雪粒沉积与预防：转向架区域吹气方案评估

4. 雪粒沉积与预防

4.1 雪粒的空间分布

雪粒在转向架区域的空间分布（平面1）如图10所示，其中方案1和方案2的吹气速度均为4 m/s。雪粒在空间突然扩张和轮对旋转的作用下进入转向架区域，在转向架2和转向架3区域，由于转向架区域的流速相对较低，雪粒不易随气流流出转向架区域，而是在低速区和涡旋区滞留；由于雪粒从列车鼻尖底部释放，部分雪粒黏附或者停留在转向架1和转向架2区域后，剩下的雪粒才跟随气流运动至转向架3区域，所以转向架3区域的雪粒含量相对较少。此外，转向架1区域的流速偏高，气流携带雪粒运动的能力较强，雪粒能较易流出转向架区域，但仍存在部分低速区，故转向架1区域的雪粒空间分布并不像转向架2区域和转向架3区域那样分散，而是主要集中在某一区域，该类区域的雪粒浓度远高于1×10−4 kg/m3。

在转向架1区域，原始模型中的雪粒上扬现象特别明显，最终能基本填充整个转向架区域；方案2中，雪粒虽然能在上扬至转向架舱上表面，但吹气口附近基本没有雪粒停留，转向架顶部的雪粒浓度相较于原始模型有所降低；而在方案1中，雪粒上扬的高度基本与制动盘顶部的高度持平，对抑制雪粒上扬的作用更加突出。在转向架2和转向架3区域，由于气流流速较低，在两种吹气方案中，整个空间中向上运动的气流被明显抑制，导致气流无法携带雪粒进入转向架区域，其顶部基本没有雪粒分布，吹气带来的效果更加明显。因此，方案1和方案2降低了转向架区域的雪粒浓度，可有效减少转向架表面的积雪量。

4.2 雪粒的沉积

图11（a）为原始模型和两设计方案在吹气速度为4 m/s情况下转向架2的表面积雪分布，可以很明显的看出，转向架表面的积雪分布与转向架表面摩擦风速相关，即图6-6中的蓝色区域基本吻合图6-9（a）中的红的区域，表明该类区域的雪粒能够稳定沉积在转向架表面；相反，在摩擦风速大于1 m/s的区域，没有雪粒黏附在转向架表面。此外，尽管方案2针对关键部件进行吹气设计，但可以明显看出，方案2在制动夹钳和空气弹簧等部件上的积雪现象比方案1严重。

图11（b）为方案1在吹气速度为1～3 m/s情况下转向架2的表面积雪分布。随着吹气速度的增加，转向架表面的积雪量迅速减少，在靠近吹气口的位置，比如构架上表面和制动夹钳上表面等，基本没有积雪现象发生。吹气导致积雪主要发生在转向架下表面，诸如构架横梁、空气弹簧安装座和一系垂向减振器安装座等区域，该类区域的几何特征为平坦和拐角，吹气并不能促使其表面的雪粒向下运动以离开转向架区域。

4.3 吹气方案评估

4.3.1 防雪率评估

如4.2节中所述，吹气方案1所带来的防雪效果更加明显，但方案1的送风量比较大，所需能耗也就越高，需对两种方案的防雪效果进行评估，比较两种方案在单位送风量下的总防雪率RTi和关键部件（除了枕梁和构架以外的所有部件）防雪率RKi，两个防雪率的定义为：

RTi = ΔM / (VIN * SIN)
RKi = ΔMK / (VIN * SIN)

式中，下标i表示转向架的位置，下标T表示转向架的所有部件，下标K表示转向架的关键部件；ΔM表示积雪减少的量，M为原始模型的积雪量；VIN表示吹气速度；SIN表示吹气口面积，见表6-3；RTi和RKi的单位为s/m3，含义为单位送风量减少积雪的比例，以图6-10（c）中方案1为例，当吹气速度为4 m/s时，1 m3/s的送风量可减少转向架3区域3.45%的积雪量。

图12（a）～12（b）为两种方案减少的积雪量比例，可以看出，在吹气速度增加的情况下，不管是转向架总积雪量还是关键部件的积雪量，积雪减少的比例逐渐增加；从图12（c）～12（d）中可以看出，RTi和RKi并没有随吹气速度增加而增加，而是在吹气速度为2 m/s或3 m/s达到最大值，方案2在关键部件的防雪率的效果也并没有完全比方案1的防雪效果好，其仅在转向架3关键部件的防雪效果较为突出。此外，各转向架的防雪率从大到小排序依次为转向架3、转向架2和转向架1，这是因为转向架1的气流流速最高，雪粒的运动速度也相对较高，吹气并不能显著改变雪粒的运动轨迹。

综上所述，方案1的防雪效果优于方案2，但方案1的吹气面积较大，在相同送风速度下，需要消耗更多的能量；同理，若减小吹气口的面积，在额定的送风量下可增加送风速度，也能起到防雪的效果。因此，仅从单位送风量来评估两种方案防雪效果的优劣有所欠缺，还需综合能量消耗来评判。

4.3.2 列车能耗评估

为了不给列车增加过多的能耗，根据国家标准，对于机械通风系统，在送风量大于10000 m3/h时，单位风量耗功率Ws不宜大于0.27 W/（m3/h）。结合本文计算模型，比较头车两个转向架区域送风量增加的最大能耗功率W1和头车的减阻所节省的功率W2的关系，其中W1与W2的表达式如下：

W1 = VIN^3 * SIN
W2 = F * V

式中，F为头车减小的阻力值，W1与W2的单位为kW，W1与W2的差值即为设计方案所增加的耗功率，记为W3。类似式3，定义单位耗功率下的转向架的总防雪率RET和转向架关键部件的防雪率REK：

RET = RTi / W1
REK = RKi / W1

RET和REK的单位为1/kW，含义为单位耗功率减少积雪的比例，以图6-11（b）中方案1为例，当吹气速度为4 m/s时，头车能耗增加1 kW的情况下可减少6.96%的积雪量。从图13（a）中可以看出，吹气将带来额外的功耗，与方案2对比，方案1在吹气速度大于2.5 m/s时增加的功耗较小，在吹气速度小于2.5 m/s时增加的功耗较大。从图13（b）中可以看出，随着吹气速度的增加，列车减阻所节约的功率能使得能量利用率提升，在单位功率下能防止更多的积雪。此外，不管是转向架总防雪率还是转向架关键部件防雪率，在消耗同等功率的情况下，方案1的防雪效果均优于方案2。因此可以得出结论，方案1的防雪效果优于方案2，在吹气设计中，可在列车能耗允许范围内，提高吹气速度。