楊 超，康明明，朱穎謀，陳揚(yáng)帆

(中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

電力機(jī)車具有高效率、無污染、噪聲小等眾多優(yōu)勢，當(dāng)前，大功率交流傳動電力機(jī)車成為干線貨運(yùn)和快速客運(yùn)牽引的主力，電力機(jī)車保有量占國內(nèi)機(jī)車保有總量的64%。電力機(jī)車的核心在“電”，電力機(jī)車的運(yùn)行依靠受電弓從接觸網(wǎng)獲取的高壓電作為動力源，依次經(jīng)過避雷器、高壓電纜總成等高壓設(shè)備組成的網(wǎng)側(cè)電路后進(jìn)入機(jī)車各個電氣部件。車頂高壓設(shè)備是電力機(jī)車獲取能量的第一步，因此電力機(jī)車車頂高壓設(shè)備的質(zhì)量將直接影響機(jī)車運(yùn)行的品質(zhì)。目前，電力機(jī)車車頂高壓設(shè)備主要包括受電弓、避雷器和高壓電纜總成等高壓設(shè)備，具體如圖1所示。

圖1 電力機(jī)車車頂高壓設(shè)備

1 問題提出

電力機(jī)車頂部高壓設(shè)備布置在車外，工作環(huán)境較為復(fù)雜。目前，廣泛應(yīng)用于避雷器、高壓電纜總成等高壓設(shè)備的防護(hù)方案是在高壓設(shè)備與機(jī)車車頂?shù)陌惭b座之間包裹一層絕緣護(hù)套。一是可以增加爬電距離，提高安全性；二是可以有效防護(hù)空氣中的污染物對安裝部位的侵蝕。絕緣護(hù)套根據(jù)設(shè)備與安裝座之間的形狀進(jìn)行設(shè)計制造，并包裹在連接部位，如高壓電纜總成絕緣護(hù)套(見圖2)。

在長期運(yùn)行過程中，既有的絕緣護(hù)套防護(hù)方式存在以下不足：絕緣護(hù)套是橡膠材質(zhì)，材質(zhì)柔軟，橡膠護(hù)套下沿在有外力拉動護(hù)套的情況下，存在貼合不嚴(yán)的情況，護(hù)套受力點與部件距離可達(dá)20 mm；在機(jī)車運(yùn)行時，絕緣套會受到走行風(fēng)的壓力作用，使得橡膠護(hù)套下沿存在貼合不嚴(yán)、存在間隙，空氣中的污染物也隨氣流進(jìn)入絕緣護(hù)套內(nèi)部堆積。隨著污染物的堆積，如果維護(hù)不及時，可能產(chǎn)生避雷器和高壓電纜總成等高壓設(shè)備故障，因此需要對電力機(jī)車車頂高壓設(shè)備的絕緣防護(hù)套進(jìn)行升級。

圖2 高壓電纜總成下線套管及其絕緣護(hù)套

2 優(yōu)化方案

高壓部件的絕緣護(hù)套采用“包裹”似的安裝方式，即高壓設(shè)備與車頂安裝座連接緊固以后，將絕緣護(hù)套覆蓋在安裝部位處。原有方案是絕緣護(hù)套覆蓋后，直接擰緊絕緣護(hù)套緊固面的螺栓，其他無特殊處理，因此，絕緣護(hù)套在機(jī)車運(yùn)行過程中會產(chǎn)生間隙。圖3為既有絕緣護(hù)套和安裝效果。

基于前文分析，絕緣護(hù)套在機(jī)車運(yùn)行過程中受到走行風(fēng)的壓力作用，使得橡膠護(hù)套下沿貼合不嚴(yán)。因此優(yōu)化方案圍繞將絕緣護(hù)套和車頂固定在一起的方式進(jìn)行。一是絕緣護(hù)套的底部(與機(jī)車頂蓋接觸部位)增加翻邊，增加絕緣護(hù)套底部和車頂?shù)慕佑|面；二是絕緣護(hù)套覆蓋安裝部位后，使用專用膠水將絕緣護(hù)套的翻邊與頂蓋粘接在一起；三是為避免絕緣護(hù)套內(nèi)部積水，在底部留排水孔。圖4為優(yōu)化后的絕緣護(hù)套和安裝效果。

