根据《新时代交通强国铁路先行规划纲要》,加快推动铁路高质量发展,率先建成现代化铁路强国,是我国新时代交通强国建设的重点。新时代铁路运输以电力牵引作为主要动力形式,在电力机车主要的高压供电设备当中,车顶绝缘子承担承力与绝缘的功能。列车运行时,车顶绝缘子不断承受气流的冲击,在雾霾等严酷气象的共同作用下,车顶绝缘子表面容易积累污秽与水分从而引发闪络。为了提高铁路运输适应严酷气象的能力,本文根据空气动力学原理对车顶绝缘子进行结构优化,并探究不同结构的车顶绝缘子在雾霾环境下的积污特性。这些研究可为高速列车外绝缘设计与改进提供重要参考。本文首先对柱体绕流运动与气流中的固体颗粒物受力情况进行分析,据此提出车顶绝缘子伞裙与芯棒的形状结构优化策略;利用有限元仿真软件对优化结构的空气动力学性能进行分析,得到了优化结构的气流分布与涡量分布特点;通过仿真与试验的方法,计算了优化结构的表面电场分布,并测得其在不同气流速度下的干闪电压,校验优化结构具有合格的基本电气绝缘性能。搭建循环风洞试验系统,配置人工污秽模拟雾霾成分,开展伞裙与芯棒优化形状结构的积污试验;测得伞裙表面各风区积污特性与芯棒表面污秽覆盖情况,通过计算绝缘子表面的风压分布对芯棒与伞裙表面积污差异性特点进行分析;搭建高速风枪试验装置,对雾霾中水分在车顶绝缘子伞裙表面的运动过程进行分析。针对车顶绝缘子芯棒侧风面积污严重的情况,根据空气动力学原理提出芯棒表面结构的进一步优化策略;利用有限元仿真软件分析优化芯棒的气流分布、涡量分布与表面压力分布特点;在循环风洞中开展积污试验,测得优化芯棒的积污特性,并利用高速风枪装置对雾霾中水分在优化芯棒表面的运动过程进行分析。考虑优化芯棒结构对伞裙表面污秽积累产生的不利影响,根据疏水性原理提出伞裙表面结构的进一步优化策略并测得优化伞裙的静态接触角与接触角滞后;利用循环风洞测得优化伞裙表面的积污特性,并分析了水珠撞击情况下伞裙的自清洁能力。结果表明:优化后的空气动力型车顶绝缘子的绕流速度高、流场涡量小,表面污秽积累量显著减少且污秽饱值低,雾霾中水分不易在表面堆积且无法形成水膜,在列车行驶气流的作用下表面能够实现一定程度的自清洁能力。