CN108859771A - 基于多元耦合仿生的减阻降噪高速列车受电弓 - Google Patents
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Abstract
一种基于多元耦合仿生的减阻降噪高速列车受电弓，主要由绝缘子、底架、下臂杆、上臂杆、弓头和支架杆组成。下臂杆在绕流两侧表面分布球状突起结构；上臂杆在迎风侧表面分布锯齿凹槽结构；弓头在平直部分的正迎风表面分布柱状突起结构，在相邻柱状突起结构之间分布扁平通孔结构，在弯曲的弓角部分设置圆形通孔结构，在弓头整个下表面分布锯齿条纹结构；支架杆在中间平直杆分布环状锯齿结构，在两侧的弯曲杆部分布置非匀均穿孔结构。本发明采用了多种仿生耦元结构，仿生单元之间的相互耦合在受电弓表面起到整流和控制边界层分离的作用，从而显著降低空气阻力和气动噪声。
Description
技术领域
本发明属于轨道列车装备技术领域，具体涉及一种基于多元耦合仿生的减阻降噪高速列车受电弓。
背景技术
高速列车具有运输效率高、节能环保、安全快捷以及运输成本低等优点，在世界范围内引发了一场深刻的交通运输革命，高速列车逐渐成为各国优先发展的交通工具。但随着列车运行速度的提高，铁路引发的噪声也越来越大，对沿线周围环境会产生严重影响。铁路的噪声来源主要有轮轨噪声、空气动力噪声以及高架桥引起的桥梁结构噪声等。对于铁路车辆，据相关研究得出轮轨滚动噪声级一般与30lgV（V是车速）成正比，而气动噪声与60lgV成正比，气动噪声随速度增加更快。据高速列车噪声统计分析发现，当列车速度超过300km/h后，气动噪声级将逐渐超过滚动噪声级，超过约350km/h后，气动噪声将占居主要成份。
高速列车的气动噪声主要来自于列车转向架、车厢间间隙以及受电弓处，而受电弓位于车顶，其在运行过程中产生的气动噪声会向周围环境自由辐射，成为高速列车中主要的气动噪声来源。受电弓由多种杆件、多个圆柱形装置组成，高速列车运行过程中环绕这些装置的脱落涡会产生明显的有调噪声，而其中受电弓弓头的气动噪声最为显著。国内外学者对受电弓的气动噪声展开了大量仿真和实验研究。部分学者通过减少受电弓杆件和加装受电弓导流罩来达到减阻降噪的目的，但加装导流罩的方式降噪效果有限，而减少杆件会降低受电弓的结构稳定性，并增加受电弓的技术难度。而另有部分学者通过改变受电弓的表面结构来达到减阻降噪的效果，如公布号为CN102166960A的发明专利中，提出了一种仿生降噪型高速受电弓，主要在支架杆的表面设置锯齿形条纹单元体用于降噪；而公布号为CN202011330U的实用新型专利中，提出了一种减阻降噪型高速受电弓，在受电弓上臂杆、下臂杆表面均匀分布球缺型凹坑表面，用于降低高速受电弓的空气阻力和气动噪声。但这两类受电弓仅采用一种仿生结构用于减阻降噪，难以达到显著的减阻降噪效果。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于多元耦合仿生的减阻降噪高速列车受电弓，在不改变受电弓常用结构的情况下，显著降低受电弓的空气阻力和气动噪声。
本发明采用如下技术方案：
一种基于多元耦合仿生的减阻降噪高速列车受电弓，主要由绝缘子（1）、底架（2）、下臂杆（3）、上臂杆（4）、弓头（5）、支架杆（6）组成。
所述的下臂杆（3）在绕流两侧表面分布球状突起结构（3-1），是以座头鲸前鳍的突起结构为原型的仿生结构，能使杆表面边界层的层流提前转捩为湍流，有效抑制边界层的分离，减少尾流中漩涡的产生，从而减少空气阻力和气动噪声。