圖3 既有絕緣護(hù)套和安裝效果

圖4 優(yōu)化后的絕緣護(hù)套和安裝效果

3 仿真驗證

為檢驗優(yōu)化方案對改善絕緣護(hù)套內(nèi)部流場的效果，基于ANSYS系列軟件對機(jī)車車頂?shù)母邏弘娎|總成、避雷器等設(shè)備的絕緣護(hù)套在優(yōu)化前后的流場進(jìn)行仿真分析。

3.1 計算工況

仿真基于車頂3個典型的高壓部件絕緣套是否進(jìn)風(fēng)開展仿真分析，仿真計算分為橡膠護(hù)套下沿存在貼合不嚴(yán)和絕緣套下部粘接貼合嚴(yán)實且留有排水孔2種情況，每種情況計算4個速度等級，匯總后的仿真工況參數(shù)如表1所示。

表1 仿真計算工況

3.2 模型簡化和幾何建模

高壓部件橡膠護(hù)套下沿在有外力拉動護(hù)套的情況下，存在貼合不嚴(yán)的情況時，護(hù)套受力點與部件距離可達(dá)20～30 mm。在機(jī)車運(yùn)行時，絕緣套會受到走行風(fēng)的壓力作用，使得橡膠護(hù)套下沿貼合不嚴(yán)實，但是由于走行風(fēng)作用力有限，根據(jù)分析后對橡膠護(hù)套下沿貼合不嚴(yán)實時的間隙初步估計為20 mm，相應(yīng)的絕緣套內(nèi)部各個接觸面也會由于變形也會與高壓部件存在不同程度的貼合不嚴(yán)實，經(jīng)分析后給定間隙2～5 mm，間隙大小以離下沿的距離增加而遞減。高壓部件橡膠護(hù)套與部件貼合情況幾何模型如圖5所示。

圖5 高壓部件橡膠護(hù)套與部件貼合情況幾何模型圖

3.3 計算模型

仿真計算時，需要把高壓部件及其橡膠護(hù)套放在車頂外流場的空氣域中考慮，分析在列車運(yùn)行時空氣從絕緣套下沿進(jìn)入絕緣套與部件之間的間隙情況。因此，仿真建模時，只需要考慮空氣域即可，根據(jù)需要計算各部件的尺寸，給定外流場空氣域的尺寸為1 000 mm×600 mm×1 000 mm(高壓總成A為傾斜安裝，其高度為800 mm)，建模時將部件和絕緣套所占空間掏空，留下空氣域即為計算域，如圖6所示。

圖6 高壓部件橡膠護(hù)套進(jìn)風(fēng)仿真計算域

為了實現(xiàn)數(shù)值計算，對計算域進(jìn)行離散化處理，網(wǎng)格總體示意圖如圖7所示，其中避雷器計算網(wǎng)格約600萬，高壓總成A網(wǎng)格約900萬，高壓總成B計算網(wǎng)格800萬。采用ANSYS系列軟件進(jìn)行前后處理，利用湍流模型，運(yùn)用基于有限體積法的商用計算流體動力學(xué)軟件進(jìn)行計算。

3.4 邊界條件設(shè)置

由于設(shè)備安裝在車頂開放區(qū)域，在選取足夠大的計算域情況下，可以將列車前進(jìn)方向的面設(shè)置為速度入口，車尾方向設(shè)置為壓力出口，側(cè)面和頂面設(shè)置為對稱邊界，模型底面也就是車頂蓋面設(shè)置為壁面。正常情況下，列車運(yùn)行時車頂處不同位置的列車走行風(fēng)會存在一定的差異，但是考慮到計算一致性，此處計算時，模型的入口速度假設(shè)為與列車運(yùn)行速度一致。

圖7 網(wǎng)格示意圖

3.5 計算結(jié)果與分析

根據(jù)表1仿真計算的6種工況進(jìn)行計算，結(jié)合目前客運(yùn)機(jī)車最高運(yùn)營速度為160 km/h的實際，重點分析在時速160 km/h下6種工況的仿真計算結(jié)果。

3.5.1 避雷器運(yùn)行時速160 km/h縫隙進(jìn)風(fēng)詳細(xì)情況

如圖8所示，在列車運(yùn)行時，由于走行風(fēng)影響，絕緣套迎風(fēng)面有較大的壓力，壓強(qiáng)值可達(dá)1 800 Pa以上，而在背風(fēng)面則形成了負(fù)壓區(qū)。在負(fù)壓區(qū)的作用下，絕緣套下沿未粘接時絕緣套與部件之間間隙進(jìn)風(fēng)明顯。從圖中氣流組織矢量圖也可以說明間隙中進(jìn)風(fēng)的情況。

