CN103213599A - 一种用于高速列车的风阻制动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高速列车的风阻制动装置，在高速动车的机车和每节车厢顶部外表面安装利用空气阻力制动减速的减速板。本发明使高速行驶的动车在常规制动或者紧急制动时，通过打开减速板，利用气流产生的压差阻力作为常规制动的主要制动力和紧急制动的辅助制动力，提高高速动车常规制动时旅客的舒适性，避免制动盘制动带来的摩擦损耗；同时缩短紧急制动的制动距离，提高列车运行的安全性。另外，气动阻力与速度的二次方成正比，对高速运行的列车，减速板的作用效果更佳。同时，该力由空气动力产生，不额外消耗能源，不产生污染，且结构简单较易实现。

Description

一种用于高速列车的风阻制动装置

技术领域

本发明属于高速列车技术领域，涉及高速列车的风阻制动技术，具体是指一种用于高速列车的风阻制动装置。

背景技术

以200km/h以上运行的高速动车组，其制动能量是普通列车的4～9倍，因此对高速动车组制动系统的要求与普通列车完全不同，高速动车组制动技术必须解决列车动能的快速转换和消耗问题，并在轮轨黏着允许的条件下，做到高速列车的可靠制停和降速。另外由于轮轨黏着系数随运行速度的提高而下降，更增加了高速制动技术的难度。因此高速制动系统已经成为发展高速动车组的关键技术。

制动的实质是将动车动能转换为其他形式的能量或动车动能在制动装置间的传递和消散。对于常规制动，为保证列车安全运行，要求高速动车组制动系统能够在需要时，及时、反复的提供所需的制动力。我国现行的常规制动方式为盘形制动，属于接触摩擦制动，这种制动方式会带来制动系统的损耗，也就增加了其维护成本，同时，为控制旅客的舒适性指标，对制动操作员的要求较高。当列车遭遇紧急情况时必须实施紧急制动，高速动车紧急制动能力主要体现停车制动过程中的制动距离上，紧急制动距离是检验动车制动能力和运行安全性的重要技术条件，在线路、制动系统、制动方式和司机操纵方式等条件不变的情况下，动车的制动距离基本上与动车制动初速度的平方成正比例关系。因而随着动车速度的提高，必须改进其制动装置和制动方式来满足高速动车对制动距离相对较短的要求。综合多方面的因素考虑，高速动车制动系统必须具备以下条件：

(1)保证安全，要求在常规制动时要达到正常的调速和停车制动；紧急制动时尽可能的缩短制动距离以保障行车安全；

(2)可靠性高，要求制动装置简单可靠，具有冗余制动能力；

(3)舒适性好，高速动车制动作用时间和减速度远远大于普通列车，因此必须采取相应措施控制旅客舒适性指标；

(4)防止车轮滑行，列车高速行驶时，轮轨间黏着系数下降，尤其是潮湿有落叶的情况下，会产生制动打滑现象，导致车轮他面擦伤，甚至抱死；

(5)制动装置轻量化，尽可能的降低制动系统的簧下质量，对保证高速动车组运行平稳性和舒适性具有重要的意义；

(6)便于维修，减少维修工作量，应尽量减少磨耗件的磨损。

发明内容

本发明的目的是提供一种绿色环保节能高效的高速动车制动方式，同时提高旅客高速制动时的舒适度缩短紧急制动的距离提高制动安全性；致力于现有高速动车制动必需六点条件，运用空气动力学原理，通过在高速动车机车和每节车厢车顶外表面安装减速板为高速动车提供制动阻力。

高速动车减速板的研究受飞机上的减速板启发，利用气流产生的压差阻力来增强高速动车的制动效果。

本发明针对国内现有的CRH系列高速动车，在其机车和车厢顶部外表面安装减速板，在高速列车正常运行时，减速板处于关闭状态，与车顶外表面融为一体，不会带来额外阻力。当高速列车进站正常制动时，减速板打开提供主要的制动阻力，且可调节打开迎角以满足旅客的舒适度和进站停车点；紧急制动时，减速板迅速打开，与来流方向成90°，产生的压差阻力达到最大值，尽最大可能缩短制动距离，提高制动安全性。具体技术方案如下：

