1. 引言
作为输电线路的重要组成部分，接触网绝缘子始终面临着严重的污闪威胁。为预防污闪事故的发生，对铁路系统中的绝缘子进行定期清洁是一项至关重要的维护任务，它对于确保铁路运输的安全与顺畅具有不可或缺的作用。常用的清扫方式包括停电清扫和带电清洗两种途径，主要包括人工清扫、水冲洗、干冰清洗、机械清洗等[1]-[4]。
文献[1]通过气液两相流仿真技术，深入研究了喷嘴直径、射流距离与水气比之间的复杂关系。这一研究加深了对水冲洗过程中流体动力学行为的理解。文献[2]通过对绝缘子水冲洗原理的分析，设计了一种智能水冲洗装置，能够实现对冲洗过程的实时监测和智能调控。文献[3]设计了一种能够在高电场强度下实现对支柱型绝缘子的有效清洗的干冰清洗机器人，展现了清洗技术在复杂环境下的应用潜力。文献[4]研制的绝缘子清洗机器人能够在绝缘子串上自由移动，配备的双臂和清洗机构能够灵活应对各种清洗需求。以上研究分别从不同角度探讨了绝缘子清洗技术的创新与应用，不仅丰富了绝缘子清洗技术的理论体系，也为实际工程应用提供了多样化的解决方案。
低温环境下的雨雪天气引起的覆冰等极端工况对绝缘子电气绝缘性能影响很大，因此在对常温状态下绝缘子清扫领域进行持续研究的基础上，国内外针对绝缘子覆冰增长特性、闪络特性及放电发展过程已开展了大量研究。文献[5]研究了环境参数对绝缘子覆冰增长特性的影响，为预测绝缘子覆冰情况提供了科学依据。文献[6]分析了绝缘子表面冻结系数和对流换热系数的变化规律，并建立了绝缘子无溢流覆冰增长的三维数值模型，能够更准确地模拟绝缘子在特定环境条件下的覆冰过程。文献[7]分析了冰棱及其悬挂水滴对绝缘子局部电场分布以及电气性能的影响，并提出了优化绝缘子伞裙结构的建议，以提高其在覆冰条件下的电气稳定性和安全性。文献[8]研究了冰的结构和冰层对不同波长激光的吸收特性，为利用激光技术进行绝缘子除冰提供了新的思路。以上文献分别从不同角度对绝缘子与冰的关系进行了深入研究，丰富了绝缘子覆冰问题的理论体系，也为低温环境下的清洗作业提供了理论指导。
综上，常温状态下绝缘子的清洁技术研究已经较为深入，然而低温状态下对绝缘子的相关研究主要集中在覆冰形成机理及相关抑制措施，关于在零度及以下低温环境下进行绝缘子清洁的研究很少见。在零度以下环境对接触网绝缘子进行清洁时，人工清扫成本低但效率低、安全隐患大；干冰清洗效果好但效率低、操作难度大、成本较高；水冲洗效率较高但对水的要求高、水结冰后可能带来不利影响。本文以常用的接触网绝缘子水冲洗作业为基础，提出了热风吹扫的辅助清洁方式，并采用热流固耦合对绝缘子在热力场中所受到的载荷进行分析，评估了热风温度和风速对绝缘子结构强度的影响。
2. 低温清洗装置结构设计
接触网绝缘子低温清洗采用高压水冲洗+热风吹扫的技术方案，如图1所示。首先通过水冲洗装置产生的高压水射流对绝缘子表面进行清洁，此时绝缘子表面附着的污物被水流带走，甚至能将较薄的覆冰震碎带走。水冲洗作业完成后，采用热风吹扫装置对绝缘子表面进行吹扫，将水冲洗完成后部分附着在绝缘子表面的水吹扫干净，避免这部分水在零度以下的低温环境中结冰，防止在绝缘子表面再次形成覆冰。
Figure 1. Schematic diagram of low-temperature cleaning technology structure
图1. 低温清洗技术结构示意图
通过一个升降平台对热风吹扫装置于绝缘子之间的距离进行调节，以满足不同工况对热风吹扫装置位置的要求，如图2所示。通过支座将风枪固定在升降平台上，采用水平和俯仰两个方向的旋转接头使风枪具备位置调节功能，操作人员只需要转动操作手柄即可完成热风枪与绝缘子的对准，转动热风枪需要的力量较小，操作简单易行。随着轨道车的低速运行，热风枪与绝缘子之间的位置关系不断变化，吹扫的角度也随之变化，使热风可以吹扫到绝缘子的大部分表面，吹扫效果可以得到保障。
Figure 2. Schematic diagram of the structure of the hot air blowing device
图2. 热风吹扫装置结构示意图
在低温环境中利用热风对绝缘子表面进行吹扫时，绝缘子表面温度会升高，其内部和绝缘子两端的支撑结构仍保持低温状态，所以会形成较高的温差，从而引起温差热应力，这个应力可能导致陶瓷表面出现破裂，同时热风对绝缘子产生了一定的风压，会加剧这种情况的发生。因此绝缘子校核分析是流动、传热及应力等物理场耦合的结果。
3. 仿真建模
3.1. 研究对象
接触网绝缘子种类繁多，以陶质棒式绝缘子为研究对象，其结构部分经简化后得到仿真简化模型如图3所示。
Figure 3. Simplified simulation model for insulators
图3. 绝缘子仿真简化模型
常见接触网绝缘子的主体材料是陶瓷，其成分主要包括氧化铝和氧化锆，其材料特性见表1。
Table 1. Characteristics of insulator materials
表1. 绝缘子材料特性
名称 |
密度(g/cm3) |
弹性模量(GPa) |
抗弯强度(MPa) |
抗压强度(MPa) |
陶瓷 |
3.6 |
300 |
290 |
850 |
3.2. 仿真设置
为了模拟热风对绝缘子表面的影响，利用有限元分析软件ANSYS中workbench模块的DesignModeler功能将绝缘子设置为固体域，将绝缘子四周800 × 800 mm的空间设置为流体域，如图4所示。
Figure 4. Schematic diagram of solid domain and fluid domain division
图4. 固体域和流体域划分示意图
固体域设置材料为陶瓷，流体域设置为空气，以绝缘子上下两个端面作为固定约束，将一个侧面设置为入口往绝缘子方向吹热风，入口对面的一端设置为出口，其他侧面设置为移动壁面边界，将绝缘子表面设置为数据交换的耦合面[9] [10]。划分网格后共有节点172,525个，单元9,087,435个，网格密度合适，如图5所示。
Figure 5. Grid division diagram
图5. 网格划分示意图
在低温环境下对绝缘子进行水冲洗后，采用热风对其表面进行吹扫，环境温度设定在0℃以下，热风机出口风速约为10~40 m/s，具体工况见表2。
Table 2. Load boundary conditions
表2. 载荷边界条件
风速(m/s) |
环境温度(℃) |
热风温度(℃) |
温差(MPa) |
10~40 |
−10 |
20~60 |
30~70 |
4. 计算结果分析
4.1. 热流体仿真分析
将不同热风风速加载到绝缘子表面，得到绝缘子表面压强分布云图如图6所示。
(a) 风速 = 10 (m/s)
(b) 风速 = 20 (m/s)
(c) 风速 = 30 (m/s)
(d) 风速 = 40 (m/s)
Figure 6. Cloud map of surface pressure distribution on insulators at different wind speeds
图6. 不同风速绝缘子表面压强分布云图
不同热风风速给绝缘子表面造成的压强分布较为均匀，迎风面受力最大，其数据见表3。
Table 3. Load caused by wind speed
表3. 风速造成的载荷
风速(m/s) |
10 |
20 |
30 |
40 |
最大压强(pa) |
68 |
272 |
613 |
1090 |
随着风速的增大，绝缘子表面的压强逐渐增大，当风速达到40 m/s时，对绝缘子表面造成的压强为1090 pa，数值很小，可以预见其对绝缘子表面的整体影响较小，后续计算过程中，将热分风速统一设置为20 m/s。
当热风吹到绝缘子表面时，由于其自身的温度比较接近环境温度，虽然表面温度会迅速升高，到由于其有一定的体积，内部温度仍然较低，因此会出现一个比较大的温差，这个温差在绝缘子与腕臂连接的位置更为突出。当风从热风机吹出到达绝缘子表面的过程中，会有一定的空间距离，热风的温度会有一定的下降，仿真分析时，考虑极端的工况，忽略这个温度降低的因素，认为绝缘子表面的温度与热风机的出口温度相同，得到的仿真分析结果如图7所示。
(a) 环境0℃，热风10℃
(b) 环境0℃，热风30℃