所述的上臂杆（4）在迎风侧表面分布锯齿凹槽结构（4-1），是以鸮翼前缘锯齿形结构为原型的仿生结构，对来流具有整流作用，能有效降低气流噪声。
所述的弓头（5）在平直部分的正迎风表面分布柱状突起结构（5-3），用于整流和抑制流动的分离；在相邻柱状突起结构（5-3）之间分布扁平通孔结构（5-2），而在弯曲的弓角部分，考虑结构的工艺性，分布圆形通孔结构（5-4），其中通过气流，可以有效增加尾流回流区的动能，从而抑制尾流漩涡的产生；在弓头（5）整个下表面分布锯齿条纹结构（5-1），是以鸮翼表面的梳状结构为原型的仿生结构，条纹的方向与来流方向一致，起到整流和抑制尾流漩涡的作用；对于弓头（5）施加了多种仿生耦元结构，仿生单元之间的耦合作用使得受电弓弓头（5）的减阻降噪效果更加明显。
所述的支架杆（6）在中间平直杆分布环状锯齿结构（6-1），一方面对弓头（5）产生的漩涡进行抑制，另一方面也对流经支架杆（6）的气流进行整流，控制边界层的分离和涡流的产生；而在支架杆（6）两侧的弯曲杆部分布置非匀均穿孔结构（6-2），既适用于杆件结构需要，又可用于抑制两侧杆件尾流漩涡的产生。
本发明提出的减阻降噪高速列车受电弓，采用了多种仿生耦元结构，如鸮翼前缘的锯齿结构、鸮翼表面的梳状结构、座头鲸体表的球状突起结构以及中间通孔结构。在考虑结构工艺性的条件下运用多种仿生结构并进行合理的耦合，在受电弓表面起到整流和控制边界层分离的作用，从而显著降低空气阻力和气动噪声。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
（1）本发明结构未改变常规受电弓结构，通过在受电弓杆件表面设计仿生结构来控制表面边界层的分离以及杆件尾涡的脱落，从而有效降低受电弓的空气阻力和气动噪声；
（2）本发明受电弓的弓头采用多元耦合仿生，在考虑结构工艺性的条件下运用多种仿生结构并进行合理的耦合，从而显著降低气动噪声，减少对环境的干扰；
（3）本发明受电弓表面仿生结构充分考虑了结构工艺性，制造简单，易于实现。
附图说明
图1为本发明的基于多元耦合仿生的减阻降噪高速列车受电弓。
图2为本发明受电弓的下臂杆。
图3为本发明受电弓的上臂杆。
图4为本发明受电弓的弓头。
图5为本发明受电弓的支架杆。
图中：1为绝缘子；2为底架；3为下臂杆；4为上臂杆；5为弓头；6为支架杆；3-1为球状突起结构；4-1为锯齿凹槽结构；5-1为锯齿条纹结构；5-2为扁平通孔结构；5-3为柱状突起结构；5-4为圆形通孔结构；6-1为环状锯齿结构；6-2为非匀均穿孔结构。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。
如附图1所示，本发明主要由绝缘子1、底架2、下臂杆3、上臂杆4、弓头5、支架杆6组成。
如附图2所示，下臂杆3在绕流两侧表面分布球状突起结构3-1。球状突起结构3-1分布于来流方向的两侧面，对杆件绕流产生作用；球状突起结构3-1沿杆轴向呈均匀带状分布，突起高度为3-6mm，直径5-10mm,间距5-20mm。
如附图3所示，上臂杆4在迎风侧表面分布锯齿凹槽结构4-1，对来流起整流作用；锯齿凹槽结构4-1沿上臂杆4轴向方向密排分布，槽深2-4mm，槽宽3-6mm。