所述的用于高速列车的风阻制动装置为在机车和每节车厢顶部外表面安装的减速板，其驱动装置为一液压作动筒，固定装置确保减速板只沿主轴转动。其曲面形状大小与车顶融合，关闭状态时不会产生额外阻力；其曲面俯视图为矩形，展向长L为车厢宽的40%～70%，纵向长C为车厢宽的50%～80%。

所述的减速板在每节车厢顶部安装位置相同，且为等距安装，如此安装主要原因：1，便于生产制造，减速板安装点不依赖于车厢所处整车的位置；2，考虑高速动车目前为双向行驶，即到达终点时车头变车尾，等距安装可降低前后减速板绕流的影响。

所述的减速板，车厢长度在25m上下，每节车厢安装数量为2-5个。对于头车和尾车，仅在车厢等直段安装，安装数量为2-3个。

本发明的优点在于：

(1)本发明提供的风阻制动装置适用于现行高速铁路系统；

(2)制动时无接触摩擦损耗，便于维修，降低维修成本；

(3)提高高速列车常规制动和紧急制动的安全性和旅客的舒适性；

(4)结构简单，提高制动的可靠性；

(5)避免了由于轨面潮湿、有落叶情况下制动滑行现象；

(6)满足制动装置轻量化要求。

附图说明

图1为以3节CRH2为模型减速板工作状态下的效果图；

图2为以3节CRH2为模型减速板非工作状态下的效果图；

图3为减速板连接、固定、驱动关系示意图；

图4为减速板俯视图；

图5为连续三节车厢减速板等距安装示意图；

图6为CFD数值模拟高速运行时表面压力分布示意图。

图中：1，减速板平面；2，液压作动筒；3，固定装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种用于高速列车的风阻制动装置，如图1所示，所述的风阻制动装置是指安装在列车机车和车厢顶部的减速板1，所述的减速板1通过液压作动筒2连接在车厢顶部，各节车厢顶部减速板1的收放操纵开关统一受控于列车驾驶舱内，它有“收起”、“打开”、“中间”三个位置，减速板1在收起位置时完全收起由上位锁锁住，打开位置时完全打开由下位锁锁住，中间位置对应相应的非完全打开状态。在高速列车正常运行时，减速板1处于收起关闭状态，如图2所示，与车顶外表面融为一体，不会带来额外阻力。当高速列车进站正常制动时，减速板1打开提供主要的制动阻力，如图1，且可调节打开迎角以满足旅客的舒适度和进站停车点，所述减速板打开时与来流方向成60°～90°夹角；紧急制动时，减速板1迅速打开，与来流方向成90°，产生的压差阻力达到最大值，尽最大可能缩短制动距离，提高制动安全性。

如图3所示，所述的减速板1位于车厢顶部的控制台的上表面，固定装置3与控制台正前缘通过铰链机构连接，减速板1可绕固定装置转轴旋转0-90度，减速板1的中间部分与液压作动筒2一端铰接，液压作动筒另一端与控制台后缘固定铰接。通过控制液压作动筒2的伸缩，使得减速板1绕固定装置3的转轴旋转。如图4所示，所述的减速板1为复合板且其曲面形状对应于机车或车厢顶部相应位置的曲面形状，所述曲面形状在闭合时与车顶表面融合，曲面俯视图为矩形，展向长L为车厢宽的40%～70%，纵向长C为车厢宽的50%～80%。

减速板1在每节车厢顶部安装位置相同，且为等距安装，如图5，一般每节车厢顶部安装2个以上减速板。

实施例：

取CRH2动车外形，3节车（车头+中间车+车尾）体总重150t，总长75m，宽3.38m，高3.7m，减速板展长取1.5m，纵向长取1m。整车等直段约58m，为确定减速板安装最佳间距，对间距2.5m（24个）、5m（12个）、10m（6个）三种情况进行CFD数值模拟，得出当运行速度80m/s情况下减速板阻力系数如下表：

安装间距（数量）	减速板总的阻力系数
		2.5m（24个）	0.67
5m（12个）	0.77

10m（6个）

0.66

取间距5m，安装数量12个为距离实施的方案。

根据是上述的实施方案，车厢减速板总数12个，减速板展向长1.5m，纵向长（高）1m，减速板工作状态下与来流成77°。列车运行速度80m/s（288km/h），此时空气阻力占总阻力的80%。经CFD数值模拟将减速板工作状态下与非工作状态下所受阻力进行对比。

