風(fēng)沙環(huán)境下動(dòng)車組車頂絕緣子沖蝕磨損的仿真研究

汪佛池，韓 勇，劉宏宇，張銀釧，馬建橋

風(fēng)沙環(huán)境下動(dòng)車組車頂絕緣子沖蝕磨損的仿真研究

汪佛池1，2，韓 勇1，劉宏宇1，張銀釧1，馬建橋1

（1.華北電力大學(xué)河北省輸變電安全防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，河北保定071003；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192）

為研究動(dòng)車組車頂支柱絕緣子不同部位的沖蝕磨損情況，采用RNG K-epsilon湍流模型及離散相模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)絕緣子沖蝕磨損的數(shù)值模擬。仿真結(jié)果表明，絕緣子傘裙邊緣的磨損速率隨位置的變化呈“M”狀分布，最大磨損位置為45°角附近；仿真結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果能夠較好吻合，可為風(fēng)沙環(huán)境下絕緣子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及運(yùn)行壽命預(yù)測(cè)提供依據(jù)；傘裙迎風(fēng)面各部位的沖蝕磨損率隨著氣流速度及沙塵顆粒粒徑的增大而增大，且最大沖蝕磨損率位置向外側(cè)偏移。

環(huán)氧絕緣子；風(fēng)沙環(huán)境；沖蝕磨損；流體仿真分析

0 引言

2014年12月26日全線開通的蘭新鐵路第二雙線，是我國(guó)第一條途經(jīng)高寒、高原、風(fēng)沙戈壁等地區(qū)的快速鐵路，具有重要的戰(zhàn)略意義。其沿線需穿越五大強(qiáng)風(fēng)區(qū)，強(qiáng)風(fēng)挾帶的沙粒與高速行駛的動(dòng)車具有非常大的相對(duì)速度，造成絕緣子的表面粗糙度增大甚至出現(xiàn)微裂紋，可能導(dǎo)致絕緣子的絕緣性能下降運(yùn)行壽命縮短等嚴(yán)重后果。

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)動(dòng)車組車頂絕緣子的研究，主要集中于高速流場(chǎng)作用下車頂絕緣子的積污特性[1-4]以及高速氣流對(duì)絕緣子沿面放電特性的影響[5-6]等方面，這些研究中選用的多為直徑范圍0～100 μm的污穢顆粒，對(duì)于運(yùn)行于強(qiáng)風(fēng)區(qū)的車頂絕緣子，會(huì)受到0.1～0.25 mm甚至0.25 mm以上粒徑沙塵顆粒的碰撞，產(chǎn)生能量交換的同時(shí)造成了絕緣子表面的沖蝕磨損。因此，以上研究針對(duì)的工況具有明顯的局限性，有必要針對(duì)強(qiáng)風(fēng)區(qū)運(yùn)行的車頂絕緣子進(jìn)行沖蝕磨損機(jī)理的研究。

在網(wǎng)運(yùn)行的動(dòng)車組使用環(huán)氧絕緣子的比例高達(dá)80%以上[4]，因此筆者研究對(duì)象為環(huán)氧樹脂基復(fù)合絕緣子。在已有研究中[7-8]，研究人員多采用氣流挾沙噴射法對(duì)環(huán)氧材料的沖蝕特性進(jìn)行分析，未考慮實(shí)際工況下風(fēng)沙流與復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件作用時(shí)的流場(chǎng)特性，在判斷絕緣子各位置磨損程度時(shí)具有一定的局限性。

基于沿線風(fēng)區(qū)的特殊氣候條件，通過(guò)CFD仿真模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合，在考慮沙塵顆粒繞流特性的基礎(chǔ)上研究了車頂絕緣子的沖蝕磨損規(guī)律，揭示沙塵顆粒與環(huán)氧材料絕緣子的作用機(jī)制，研究結(jié)果對(duì)在強(qiáng)風(fēng)沙環(huán)境下運(yùn)行的動(dòng)車組車頂絕緣系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要意義。

1 沖蝕磨損過(guò)程分析

沙塵顆粒作用于絕緣子產(chǎn)生沖蝕磨損的過(guò)程可分為兩個(gè)階段考慮，沙塵顆粒隨高速氣流在近壁面做二相流運(yùn)動(dòng)和沙塵顆粒以一定速度沖擊材料表面造成沖蝕磨損。風(fēng)沙二相流沖向絕緣子表面時(shí)遵守流體力學(xué)規(guī)律，在與絕緣子相遇時(shí)會(huì)發(fā)生繞流，這種繞流會(huì)影響沙塵顆粒對(duì)絕緣子的沖擊，對(duì)不同形狀的絕緣子，顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡各不相同。

1.1 氣流控制方程

對(duì)風(fēng)沙兩相流中的氣相做連續(xù)相處理而對(duì)顆粒相做離散相處理。氣體繞流支柱絕緣子的過(guò)程應(yīng)滿足組元質(zhì)量守恒的連續(xù)性條件及動(dòng)量守恒條件，據(jù)此建立連續(xù)性方程及動(dòng)量守恒方程。

連續(xù)性方程

動(dòng)量守恒方程

式中：u為氣流的時(shí)均速度；x為位移；ρ為氣流密度；μ為氣流動(dòng)力粘性系數(shù)為雷諾應(yīng)力分量。

雷諾應(yīng)力分量的引入，使得動(dòng)量守恒方程變得無(wú)法封閉而很難求出精確解，為解決該問(wèn)題，需要選擇合適的湍流模型，引入新的變量及其控制方程，針對(duì)絕緣子周圍流場(chǎng)流線彎曲較大的情況，本文選擇RNGk-ε湍流模型，湍動(dòng)能k和耗散率ε的控制方程如下：

式中：μeff為有效粘性系數(shù)，μeff=μ+μt；αk、αε分別為湍動(dòng)能和耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特常數(shù)的倒數(shù)；Gk為由于時(shí)均速度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

1.2 沙塵顆?？刂品匠?/h3>

對(duì)沙塵顆粒做離散相處理，由作用力的微分方程求解顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，由于沙粒密度遠(yuǎn)大于空氣密度，Stokes力遠(yuǎn)大于其他受力，只考慮Stokes力及重力的作用下，沙塵顆粒的作用力平衡方程為

式中：ρg為顆粒處空氣的密度，U為氣流速度矢量，mp，dp，V，CD分別為顆粒的質(zhì)量，直徑，速度矢量和阻力系數(shù)，g為重力加速度。

沙塵顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的不同會(huì)影響沙粒與絕緣子的碰撞率，并最終影響絕緣子不同部位的沖蝕磨損率，繞流時(shí)顆粒與被繞流物的碰撞包括直接碰撞、沉積碰撞和擴(kuò)散碰撞三種[9-13]，其中直接碰撞與沖蝕磨損行為相關(guān)性最大，直接碰撞率的計(jì)算公式為

式中：η為碰撞率；rp為沙粒半徑；Dc為被繞流物的當(dāng)量直徑（與繞流物的形狀及尺寸有關(guān)）。

1.3 沖蝕磨損速率

沖蝕磨損是指材料受到小而松散的流動(dòng)粒子沖擊時(shí)表面出現(xiàn)破壞的一類磨損現(xiàn)象，粒子一般小于1 000 μm，沖擊速度在550 m/s內(nèi)，屬于低應(yīng)力磨料磨損范疇。

已有的沖蝕磨損率模型為研究者以具體的實(shí)驗(yàn)條件為基礎(chǔ)，針對(duì)特定材料及影響因素的數(shù)據(jù)分析建立的，且多根據(jù)塑性材料的沖蝕特性進(jìn)行分析，缺乏普遍適用性[14]。

由于筆者的研究重點(diǎn)不在于建立環(huán)氧材料物理性質(zhì)與其抗沖蝕特性間的聯(lián)系，所以不需要在沖蝕模型中加入傳統(tǒng)模型中表征材料硬度及彈性模量等性質(zhì)的參數(shù)。只需根據(jù)環(huán)氧材料沖蝕率與各環(huán)境因素間的關(guān)系[7-8]采用盡量簡(jiǎn)單的模型，以減少仿真過(guò)程中的計(jì)算量。此處，選取通用沖蝕模型進(jìn)行沖蝕磨損量的預(yù)測(cè)[10]，

式中：E為相對(duì)磨損率（kg/s），Km為對(duì)應(yīng)于環(huán)氧材料的常量，mp為顆粒質(zhì)量，f（αp）為沖擊角以最大磨損率標(biāo)準(zhǔn)化后的無(wú)量綱函數(shù)，vp為顆粒相對(duì)于壁面的沖擊速度，n為沖擊速度指數(shù)函數(shù)。

為了評(píng)價(jià)環(huán)氧材料在不同粒徑粒子的抗磨損性能和絕緣子各部分的沖蝕磨損情況，考慮環(huán)氧材料的抗沖蝕性能并將式（8）微分化，則沖蝕磨損率可表達(dá)為

式中：dp為沙粒粒徑；Aface為絕緣子表面單位計(jì)算單元的面積；磨損率E（kg/m2.s）為單位面積在單位時(shí)間內(nèi)的磨損量。

2 仿真及實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

計(jì)算選用在網(wǎng)運(yùn)行的SC400-29/16型動(dòng)車組車頂絕緣子，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，大中小傘裙直徑分別為400 mm、280 mm、245 mm，從上到下傘裙編號(hào)依次定義為1，2，3，4，5，6，7。

圖1 絕緣子結(jié)構(gòu)Fig.1 Insulator structure

在絕緣子周圍構(gòu)建尺寸為750 mm×750 mm×1 200 mm流場(chǎng)計(jì)算域，使用ANSYS Meshing軟件對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為獲得更高的計(jì)算精度和收斂速度，采用六面體主導(dǎo)的網(wǎng)格，的到圖2所示的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格的最大尺寸為1.7 mm，網(wǎng)格數(shù)量為163 149。

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh division

流場(chǎng)計(jì)算域的入口設(shè)定為速度入口邊界，出口設(shè)定為壓力出口邊界，將入口速度設(shè)置為60 m/s，根據(jù)工況分別設(shè)置入口和出口處的湍流強(qiáng)度和水力直徑。

對(duì)于沙塵顆粒，設(shè)定其入射速度與氣流速度相同，形狀為球體，密度為2.8×103kg/m3，粒徑在10～300 μm內(nèi)隨機(jī)分布。設(shè)定沙塵顆粒與絕緣子壁面碰撞后即發(fā)生反彈，根據(jù)沙塵顆粒與絕緣子的材料特性分別設(shè)定顆粒的法向反彈系數(shù)和切向反彈系數(shù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果與絕緣子實(shí)際工況下發(fā)生的沖蝕磨損情況更加接近，選用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的氣流噴砂式實(shí)驗(yàn)裝置作為絕緣子沖蝕磨損的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，將試品固定在風(fēng)洞高速試驗(yàn)段，風(fēng)洞結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。實(shí)驗(yàn)風(fēng)速為與列車的實(shí)際運(yùn)行速度一致的55 m/s。

由文獻(xiàn)[14]中對(duì)絕緣子運(yùn)行環(huán)境中風(fēng)沙流沙粒粒徑組成的描述，試驗(yàn)中取細(xì)沙（D＜0.25 mm）含量為72%～94%，粗沙（D＞0.5 mm）在該高度的含量極少，可取其余沙粒的粒徑為0.25～0.5 mm，經(jīng)過(guò)160小時(shí)的沖蝕磨損試驗(yàn)，絕緣子磨損現(xiàn)象明顯，達(dá)到通過(guò)測(cè)量驗(yàn)證仿真結(jié)果正確性的條件。

圖3 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of wind tunnel

3 沖蝕仿真及驗(yàn)證

環(huán)氧樹脂基材料的沖蝕特性介于脆性沖蝕和塑性沖蝕之間，呈現(xiàn)半塑性沖蝕特性，低角度沖蝕時(shí)失重量較小，沙塵顆粒在絕緣子上下表面處的攻角為10°左右，沖蝕量較小且存在測(cè)量困難。因此，選取絕緣子傘裙邊緣處的磨損量分布作為驗(yàn)證仿真結(jié)果正確性的依據(jù)。