圖8 時速160 km/h避雷器絕緣套下沿未粘接時的縫隙進(jìn)風(fēng)結(jié)果圖

如圖9所示，從整體外部流場粘接和未粘接的流場特性基本一致，但是在縫隙內(nèi)部，粘接后即使留有排水孔，縫隙間進(jìn)風(fēng)情況明顯減弱，內(nèi)部大部分區(qū)域的風(fēng)速都小于0.8 m/s，所以能有效抑制縫隙進(jìn)風(fēng)的情況。

圖9 時速160 km/h絕緣套下沿粘接時的縫隙進(jìn)風(fēng)結(jié)果圖

3.5.2 高壓電纜總成A絕緣護(hù)套運(yùn)行時速160 km/h縫隙進(jìn)風(fēng)情況

如圖10所示，在列車運(yùn)行時，由于走行風(fēng)影響，絕緣套迎風(fēng)面有較大的壓力，壓強(qiáng)值也是1 800 Pa左右，而在背風(fēng)面則形成了負(fù)壓區(qū)。在負(fù)壓區(qū)的作用下，絕緣套下沿未粘接時絕緣套與部件之間間隙進(jìn)風(fēng)明顯。從圖中氣流組織矢量圖也可以說明間隙中進(jìn)風(fēng)的情況。

圖10 時速160 km/h絕緣套下沿未粘接時的縫隙進(jìn)風(fēng)結(jié)果圖

如圖11所示，從整體外部流場分析粘接和未粘接流場特性基本一致，但是在縫隙內(nèi)部，粘接后即使留有排水孔，縫隙間進(jìn)風(fēng)情況明顯減弱，由于有排水孔進(jìn)風(fēng)的影響，在排水孔附近有一定的進(jìn)風(fēng)，內(nèi)部大部分區(qū)域的風(fēng)速都小于0.8 m/s。

圖11 時速160 km/h絕緣套下沿粘接時的縫隙進(jìn)風(fēng)結(jié)果圖

3.5.3 高壓電纜總成B絕緣護(hù)套運(yùn)行時速160 km/h縫隙進(jìn)風(fēng)情況

如圖12所示，在列車運(yùn)行時，由于走行風(fēng)影響，絕緣套迎風(fēng)面有較大的壓力，壓強(qiáng)值仍是1 800 Pa左右，而在背風(fēng)面則形成了負(fù)壓區(qū)。在負(fù)壓區(qū)的作用下，絕緣套下沿未粘接時絕緣套與部件之間間隙進(jìn)風(fēng)明顯。從圖中氣流組織矢量圖也可以說明間隙中進(jìn)風(fēng)的情況。

圖12 時速160 km/h絕緣套下沿未粘接時的縫隙進(jìn)風(fēng)結(jié)果圖

如圖13所示，從整體外部流場分析粘接和未粘接流場特性基本一致，但是在縫隙內(nèi)部，粘接后即使留有排水孔，縫隙間進(jìn)風(fēng)情況明顯減弱，內(nèi)部大部分區(qū)域的風(fēng)速都小于0.8 m/s，所以能有效抑制縫隙進(jìn)風(fēng)的情況。

圖13 時速160 km/h絕緣套下沿粘接時的縫隙進(jìn)風(fēng)結(jié)果圖

4 結(jié)論

1)針對避雷器、高壓電纜A總成、高壓電纜B總成等3個部件，在絕緣套受到外力作用后與部件本身存在貼合不嚴(yán)實情況時，如果下方貼合不嚴(yán)實存在20 mm的縫隙時，絕緣套與部件間間隙進(jìn)風(fēng)明顯，內(nèi)部間隙之間氣流流動明顯，并且內(nèi)部間隙氣流速度會隨著列車運(yùn)行速度增大而增大。

2)針對避雷器、高壓電纜A總成、高壓電纜B總成等3個部件，在絕緣套下沿粘接和只留排水孔時，仿真分析后，部件與絕緣套間隙氣流流動相比未粘接時明顯減弱，間隙上部出口處存在氣流速度，但是作用區(qū)域并不大，且相比未粘接時該處的氣流速度有所減小，所以絕緣套下沿粘接后對抑制部件與絕緣套之間間隙進(jìn)風(fēng)效果較好。

因此，后續(xù)電力車頂高壓設(shè)備的絕緣護(hù)套選型可按優(yōu)化方案進(jìn)行。