如附图4所示，弓头5在平直部分的正迎风表面分布柱状突起结构5-3，柱状突起结构5-3长度为20mm左右，直径6-10mm，并在边缘处进行2-4mm的倒角处理；在相邻柱状突起结构5-3之间分布扁平通孔结构5-2，扁平通孔结构5-2长度为25-40mm，宽度为10-16mm，并在边缘进行倒角处理；在弯曲的弓角部分，考虑结构的工艺性，分布圆形通孔结构5-4，直径为10-16mm，边缘进行2-4mm的倒角处理；在弓头5整个下表面分布锯齿条纹结构5-1，条纹的方向与来流方向一致，锯齿条纹结构5-1的宽度为4-8mm，高度1-4mm。
如附图5所示，支架杆6在中间平直杆分布环状锯齿结构6-1，环状锯齿结构6-1的宽度为4-8mm，高度为1-4mm；在支架杆6两侧的弯曲杆部分布置非匀均穿孔结构6-2，非均匀穿孔结构6-2的宽度为8-16mm，长度为10-40mm，并根据弯曲杆部分的结构特征来确定穿孔分布。
本发明提出的减阻降噪高速列车受电弓，采用了多种仿生耦元结构，仿生单元之间的相互耦合在受电弓杆件表面起到整流和控制边界层分离的作用，从而显著降低空气阻力和气动噪声。
以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，且本发明不限于上述的实施例，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于多元耦合仿生的减阻降噪高速列车受电弓，主要由绝缘子（1）、底架（2）、下臂杆（3）、上臂杆（4）、弓头（5）、支架杆（6）组成，其特征在于受电弓杆件表面运用多种仿生耦元结构，在考虑结构工艺性的条件下进行多元耦合，起到整流和控制边界层分离的作用，从而显著降低空气阻力和气动噪声。
2.按权利要求1所述的基于多元耦合仿生的减阻降噪高速列车受电弓，其特征在于所述下臂杆（3）在绕流两侧表面分布球状突起结构（3-1）；
球状突起结构（3-1）分布于来流方向的两侧面，对绕流产生作用；球状突起结构（3-1）沿杆件轴向呈均匀带状分布，突起高度为3-6mm，直径5-10mm,间距5-20mm。
3.按权利要求1所述的基于多元耦合仿生的减阻降噪高速列车受电弓，其特征在于上臂杆（4）在迎风侧表面分布锯齿凹槽结构（4-1），对来流起整流作用；锯齿凹槽结构（4-1）沿上臂杆（4）轴向方向密排分布，槽深2-4mm，槽宽3-6mm。
4.按权利要求1所述的基于多元耦合仿生的减阻降噪高速列车受电弓，其特征在于弓头（5）在平直部分的正迎风表面分布柱状突起结构（5-3），柱状突起结构（5-3）长度为20mm左右，直径6-10mm，并在边缘处进行2-4mm的倒角处理；在相邻柱状突起结构（5-3）之间分布扁平通孔结构（5-2），扁平通孔结构（5-2）长度为25-40mm，宽度为10-16mm，并在边缘进行倒角处理；在弯曲的弓角部分，考虑结构的工艺性，分布圆形通孔结构（5-4），其直径为10-16mm，边缘进行2-4mm的倒角处理；在弓头（5）整个下表面分布锯齿条纹结构（5-1），条纹的方向与来流方向一致，锯齿条纹结构（5-1）的宽度为4-8mm，高度1-4mm。
5.按权利要求1所述的基于多元耦合仿生的减阻降噪高速列车受电弓，其特征在于支架杆（6）在中间平直杆分布环状锯齿结构（6-1），环状锯齿结构（6-1）的宽度为4-8mm，高度为1-4mm；在支架杆（6）两侧的弯曲杆部分布置非匀均穿孔结构（6-2），非均匀穿孔结构（6-2）的宽度为8-16mm，长度为10-40mm，并根据弯曲杆部分的结构特征来确定穿孔分布。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20181123 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |