减阻降噪型绝缘子及具有其的高速列车受电弓

1.本发明属于电气化铁路机车技术领域，具体涉及一种减阻降噪型绝缘子及具有其的高速列车受电弓。


背景技术：

2.随着高速列车相关技术的快速提升，高速列车的方便、快捷、舒适且安全等诸多优点吸引着越来越多的乘客选择高速列车这一出行工具。但是随着高速列车运行速度的逐步提升，由此引发的气动噪声问题也渐渐地成为了列车运行过程中不容忽略的大问题。高速列车在运行过程中产生的噪声主要分为三大类，分别是：电气噪声、轮轨噪声和空气动力噪声。气动噪声是由于高速列车在运行的过程中，车体外形上各类部件与空气作用产生的。列车轮轨噪声与速度的三次方成正比，而列车气动噪声则与速度的六次方成正比。当高速列车以250km/h以上速度运行时，空气阻力占据列车总阻力的80％，气动噪声随列车运行速度增大而增大，并且超过轮轨噪声源，成为高速列车在运行过程中的主要噪声源。
3.高速列车产生气动噪声的来源有很多，主要包括弓网噪声，列车车厢与车厢连接处，转向架区域以及受电弓部位产生的噪声，不同位置产生气动噪声的原理也有一定的差异。受电弓安装在列车车顶之上，主要由碳滑板、弓角、支撑杆、上臂和支撑绝缘子等部件构成，主要部件的结构呈杆状，而高速运行时气流在柱体周围会产生绕流，这些气流与受电弓以及列车之间相互作用，最终会诱发强烈的气动噪声。目前有部分学者通过对受电弓加装导流罩来减少列车行使过程中的阻力，也有部分学者通过对受电弓支撑杆表面增设锯齿形条纹来降低运行过程中的噪声，但是这些方式降噪效果有限，所以亟需通过优化相应几何结构等方式改善受电弓周围流场特性以及气动噪声特性，降低受电弓产生的气动噪声，减少噪声污染。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种减阻降噪型绝缘子及具有其的高速列车受电弓，在最大程度的保留了受电弓原始结构的情况下，有效地降低受电弓整体产生的空气阻力以及气动噪声，相关结构制造简单，也易于实现。
5.本发明采用如下技术方案：一方面，本发明提供一种减阻降噪型绝缘子，绝缘子位于受电弓底部，将受电弓的安装底架与车顶装配在一起，所述的绝缘子为椭圆形柱体截面，迎着来流方向为长轴，垂直于来流方向为短轴；且受电弓绝缘子采用居中通孔设计，居中通孔沿着中轴线对称分布，通孔贯穿整个绝缘子。
6.另一方面，本发明提供一种高速列车受电弓，主要由碳滑板、弓角、支撑杆、上臂和绝缘子构成；碳滑板位于受电弓弓头的顶部，弓角位于碳滑板下方支撑杆的两端，上臂是受电弓连接支撑杆的部件，所述的绝缘子采用上述绝缘子的结构。
7.本发明与现有技术相比，具有如下优点：
8.1)受电弓碳滑板边缘处圆角结构的存在，使得气流流经碳滑板过渡较为平滑，湍
流流动大为减小，碳滑板产生的气动噪声也会随之减小；
9.2)受电弓绝缘子的椭圆形截面设计并增加通孔结构，使得该种类型截面绝缘子相比于圆柱形截面，流场下游出现的旋涡脱落涡街排列规则且稳定，脱落涡尺寸也更小。通孔结构的存在使得被通孔分离开的绝缘子上下两部分所形成的脱落涡在通孔中不会相互影响，在流场下游形成稳定的涡街，脉动压力更小，由此引发的气动噪声声压级也大为减小；
10.3)圆角设计与椭圆形通孔绝缘子的结构制造流程简单，工序较为简便，在工程上比较容易实现，在保留了受电弓原始结构的情况下，能够有效地降低受电弓表面的脉动压力，从而达到显著降低受电弓整体气动阻力以及相应气动噪声的优化目的。
附图说明
11.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附
12.图中：
13.图1为受电弓绝缘子示意图。
14.图2为受电弓绝缘子横截面示意图。
15.图3为受电弓绝缘子主视示意图。
16.图4为受电弓绝缘子左视示意图。
17.图5为本发明的基于结构设计下的减阻降噪型高速列车受电弓示意图。
18.图6为图5中受电弓碳滑板沿a-a线剖面示意图。
19.图中，1——碳滑板；2——弓角；3——支撑杆；4——上臂；5——绝缘子；r——碳滑板圆角半径；a——受电弓绝缘子椭圆形横截面长轴长度；b——受电弓绝缘子椭圆形横截面短轴长度；c——受电弓绝缘子通孔设计宽度。
具体实施方式
20.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
21.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
22.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
23.本发明提供了一种减阻降噪型绝缘子结构，绝缘子位于受电弓底部，将受电弓的安装底架与车顶装配在一起，如图1、图2所示，所述的绝缘子为椭圆形柱体截面，迎着来流方向为长轴，垂直于来流方向为短轴；且绝缘子采用居中通孔设计，居中通孔沿着中轴线对称分布，通孔贯穿整个绝缘子横截面。
24.受电弓绝缘子的椭圆形柱体截面长轴a与短轴b长度之比设计范围为2-3，迎着来流方向为长轴，垂直于来流方向为短轴。居中通孔设计宽度c范围为 10-15mm，沿来流方向
设计。
25.椭圆形截面设计使得旋涡脱落从柱体两侧同时进行，相比于圆柱形截面，脱落涡尺寸更小，从椭圆形截面柱体表面脱落的旋涡在柱体后方碰撞发展，之后周期性地出现较为稳定及排列规则的涡街。
26.增加了通孔设计的椭圆形截面柱体相较于单独椭圆形截面柱体更为复杂，柱体后方的旋涡脱落更加频繁，脱落频率更高，但是尺度更小。这是由于通孔的存在使得椭圆形柱体被分为两部分，并且这两部分沿着来流方向的平面对称分布。流体流经柱体位置时，被分为两类，一类流体沿着柱体外表面向流场下游运动，在柱体表面形成边界层，并不断向流场下游脱落，形成脱落涡，还有一类流体直接通过通孔，在通孔顶部尖角部位会产生一定的脱落涡，由于通孔尺寸较小，在这个部位产生的脱落涡尺寸较小，且上下两部分形成的脱落涡在通孔中不会相互影响，均沿着通孔向流场下游发展，在柱体下游融合在一起继续发展，形成稳定的涡街，有效的抑制了尾流旋涡的产生。
27.本发明还提供了一种高速列车受电弓，包括绝缘子5，所述的绝缘子5采用上述实施例中的绝缘子结构。
28.如图5所示，受电弓还包括碳滑板1、弓角2、支撑杆3、上臂4；碳滑板1 位于受电弓弓头的顶部，弓角2位于碳滑板1下方支撑杆3的两端，上臂4与支撑杆3连接。绝缘子5位于受电弓底部，将受电弓的安装底架与车顶装配在一起，使得整个受电弓固定在列车上。
29.如图6所示，所述的碳滑板1矩形截面的迎风面与背风面两侧四条棱边上设有圆角结构。圆角结构的圆角尺寸半径为2.5-3.5mm，圆角设计长度贯穿整个碳滑板1结构。
30.受电弓碳滑板边缘处圆角结构存在于碳滑板矩形截面的迎风面与背风面两侧四条棱边上，长度贯穿整个碳滑板的结构。
31.矩形截面的杆件在流场中由于直角的存在，在四个角都会产生脱落涡，并且在柱体来流面的直角部位，产生更强的脱落涡，流场上游的脱落涡向流场下游发展，在柱体两侧不断碰撞，流经柱体各个角的脱落涡在流场下游不断产生、脱落、发展和消散，形成更为复杂的流动现象。相较于圆形截面柱体，矩形截面柱体产生的脱落涡尺寸更大，脱落频率更为剧烈，并且由于柱体两边的压力差诱发强烈的气动噪声。但是通过对矩形截面柱体增加圆角设计后，流场中气流在流经柱体壁面时，由于圆角的存在使得气流过渡较为平滑，湍流边界层不易发生流动分离现象，湍流流动大为减小，由于旋涡脱落导致的柱体表面脉动压力也大大降低，减小了杆件产生的气动噪声。
32.本发明的碳滑板结构以及绝缘子结构能够减小碳滑板与绝缘子处产生的脱落涡尺寸，并使得这两部分产生稳定脱落且规则排列的涡街，可以有效地降低受电弓表面的脉动压力，显著降低受电弓整体产生的气动阻力以及噪声，并且最大程度的保留了受电弓原始结构，相关结构制造简单，也较易于实现。
33.实施例1
34.如图1-4所示，本发明的一种具体实施方式为：受电弓绝缘子5椭圆形柱体截面长轴a与短轴b长度之比为2，迎着来流方向为长轴，垂直于来流方向为短轴。居中通孔设计宽度c为10mm，沿着中轴线对称分布，通孔贯穿整个绝缘子 5。
35.实施例2
36.本发明的一种具体实施方式为：受电弓绝缘子5椭圆形柱体截面长轴a与短轴b长
度之比为2.5，迎着来流方向为长轴，垂直于来流方向为短轴。居中通孔设计宽度c为12.5mm，沿着中轴线对称分布，通孔贯穿整个绝缘子5。
37.实施例3
38.本发明的一种具体实施方式为：受电弓绝缘子5椭圆形柱体截面长轴a与短轴长度b之比为3，迎着来流方向为长轴，垂直于来流方向为短轴。居中通孔设计宽度c为15mm，沿着中轴线对称分布，通孔贯穿整个绝缘子5。
39.实施例4
40.如图5、6所示，本发明的一种具体实施方式为：受电弓碳滑板1边缘处圆角结构存在于碳滑板1矩形截面的迎风面与背风面两侧四条棱边上，圆角尺寸半径r为3mm，长度贯穿整个碳滑板1结构。
41.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。