風(fēng)沙流作用下環(huán)氧絕緣子各傘裙磨損分布云圖見(jiàn)圖4，各傘裙迎風(fēng)面均發(fā)生不同程度的沖蝕磨損，7號(hào)傘磨損率略高于其他各個(gè)傘裙。將絕緣子傘裙的各個(gè)位置按圖5所示定義。則最大磨損位置出現(xiàn)在45°左右位置，且傘裙邊緣的沖蝕磨損程度隨角度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。讀取絕緣子確定點(diǎn)處的磨損率，以對(duì)磨損狀況進(jìn)行精確分析，得到7號(hào)傘裙迎風(fēng)面邊緣處的磨損率分布情況如圖6所示。磨損率整體呈M狀分布，傘裙邊緣與絕緣子中軸面重合的位置至距中軸線15㎝處磨損率逐漸增加，之后磨損率隨水平距離的增加而迅速減小，最終在20㎝處減小為0。

圖4 各傘裙磨損情況Fig.4 Wear condition of each shed skirt

圖5 傘裙邊緣位置定義Fig.5 Definition of edge position of shed skirt

圖6 磨損量仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of wear

沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)后絕緣子的外觀如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)絕緣子迎風(fēng)面的邊緣處發(fā)生了較為嚴(yán)重的磨損。將絕緣子傘裙的各個(gè)位置按圖7所示定義，通過(guò)測(cè)量傘裙半徑的減少量表征傘裙的磨損量，測(cè)量結(jié)果如圖8所示。測(cè)量結(jié)果表明，絕緣子沖蝕磨損最嚴(yán)重的區(qū)域位于迎風(fēng)面的兩個(gè)40°到50°之間，而沖蝕磨損程度較輕的區(qū)域?yàn)?°和90°部分。此外，不同結(jié)構(gòu)傘裙的沖蝕程度差別較大，7號(hào)傘的沖蝕磨損量明顯高于其他傘裙，由于傘裙各部分均為同一材質(zhì)，初步推測(cè)其沖蝕程度與傘裙的厚度及半徑有關(guān)。

圖7 沖蝕磨損后絕緣子的外觀Fig.7 Insulator appearance after erosion

圖8 沖蝕磨損量的測(cè)量結(jié)果Fig.8 Measurement results of erosion wear

對(duì)比圖6與圖8，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果中各傘裙磨損量的分布規(guī)律基本一致，均為隨角度的變化呈“M”狀分布，最大磨損位置均位于40°～50°之間，采用該仿真方法及流體計(jì)算模型，可以對(duì)絕緣子的沖蝕磨損情況進(jìn)行可靠預(yù)測(cè)。

4 沖蝕磨損率的影響因素

絕緣子表面的沖蝕磨損速率和沙塵顆粒的粒徑、氣流速度及絕緣子材質(zhì)等因素密切相關(guān)，筆者針對(duì)特定絕緣子采用仿真研究沙塵顆粒粒徑及氣流速度對(duì)絕緣子沖蝕磨損率的影響。

由圖8可以看出，各傘裙的沖蝕磨損分布基本相同，選取單片傘裙（7號(hào)傘裙）為研究對(duì)象對(duì)沙粒粒徑及氣流速度對(duì)絕緣子沖蝕磨損速率的影響進(jìn)行研究。

4.1 顆粒粒徑對(duì)沖蝕磨損率的影響

為研究沙塵顆粒粒徑對(duì)傘裙各部位沖蝕磨損率的影響，采用流體仿真的方式，分別對(duì)對(duì)氣流速度為55 m/s，沙塵顆粒粒徑分別為50 μm、100 μm、150 μm、200 μm情況的絕緣子沖蝕磨損率進(jìn)行計(jì)算。

圖9為不同粒徑顆粒作用下絕緣子傘裙各部位的沖蝕磨損率。

由圖可知，沙塵顆粒粒徑對(duì)絕緣子傘裙各部位的沖蝕磨損有明顯的影響，當(dāng)顆粒的粒徑為50 μm時(shí)，沙塵顆粒造成的沖蝕磨損率較小，最大磨損位置為12.5 cm處，各位置的沖蝕磨損率隨著顆粒粒徑的增大不斷增大，大顆粒的最大磨損位置相對(duì)于小顆粒外移了1.5 cm左右。

圖9 顆粒粒徑對(duì)沖蝕磨損率的影響Fig.9 Effect of particle size on erosion wear rate

4.2 氣流速度對(duì)沖蝕磨損率的影響

在研究氣流速度對(duì)沖蝕磨損率的影響時(shí)，選擇沙塵顆粒粒徑為100 μm，分別計(jì)算將氣流速度設(shè)置為35 m/s、45 m/s、55 m/s、65 m/s時(shí)絕緣子傘裙的沖蝕磨損率。

