CN104442859A - 带翼准悬浮与悬浮高速列车系统 - Google Patents

带翼准悬浮与悬浮高速列车系统 Download PDF

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Abstract

本发明带翼准悬浮与悬浮高速列车系统，包括带翼列车部分，钢轨部分，接触网和受电弓部分。其特征是，带翼列车通过在车体顶部和两侧安装单级或多级顶翼和侧翼，在列车高速运行时产生的升力将列车提升，使列车处于准悬浮或悬浮状态；钢轨几何尺寸保证列车作准悬浮或悬浮运行时，安装于车体底架的限位装置和监测装置正常工作，使脱轨系数Q/P处国际标准以下；高铁的接触网和受电弓的几何尺寸适当压缩空间，使顶翼有安装余地。本发明在安全、可靠、适用、经济原则下，充分利用现有高铁基础设施，提高高速列车运行安全性，同时大幅延长高铁基础设施和列车使用寿命。

Description

带翼准悬浮与悬浮高速列车系统
技术领域：
本发明涉及轨道交通技术与航空飞行技术。
背景技术：
20世纪60年代以来，高铁在日、德、法、意、西、韩等国相继兴起并获快速发展。截止2012年底，世界高铁运营里程已达24000km。
自1964年日本建成高铁东海道新干线，以时速200km/h运营，其后，对速度的追求成为在安全、可靠、实用、经济原则下发展高铁的一个重要方面。1981年，法国高铁TGV速度达380km/h；1988年德国ICE高铁最高试验速度达406.9km/h；2007年，法国的TGV-V150创当时最高试验速度574.8km/h；2014年1月我国南车集团制造的CIT500型高铁列车，在青岛四方机车车辆股份有限公司试验线路上，创造试验速度605km/h的新的世界记录。
我国高铁始于2004年国务院常务会议提出并通过的“中长期铁路网规划”，该规划提出建立超过1.2万km、“四纵四横”快速客运专线网。自此以后，我国高铁在引进日本、德国、法国、加拿大等国高铁技术基础上，沿引进、消化、创新路径，飞速发展。十余年来，我国高铁后来居上，运营总里程2013年底已达11028km，运营速度达300～380km/h，稳居世界高铁运营里程榜首，成为中国和平崛起的一张金光闪闪的名片，名扬世界。
据报道，我国有近万名科技人员参入轨道交通的技术创新研究与开发。
科技人员的理论和试验研究表明：高铁涉及三大核心技术，即列车与轨道、接触网的动力作用，空气动力作用，以及列车牵引与制动。
高速列车的轮轨垂向作用力约与速度平方成正比，轮轨垂向力(轴重，尤其是簧下质量)影响轨道下沉变形，导致轨道不平顺，造成磨损与破坏，并波及轨枕、道床和路基；轮轨的横向作用力影响列车的稳定性与曲线通过的安全性。
高速列车的空气动力作用，其所受空气阻力约与速度平方成正比，据理论和试验研究表明，当速度达160km/h时，空气阻力已十分突出，车速达200km/h时，空气阻力占列车所受总阻力的70％；和谐号CRH380A在京沪高铁以时速486.1km/h运行，其所受空气阻力超过总阻力的92％；如果时速达500km/h，则空气阻力占总阻力的95％。列车空气阻力以外所受阻力，主要就是轮轨垂向力、即轴重造成的摩擦阻力。
高铁列车的能耗用于克服行车阻力，行车阻力一部分是轮轨摩擦阻力，另外大部分是空气阻力。因此，高铁列车的能耗主要用于克服空气阻力，而空气阻力约与速度平方成正比，故此，高铁列车的单位距离能耗也大致与列车速度平方成正比。
由于列车所受空气阻力是影响列车速度和能耗的主要因素，因此，减小或消除空气阻力，便成为人类追求高速和超高速列车的又一个伟大梦想。
1999年，美国机械工程师戴睿·奥斯特提出“真空管道磁悬浮列车”的美国专利申请，试图以密封真空管道磁悬浮列车，来达到高速和超高速运输，并大幅降低能耗。2001年，我国学者张耀平将此概念性技术从美国引入中国，2002年，在美国工程师戴睿·奥斯特帮助下，我国西南交通大学组建以两院院士沈志云、磁悬浮专家王家素和学者张耀平等参入的“真空管道运输研究所”，在国家经费支持下，2006年开始作理论和试验研究。据该研究所称，他们第一步将在2020～2030年实现普通真空高铁时速500-600km/h的运营；第二步二、三年后开展时速超过1000km/h的低真空磁悬浮列车研究；第三步开展时速4000-20000km/h的高真空磁悬浮列车的理论研究。该研究所称，真空管道磁悬浮高速交通，由于管道密封，没空气摩擦，磁悬浮列车可以惊人高速运行，具有一系列优越性，诸如：
无需车载过多电源，安全性高，能静止悬浮，启动耗能少，运行噪音低，车体轻，适合高频发车，大幅降低路基和轨道成本，以及可在海底和气候恶劣地区不受任何影响安全运营，等等。