减速板状态（80m/s）	非工作	工作
			空气阻力(KN)	11	28
运行总阻力	13.75	35

由上表可以看出，当减速板打开时能产生相当于非工作状态下2.54倍的阻力，并且可通过调节打开的迎角改变阻力的大小以满足调速的要求。

列车表面的压力分布如图6所示，可见，在减速板上游有一个明显的高压区而下游有一个明显的低压区，形成了较大的压差阻力。

常规制动：

为保证列车安全运行，要求高速动车组制动系统能够在需要时，及时，反复的提供所需的制动力。我国现行的常规制动方式为盘形制动，属于接触摩擦制动，这种制动方式会带来制动系统的损耗，也就增加了其维护成本。而减速板制动，当列车普通制动时可通过调节减速板打开迎角改变制动减速度的大小，避免了反复制动带来的较大的机械损耗，同时这种制动方式缓慢改变列车运行的减速度，提高了旅客的舒适性。

紧急制动：

当列车遇到危险情况需要紧急制动时，减速板可迅速打开成90度，这时其产生的压差阻力达到最大值，最大量的缩短制动距离。参考现有资料，对紧急制动做一个简单评估。

当今高速动车紧急制动常规制动加速度约为1m/s²；减速板产生的额外制动阻力为：

$\mathrm{Cf}=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρV}}^{2}S\·\mathrm{Cd}$

ρ为当地空气密度；V为动车运行速度；S为减速板总面积；Cd为阻力系数

这里减速板平均阻力系数Cd取1。

假设列车不加减速板时制动减速度恒定为a，则制动力F₀=ma；加上减速板后，减速板产生的空气阻力为F_d=1/2 pV² S*Cd,其中ρ为空气密度，V为列车速度，S为减速板总面积，Cd为减速板阻力系数；

因此，此时列车的制动阻力为F=F₀+F_d，并满足关系式F=-mdv/dt;

即ma+1/2 pV² S*Cd = mdv/dt，得dt=-mdv/(ma+1/2 pV² S*Cd)

设t=0,V=V₀时列车开始制动，经过T时间后，列车完成制动，即此时V=0。

因此，制动距离为：

$X={\∫}_0^T\mathrm{Vdt}={\∫}_{V_0}^0-\frac{\mathrm{nv}}{\mathrm{ma}+1/2{\mathrm{\ρV}}^2\mathrm{SCd}}\mathrm{dv}=\frac{m}{\mathrm{\ρSCd}}\ln (1+\frac{1/2{\mathrm{\ρV}}^2\mathrm{SCd}}{\mathrm{ma}})$

经计算，只在减速板非工作情况下，紧急制动距离为3200m；减速板工作时制动距离为2630m，制动距离缩短17.8%。随动车运行速度提高，减速板的制动效果更佳显著，当车速到达400km/h时，减速板可将紧急制动距离缩短为原来的30%，且在制动过程中机械损耗很小，控制装置简单，不会导致紧急制动引起的车轮打滑现象。

Claims (5)

1.一种用于高速列车的风阻制动装置，其特征是：在高速列车的机车和每节车厢的顶部安装减速板，在高速列车正常运行时减速板关闭，与车顶外表面融合，在高速列车常规制动或紧急制动时减速板打开。

2.根据权利要求1所述的一种用于高速列车的风阻制动装置，其特征是：所述的在机车和每节车厢顶部外表面安装的减速板数量分别是2个以上，且为对每节车厢为等距安装，安装点位置不依赖于车厢处于整列车的位置。

3.根据权利要求1所述的一种用于高速列车的风阻制动装置，其特征是：所述的减速板通过固定装置连接在机车或者车厢的顶部，由液压作动筒驱动可绕固定装置做前后旋转，旋转角度为与来流方向0°～90°可调。

4.根据权利要求1或3所述的一种用于高速列车的风阻制动装置，其特征是：所述减速板打开时与来流方向成60°～90°夹角。

5.根据权利要求4所述的一种用于高速列车的风阻制动装置，其特征是：所述的减速板为复合板且其曲面形状对应于机车或车厢顶部相应位置的曲面形状，曲面俯视图为矩形，展向长为车厢宽的40%～70%，纵向长为车厢宽的50%～80%。

Images