，把計算區(qū)域分為n個小的區(qū)域，分別進(jìn)行積分，以求離散化，用差分的形式導(dǎo)出離散式，兼?zhèn)淞擞邢拊ê筒罘址ǖ男再|(zhì)。考慮動車組的速度，流動屬不可壓流體力學(xué)范疇，計算中采用的數(shù)學(xué)模型是N-S(納維爾-斯托克斯)方程組，離散后求解。根據(jù)復(fù)興號標(biāo)動典型速度及后續(xù)雨刮器可能應(yīng)用的車型，本次仿真計算以下5個速度等級：200km/h、250km/h、300km/h、350km/h、400km/h,其對應(yīng)的仿真的進(jìn)口風(fēng)速分別為55.5m/s、69.4m/s、83.3m/s、97.2m/s、111.1m/s(進(jìn)風(fēng)速度為350*1000/3600=97.2m/s，試驗一般要求試驗風(fēng)速至少不低于動車組的最大車速。設(shè)風(fēng)洞入口邊界條件為umax=111.1mm/s，出口邊界條件為白由條件，空氣的密度為1.225kg/m3，計算中不考慮溫度的影響。由于計算機(jī)硬件條件的限制，采用Realizablek-?湍流模式和non-equilibriumwallfunctions壁面函數(shù)，紊動能kin和紊動能的耗散率?in選用默認(rèn)值，計算選擇二階迎風(fēng)格式。速度與壓力之間的耦合采用分離算法，從連續(xù)式中導(dǎo)出的壓力修正式求壓力修正量，從修正量中求速度。收斂判斷條件的所有物理量的容差為1.0E-4，各個方程的松馳因子采用默認(rèn)的設(shè)置。為了后續(xù)設(shè)計氣動載荷加載機(jī)構(gòu)和壓力薄膜傳感器，需要將刮片分成五段，如下圖所示，建立局部坐標(biāo)系，分別計算每段壓片所受表面壓力，通過所計算的壓力用來模擬后續(xù)實際壓力薄膜所測的壓力。兩個雨刮片總共分為10段，每段單獨計算典型壓力值，分別編號為1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、2-1、2-2、2-3、2-4、2-5，后續(xù)計算時單獨輸出每段壓片所受表面壓力隨時間變化的曲線。圖8刮片分割圖3.2.2刮雨器空氣動力學(xué)力學(xué)特性仿真結(jié)果圖9雨刮器初始位置迎風(fēng)面表面壓力隨列車速度變化曲線圖10雨刮器初始位置背風(fēng)面表面壓力隨列車速度變化曲線4結(jié)論1）基于有限元仿真技術(shù)，對高速列車刮雨器開展了基于TB1335靜強(qiáng)度結(jié)構(gòu)仿真分析、模態(tài)仿