风向角对动车组用雨刷器的气动性能的影响研究

陈晓丽 晋永荣

（湖南铁道职业技术学院，湖南株洲 412000）

1 概述

雨刷器位于列车头部，当列车高速运行时，列车头部压缩空气的变化将会对雨刷器的运行造成一定的影响。

2 计算工况设置

本文研究大风对雨刷器运行安全性的影响, 对雨刷器在大风中运行的安全性进行评估，研究中选取列车速度分别为300km/h 与600km/h。选取风力为9～14 级，拟研究风力与雨刷器压力分布、受力的影响；选取不同风向角开展风向对雨刷器压力分布和受力的影响。研究中共设置28 个工况，如表1 所示。

表1 研究工况一览表

3 风向角对压力的影响

选取列车速度分别为300km/h，风力为10 级，分析雨刷器正面、背面和侧面压力分布情况。选取风向角依次为180°、150°、135°、120°、90°、60°、45°、30°、0°。

3.1 风向角对雨刷器正面压力分布的影响

图1 所示为列车以300km/h 速度在10 级大风环境下运行时，不同风向角对应的雨刷器正面压力分布，由图可见，压力正面分布最大的部位为雨刷器臂中部与雨刷支座台阶部位。

图1 雨刷器正面压力受风向角影响

图2 列车在10 级大风环境下运行时雨刷器正面测点受风向角影响变化趋势

3.2 风向角对雨刷器背面压力分布的影响

图3 所示为列车以300km/h 速度在10 级大风环境下运行时，不同风向角对应的雨刷器背面压力分布，由图可见，压力背面分布最大的部位为雨刷器臂中部。雨刷器支架下方存在明显的高压区。

图3 雨刷器背面压力受风向角影响

图4 所示为列车以300km/h 在10 级大风环境下运行时，雨刷器背面测点4、测点5、测点6、测点7 和测点8 压力随风向角变化而发生的变化趋势。

图4 列车以300km/h 在10 级大风环境下运行时雨刷器背面测点受风向角影响变化趋势

由图可见，首先，当列车以不同速度运行时，各测点的压力随风向角的变化趋势大致相同，随着风向角的逐渐减小，压力首先快速增大，大约在风向角为120°时取得最大压力值，然后压力开始缓慢下降，在0°时取得最小的压力值。其次，在雨刷器支架背部各测点数据来看，在各风向角下，测点8 的压力值明显高于其他测点的值，并且从测点8 开始，沿雨刷背部测点7、测点6、测点5、测点4，压力呈依次递减的趋势。

3.3 风向角对雨刷器侧面压力分布的影响

图5 所示分布为列车以300km/h 速度在10 级大风环境下运行时，不同风向角对应的雨刷器侧面压力分布。由压力云图可见，无论在何种风向角下，雨刷器臂中上部均为较大的正压区，随着风向角的变化，雨刷器支架上压力变化幅度较大。

图5 雨刷器侧面压力受风向角影响

在雨刷器臂与支架上布置测点如图6 所示，观察测点压力变化。由图可见，首先，当列车以不同速度运行时，各测点的压力随风向角的变化趋势大致相同，随着风向角的逐渐减小，压力首先快速增大，大约在风向角为120°时取得最大压力值，然后压力开始缓慢下降，在0°时取得最小的压力值。其次，无论风向角为多大，雨刷器臂部受侧向力（测点9）均明显大于支架测点（测点10、测点11、测点12）。从雨刷器支架测点数据来看，雨刷器下部（测点10）侧向力明显大于上部（测点12），中间部分（测点11）压力最小。

图6 列车以300km/h 在10 级大风环境下运行时雨刷器侧面测点受风向角影响变化趋势

3.4 风向角对雨刷器受力的影响分析

列车以300km/h 速度运行，风向角由180°逐渐减小到0°过程中，雨刷器受力随风向角变化趋势。首先，随着风向角的逐渐减小升力先增大后减小，大约在风向角为150°时取得最大值，然后逐渐降低，升力值依次为-25.72N、-39.75N、-37.86N、-36.32N、-22.45N、-14.69N、-13.92N、-13.47N、-6.25N。当风向角为180°和0°时，侧向力的方向与其他风向角时相反，随着风向角的逐渐降低，侧向力先增大后减小，在大约90°时取得最大值，侧向力值依次为-7.34N、116.07N、151.16N、169.8N、183.83N、136.94N、97.94N、58.38N、-2.28N。风向角逐渐减小的过程中，阻力先增大后减小，方向并未发生变化，大约在风向角为135°时取得最大值，阻力大小依次为116.68N、182.13N、199.24N、199.15N、177.39N、126.58N、97.66N、70.83N、28.47N。