在目前世界上认真研究真空管道磁悬浮运输系统的三个国家(美国、瑞士、中国)中，我国居于首位，除理论研究外，也开展了试验研究。
不过，真空管道磁悬浮列车自申请专利以来，世界开展认真研究的仅三家，连精于模仿的日本也不为所动，可见，真空管道磁悬浮列车的开发前景包含许多风险。
其一，真空管道磁悬浮列车系统的基础设施与传统铁路(包括高铁)截然不同，包括真空管道、磁悬浮系统、列车、隧道、桥涵等的基础设施建设的投入费用将是天文数字；尤其是在山区建设平直(大曲率半径)隧道、桥梁，在海底建设隧道都将是人类史上费用极为巨大的宏伟工程。
其二，由于管道密封和处于真空状态，故事故处理、灾难救援的难度大为增加。
其三，整个系统的维护费用(如保持管道真空)也将非常巨大。
由于这些难于克服的本质性弊端和弱点，设想依靠真空管道磁悬浮运输系统消除空气阻力为人类提供高速甚至超高速的安全运营工具，恐怕未来几十年都将停留于理论研究和小尺寸、小规模模型试验阶段，成为可望而不可及的“纸上宏伟工程”。
另外，就背景技术而言，不能不提及，随着高铁列车提速，那么，在轨道上的列车通过流量将成比例增加，速度增加一倍，则流量也增加一倍。如前所述，高速列车运行时，其轮轨垂向力大约与速度平方成正比，除掉列车运行时产生的升力，轮轨垂向力导致轨道下沉变形，轨道不平顺，造成磨损和破坏，并波及轨枕、道床和路基，故列车提速，这种负面影响势必大为加剧，它们影响到车辆、轨道、路基使用寿命，这一点决不容忽视。
为了提高高速列车安全运营速度，同时降低轮轨垂向力对轮轨、车辆、路基的负面影响，延长车辆、铁轨、路基使用寿命，本发明试图给高速列车装上顶翼和侧翼，以高速列车运行时顶翼和侧翼产生的升力来降低轮轨垂向力，这就需要略提飞行技术背景。
现代飞行技术已十分成熟，下面列出飞机的升力和阻力公式，可以看出，从空气动力学角度看，它们与高铁列车所受升力和阻力有类似之处。
飞机机翼所产力的升力可表示为：
其中Cy称为升力系数，ρ∞为机翼远前方气体密度，V∞为机翼远前方的气流速度，S为机翼面积。
可见，机翼所产生的升力大小与升力系数，相对气流动压，机翼面积成正比，而升力系数取决于机翼迎角和翼型，故此，在飞机低速飞行时，机翼产生的升力由迎角、翼型、机翼面积和相对气流动压等决定。
飞机所产生的阻力可表示为
其中Cx称为阻力系数，ρ∞为机翼远前方气体密度，V∞为机翼远前方的气流速度，S为机翼面积。
可见，飞机所受阻力大小，与阻力系数、相对气流动压、机翼面积成正比，而阻力系数取决于迎角，飞机形状(包括机翼、机身、尾翼、外挂物形状等)和飞机表面光滑程度诸因素。故此，飞机低速飞行时，飞机阻力由迎角、飞机形状、表面光滑程度、相对气流动压和机翼面积等因素决定。
由此可知，改变飞机机翼迎角、机翼翼型、飞机形状、飞机表面光滑程度、机翼面积、相对气流动压，就可以改变飞机升力或阻力。
基于上述背景技术，为了在安全、可靠、适用、经济原则下，提高高铁商业运营时速，同时充分利用现有高铁基础设施(路基、轨道、桥涵、隧道、供电系统、信号系统、控制指挥系统等)，又大幅延长基础设施和列车车辆使用寿命，本发明将现有高铁技术与现代航空技术结合起来，提出带翼准悬浮与悬浮高速列车系统的发明构想。
发明内容：
本发明带翼准悬浮与悬浮高速列车系统，包括：带翼列车部分，钢轨部分，接触网和受电弓部分。所述带翼列车部分，其特征是，不论动车或拖车，都安装有单级或多级顶翼和侧翼；顶翼安装于车体顶部，以枢轴和支架与车体联结；顶翼翼型、展弦比和面积，由设计要求和风洞实验确定；顶翼后缘由液压装置与车体联接，以控制顶翼的迎角；同时，选用在顶翼上表面(前缘或后缘)设置抽、喷气孔进行附面层控制，增减顶翼升力或顶翼的摩擦阻力；选用襟翼和扰流板等调节顶翼的升力或阻力；顶翼枢轴由支架与车体联结，列车高速运行时顶翼产生的升力通过枢轴和支架提升车体，支架由合金钢等材质构成；顶翼取三角翼形状；侧翼安装在车体两侧，其翼型、展弦比和面积由设计要求和风洞试验确定；侧翼取三角翼形状；侧翼以内置合金钢支架与车体联接，列车高速运行时侧翼产生的升力通过支架提升车体；列车顶翼和侧翼的展长必须处在高铁基础设施安全营运宽度限制以内；当列车顶翼和侧翼产生的总升力小于车体总轴重，列车做准悬浮运行；安装于车体底架和转向架上的轮轨限位装置、轮轨垂向力监测装置与横向力监测装置及其它轮轨监测装置，确保处准悬浮状态的高速列车的脱轨系数Q/P低于国际标准值，保障列车不发生爬轨、跳轨、蛇行脱轨等脱轨事故；当列车顶翼和侧翼产生的总升力大于车体总轴重，列车做悬浮运行，安装于车体底架的抱轨装置、和安装于底架和转向架上的轮轨限位装置与轮轨垂向力与横向力监测装置和其它轮轨监测装置，确保处悬浮状态的高速列车不发生脱轨事故。