圖10為不同氣流速度情況下絕緣子傘裙各部位的沖蝕磨損率分布。由圖可知，絕緣子傘裙各部位的磨損率隨氣流速度的增大而逐漸增大，最大沖蝕磨損率位置也隨著氣流速度的增大向外側(cè)偏移。

最大沖蝕磨損率位置的偏移均與沙塵顆粒的斯托克斯數(shù)有較大關(guān)系，斯托克斯數(shù)對(duì)沙塵顆粒的最終碰撞部位及角度存在較大影響，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

圖10 氣流速度對(duì)沖蝕磨損率的影響Fig.10 Effect of airflow velocity on erosion wear rate

其中，U0為氣流速度，Dc為絕緣子傘裙的特征尺寸，dp為沙塵顆粒粒徑。

由式（9）可得，當(dāng)氣流速度及沙塵顆粒粒徑較小時(shí)，斯托克斯數(shù)較小，沙塵顆粒的跟隨性較好，易隨氣流繞過(guò)傘裙而避免與傘裙迎風(fēng)面的直接碰撞，降低了碰撞率及沖蝕磨損率，由于沙塵顆粒的跟隨性，運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生了較大偏折，影響了顆粒與絕緣子的最終碰撞角度，從而改變了最大沖蝕磨損率的位置；隨著氣流速度及沙塵顆粒粒徑的增大，沙塵顆粒的斯托克斯數(shù)增大，顆粒跟隨性變差，易直接穿過(guò)氣流與傘裙迎風(fēng)面發(fā)生碰撞，增大了碰撞率及

沖蝕磨損率，由于大斯托克斯數(shù)顆粒的軌跡受氣流影響較小，其與傘裙發(fā)生碰撞的角度與小斯托克斯數(shù)顆粒存在差別，最終造成了最大沖蝕磨損率位置的偏移。

5 結(jié)論

1）流體仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，可以對(duì)絕緣子的沖蝕磨損情況進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)。

2）動(dòng)車組經(jīng)過(guò)風(fēng)區(qū)時(shí)，由于風(fēng)沙條件的長(zhǎng)時(shí)間作用，車頂環(huán)氧絕緣子將發(fā)生較嚴(yán)重的沖蝕磨損，且沖蝕磨損最嚴(yán)重的區(qū)域位于傘裙迎風(fēng)面40°～50°處。

3）傘裙各部位的沖蝕磨損率隨氣流速度及沙塵顆粒粒徑的增大而增大，最大沖蝕磨損率的位置隨氣流速度及顆粒粒徑的增大而向傘裙外側(cè)偏移。

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Numerical Simulation of Particle Impact Erosion on Insulator of Locomotives under Wind Sand Environment

WANG Fochi1，2，HAN Yong1，LIU Hongyu1，ZHANG Yinchuan1，MA Jianqiao1
（1.Hebei Provincial Key Laboratory of Power Transmission Equipment Security Defense，North China Electric Power University，Baoding 071003，China;2.China Electric Power Research Institute，Haidian District，Beijing 100192，China）

In order to research on the erosion wear of different parts of insulators sheds of EMU，the numerical simulation of insulator erosion wear based on the RNG k-epsilon turbulence model and dis?crete phase model is performed.Simulation results show that，wear rate of the edge of insulator umbrella skirt changes with the position of a“M”-like distribution，maximum wear position for 45 degree angle near.Simulation results and experimental verification results are in good agreement，and can provide ref?erence for insulator structure optimization and the service life prediction under aeolian environment.Each position of the shed skirt on the windward side erosion rate increases with increasing particle size of dust，and the position of maximum erosion wear rate moves backward.The erosion wear rate of each position of the shed skirt windward surface increases with the increase of air velocity.

epoxy insulator；wind sand environment；erosion wear；fluid simulation analysis

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.036

2016-06-24

汪佛池（1980—），男，博士，副教授，主要從事電氣設(shè)備絕緣機(jī)理、電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷、電氣設(shè)備狀態(tài)檢修等方面的研究。