Figure 7. Cloud map of surface temperature distribution of insulators under different temperature and difference conditions
图7. 不同温差工况下绝缘子表面温度分布云图
当环境为0℃，热风温度为10℃，温差为10℃时，绝缘子表面温度大面积达10℃，在绝缘子两个端面与腕臂连接的位置，出现急剧的温度变化。当热风温度为30℃，温差为30℃时，绝缘子表面温度大面积到达30℃，在绝缘子两个端面与腕臂连接的位置，温度变化的趋势更为明显。这两个温度分布情况与现实情况较为吻合，仿真所得结果具有可信度。
4.2. 热流固耦合仿真分析
4.2.1. 环境温度0℃
将上述热流体仿真的结果通过耦合面进行数据传输，加载到绝缘子上，对绝缘子进行固体结构分析，得到的仿真分析结果如图8所示。
(a) 环境0℃，热风30℃
(b) 环境0℃，热风60℃
Figure 8. Cloud map of stress and deformation distribution under different temperature differences (environment 0˚C)
图8. 不同温差下应力和形变分布云图(环境0℃)
图8为当环境温度为0℃，风速为20 m/s，热风温度为30℃、和60℃时的应力和形变分布情况。应力最大值都出现在绝缘子与腕臂连接的位置，即温差变化最大的位置，其他较大值均出现在伞裙根部，同样也是温差变化较大的位置，应力分布与实际情况吻合。在环境温度为0℃，热风温度为60℃时，形变量非常小，但绝缘子表面应力值已经达到313 MPa，超过陶瓷材料的抗弯强度(290 MPa)，因此，热风温度不应超过60℃。
4.2.2. 环境温度−10℃
将环境温度调整到−10℃，温差保持相同，得到的仿真结果如图9所示。
(a) 环境−10℃，热风30℃
(b) 环境−10℃，热风60℃
Figure 9. Cloud map of stress and deformation distribution under different temperature differences (environment −10˚C)
图9. 不同温差下应力和形变分布云图(环境−10℃)
图9为当环境温度为−10℃，风速为20 m/s，热风温度为30℃、和60℃时的应力和形变分布情况，应力最大值同样都出现在绝缘子与腕臂连接的位置。在环境温度为−10℃，热风温度为50℃时，形变量非常小，但绝缘子表面应力值已经达到315 MPa，超过陶瓷材料的抗弯强度(290 MPa)，当热风温度为60℃时，绝缘子表面应力值达到了431 MPa，已非常危险，因此，为保障热风吹扫过程中的安全，温差不应超过60℃。
4.2.3. 不同温差对比
通过仿真分析计算，风速对应力值影响非常小，固定设定风速为20 m/s作为仿真基础条件，在环境温度分别为0℃和−10℃时，绝缘子表面的最大应力和形变如图10所示。
(a) 最大应力 (b) 最大形变
Figure 10. Cloud map of stress and deformation distribution under different environmental temperatures
图10. 不同环境温度下应力和形变分布云图
在相同的温差条件下，当环境温度越低时，绝缘子表面的应力值越高，出现破损的可能性越大。在0℃和−10℃环境下，当温差为60℃时，绝缘子表面的最大应力值为313.2 MPa和315.84 MPa均超过了材料抗弯强度(290 MPa)，绝缘子表面有出现裂纹的可能，已处于较为危险的状态，因此在零度或零度以下低温环境下进行热风吹扫作业时，极限温差不应超过60℃。
5. 结论
1) 热流体仿真显示，不同风速的热风对绝缘子表面风压影响极小，即使风速高达40 m/s，压强也几乎可以忽略。但热风温度对绝缘子表面影响大，尤其在支架固定位置，因内外温差大，热应力显著。
2) 当温差相同时，环境温度越低，绝缘子表面应力越高，破损风险增大。当温差达60℃时，绝缘子表面应力超过材料强度，可能产生裂纹，故低温下采用热风吹扫时，温差应控制在60℃以内。