所述钢轨部分，其特征是，其几何尺寸确保可以有效配合列车高速准悬浮运行或悬浮运行时，安装于列车底架上的限位装置、抱轨装置与轮轨垂向力和横向力监测装置及其它轮轨监测装置的正常工作，保障列车高速准悬浮或悬浮运行时不发生脱轨事故。所述接触网和受电弓部分，其特征是，为充分利用现有高铁基础设施，带翼准悬浮与悬浮高速列车系统的接触网和受电弓应压缩所占空间，提升接触网输电线高度；安装于拖车或动车上的受电弓，装于列车顶翼前方或后方，以不受顶翼空气动力学特性影响为度，为此，安装受电弓的拖车或动车，其所装顶翼的翼型、展弦比、面积、安装位置及其它调控顶翼升力、阻力和空气流动状态的方式，也都相应调整，使受电弓与接触网的接触能够在列车做准悬浮或悬浮运行时，给列车安全、可靠输电。
本发明带翼准悬浮与悬浮高速列车系统叙述完毕。
本发明在安全、可靠、实用、经济的高速铁路修建与运营原则下，充分利用已有高铁基础设施(道床、路基、隧道、桥涵、供电系统、信号系统、指挥系统等)，给高速列车安装顶翼和侧翼，在一定程度增加能耗的情况下，安全提升列车运行速度，同时大幅延长高速列车基础设施(包括车辆)使用寿命，具有明显优越性。
附图说明：
图1，本发明选取2级顶翼和侧翼时的头车侧视示图；
图2，本发明选取2级顶翼和侧翼时的头车俯视示图；
图3，本发明选取2级顶翼和侧翼时的头车正视示图；
图4，本发明选取2级顶翼和侧翼时的动车或拖车局部侧视示图；
图5，本发明钢轨与列车底架限位装置示图。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例：选取2级顶翼(1)和侧翼(2)设计方案的带翼准悬浮或悬浮高速列车系统。
本发明带翼准悬浮与悬浮高速列车系统的实施例，包括：带翼列车(3，12)部分，钢轨(9)部分，接触网(7)和受电弓(8)部分。所述带翼列车(3，12)部分，其特征是，在头车(3)和后挂动车(12)或拖车(12)上，都安装有2级顶翼(1)和侧翼(2)，顶翼(1)安装于车体(3，12)顶部，以枢轴(4)和支架(5)与车体(3，12)联结，顶翼(1)翼型、展弦比和面积，由设计和风洞试验确定，顶翼(1)后缘由液压装置(6)与车体(3，12)联接，以控制顶翼(1)的迎角；选用在顶翼(1)上表面设置抽、喷气孔进行附面层控制，增减顶翼(1)升力或顶翼(1)的摩擦阻力；选用襟翼和扰流板等调节顶翼(1)的升力或阻力；顶翼(1)枢轴(4)由支架(5)与车体(3，12)联结，列车高速运行时顶翼(1)产生的升力通过枢轴(4)和支架(5)提升车体(3，12)，支架(5)由合金钢等材质构成；顶翼(1)取三角翼形状；侧翼(2)安装在车体(3，12)两侧，其翼型、展弦比和面积由设计要求和风洞试验确定；侧翼(2)取三角翼形状；侧翼(2)以内置合金钢支架与车体联接；列车顶翼(1)和侧翼(2)的展长必须处在高铁基础设施安全营运宽度限制以内；当列车顶翼(1)和侧翼(2)产生的总升力小于车体(3，12)总轴重，列车做准悬浮运行；安装于车体(3，12)底架(11)和转向架上的轮轨限位装置(10)、轮轨垂向力监测装置与横向力监测装置及其它轮轨监测装置，确保处准悬浮状态的高速列车的脱轨系数Q/P低于国际标准值，保障列车不发生爬轨、跳轨、蛇行脱轨等脱轨事故；当列车顶翼(1)和侧翼(2)产生的总升力大于车体(3，12)总轴重，列车做悬浮运行，安装于车体底架(11)的抱轨装置、和安装于底架(11)和转向架上的轮轨限位装置(10)与轮轨垂向力与横向力监测装置和其它轮轨监测装置，确保处悬浮状态的高速列车不发生脱轨事故。所述钢轨(9)部分，其特征是，其几何尺寸确保可以有效配合列车高速准悬浮运行或悬浮运行，安装于列车底架(11)上的限位装置(10)、抱轨装置与轮轨垂向力和横向力监测装置及其它轮轨监测装置的正常工作，保障列车高速准悬浮或悬浮运行时不发生脱轨事故。所述接触网(7)和受电弓(8)部分，其特征是，为充分利用现有高铁基础设施，带翼准悬浮与悬浮高速列车系统的接触网(7)和受电弓(8)，适当压缩所占空间，提升接触网输电线高度；安装于拖车(12)或动车(12)上的受电弓(8)，装于列车顶翼(1)前方或后方，以不受顶翼(1)空气动力学特性影响为度，为此，安装受电弓的拖车(12)或动车(12)，其所装顶翼(1)的翼型、展弦比、面积、安装位置及其它调控顶翼(1)升力、阻力和空气流动状态的方式，也都相应调整，使受电弓(8)与接触网(7)的接触能够在列车做准悬浮或悬浮运行时，给列车安全、可靠输电。
本发明带翼准悬浮与悬浮高速列车系统的实施例叙述完毕。

Claims (1)

1.带翼准悬浮与悬浮高速列车系统，包括：带翼列车部分，钢轨部分，接触网和受电弓部分；所述带翼列车部分，其特征是，不论动车或拖车，都安装有单级或多级顶翼和侧翼；顶翼安装于车体顶部，以枢轴和支架与车体联结；顶翼翼型、展弦比和面积，由设计要求和风洞实验确定；顶翼后缘由液压装置与车体联接，以控制顶翼的迎角；同时，选用在顶翼上表面(前缘或后缘)设置抽、喷气孔进行附面层控制，增减顶翼升力或顶翼的摩擦阻力；选用襟翼和扰流板等调节顶翼的升力或阻力；顶翼枢轴由支架与车体联结，列车高速运行时顶翼产生的升力通过枢轴和支架提升车体，支架由合金钢等材质构成；顶翼取三角翼形状；侧翼安装在车体两侧，其翼型、展弦比和面积由设计要求和风洞试验确定；侧翼取三角翼形状；侧翼以内置合金钢支架与车体联接，列车高速运行时侧翼产生的升力通过支架提升车体；列车顶翼和侧翼的展长必须处在高铁基础设施安全营运宽度限制以内；当列车顶翼和侧翼产生的总升力小于车体总轴重，列车做准悬浮运行；安装于车体底架和转向架上的轮轨限位装置、轮轨垂向力监测装置与横向力监测装置及其它轮轨监测装置，确保处准悬浮状态的高速列车的脱轨系数Q/P低于国际标准值，保障列车不发生爬轨、跳轨、蛇行脱轨等脱轨事故；当列车顶翼和侧翼产生的总升力大于车体总轴重，列车做悬浮运行，安装于车体底架的抱轨装置、和安装于底架和转向架上的轮轨限位装置与轮轨垂向力与横向力监测装置和其它轮轨监测装置，确保处悬浮状态的高速列车不发生脱轨事故；所述钢轨部分，其特征是，其几何尺寸确保可以有效配合列车高速准悬浮运行或悬浮运行时，安装于列车底架上的限位装置、抱轨装置与轮轨垂向力和横向力监测装置及其它轮轨监测装置的正常工作，保障列车高速准悬浮或悬浮运行时不发生脱轨事故；所述接触网和受电弓部分，其特征是，为充分利用现有高铁基础设施，带翼准悬浮与悬浮高速列车系统的接触网和受电弓应压缩所占空间，提升接触网输电线高度；安装于拖车或动车上的受电弓，装于列车顶翼前方或后方，以不受顶翼空气动力学特性影响为度，为此，安装受电弓的拖车或动车，其所装顶翼的翼型、展弦比、面积、安装位置及其它调控顶翼升力、阻力和空气流动状态的方式，也都相应调整，使受电弓与接触网的接触能够在列车做准悬浮或悬浮运行时，给列车安全、可靠输电。
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