CN110356424A - 以吹气方式干扰气流减少列车表面空气摩擦阻力系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种以吹气方式干扰气流减少列车表面空气摩擦阻力系统，其包括在列车风挡处的壁面上纵向布置若干个凸峰型的吹气单元，吹气单元的吹气方向与列车运行的方向相反且所有吹气单元吹气时的方向一致；每个吹气单元包括两个吹气口，两个吹气口均位于凸峰型的斜面上，且与列车外表面的平面构成一定夹角；一个吹气口与列车运行的方向相反，以实现吹气和密封，另一个吹气口与列车运行的方向相同，以实现密封；在列车内部，吹气单元包括第一系统、第二系统、支承与转动机构，第一系统和第二系统分别通过支承与转动机构加持承载并进行旋转；第一系统包括吹气装置和压紧装置，以分别实现吹气和压紧密封，第二系统包括压紧装置，以实现压紧密封。
Description
技术领域
本发明属于高速列车气流摩擦阻力技术领域，具体涉及一种以吹气方式干扰气流减少列车表面空气摩擦阻力系统。
背景技术
高速列车为人们的出行提供了很大的方便，根据高速列车的技术发展趋势，现在正在研究更高速度的列车。如图1和图2所示，列车在高速行驶中，空气与车体表面的相互作用，接近车体表面的空气产生了边界层，这也是形成表面高速摩擦阻力的源泉。即随着速度增加，车体表面与空气间的相互作用逐渐加强，空气阻力不断增大。为了减少车体表面与空气的摩擦力，人们在采用不少方法进行探索。
吹气技术未来是一个减少壁面气体摩擦力的方法，这是在壁面上制成许多微小孔，从这种多孔壁的表面，向外垂直吹出微小量空气。这样一种新型减少界面空气摩擦阻力的技术，利用微小量气体喷射，干扰边界层底部流动，从而达到减少壁面摩擦阻力的效果。许多研究和分析已经表明，在对吹气进行控制条件下，通过向外界吹气的能量对近壁面区域的空气流动进行控制能降低摩擦阻力。吹气技术面向高速载运工具，吹气的减阻效果虽然明显，但这种技术也存在负面效应，当不需要吹气的时候，这些吹孔甚至变成了产生阻力的来源。尤其是，许多载运工具是只向前方的单一方向行驶的，而高速列车的车辆是两个方向都要运行的。如果有一排孔留在车体上，当迎着行驶方向时，将造成更大的阻力。
对于这样利用吹出气体、干扰边界层底部气流流动，达到减少壁面摩擦阻力的研究，是适用于高速载运工具的一种方法，国外已开展这样的研究，针对的目标是飞行器，且国外已经在实验室里对吹气开展研究，在表面直接打直孔，当不需要吹气的时候，直孔无法封闭，直孔就成了阻力的来源，因此吹气能够对近壁区的流动形成干扰，降低摩擦阻力。但这技术目前还非常不成熟，也有一定缺陷，还没有投入实际应用。
对于列车来说，如果在外表面上开直孔，设直孔开在风挡位置，如图3所示。假如也打直孔，打一个直孔或打一列直孔，设打孔的位置就在列车的风挡位置，这个直孔将也会存在这样的缺点，在不需要吹气的时候，这个直孔变为了一个阻力的来源。直孔没有办法进行封闭，不存在具有封闭功能的设施。
列车的截面尺寸是很大的，风挡尺寸也很大，孔是很小的。在外表面上开的直孔，如图4所示，对单个直孔来说，当不需要吹气的时候，列车仍在前进，有外界气流，这时候的直孔反而会产生一定的阻力，如图5所示。
发明内容
针对现有技术中的不足，为了减少车体表面与空气的摩擦力，本发明采用吹气方法把车体表面之外的边界层吹稀吹松，使边界层扩散弱化。
为达到上述目的，本发明的解决方案是：
为了消去设置直孔带来的阻力，本发明申请设计了吹气单元，吹气单元设置在风挡位置，列车的截面尺寸是很大的，风挡尺寸也很大，吹气单元是很小的。吹气单元设置在风挡上，从上往下布置，如图6所示，布置一纵列吹气单元，如图7所示，布置两纵列吹气单元。
吹气单元上设计为两个吹气孔，两个吹气孔的功能可以转换。
当列车按向着终点站方向的驶入方向行驶时，设吹气孔是背向驶入终点站方向；当列车又驶离终点站时，原来背向列车驶入终点站方向的吹气孔就变为迎着前进方向了，由于吹气孔迎着前进方向，不需要再吹气，该吹气孔就成为了产生附加阻力的来源，所以应当把该吹气孔堵起来。此时，应当把按新的行驶前进方向的反方向进行吹气，把另外一个孔打开。
具体地，一种以吹气方式干扰气流减少列车表面空气摩擦阻力系统，其包括在列车风挡处的壁面上纵向布置若干个凸峰型的吹气单元，吹气单元的吹气方向与列车运行的方向相反且所有吹气单元吹气时的方向一致；每个吹气单元包括两个吹气口，两个吹气口均位于凸峰型的斜面上，且与列车外表面的平面构成一定夹角；一个吹气口与列车运行的方向相反，以实现吹气和密封，另一个吹气口与列车运行的方向相同，以实现密封。
在列车内部，吹气单元包括第一系统、第二系统、支承与转动机构，第一系统和第二系统分别通过支承与转动机构加持承载并进行旋转；第一系统包括吹气装置和压紧装置，以分别实现吹气和压紧密封，第二系统包括压紧装置，以实现压紧密封。
进一步地，第一系统中吹气装置与列车外表面水平呈30-60°，且与列车前进的方向相反，以实现向列车的侧后方进行吹气。
进一步地，吹气装置包括气管连接头，列车上的气源经过软管流入气管连接头内，顺着气路流吹气口处。
第一系统中的压紧装置和第二系统中的压紧装置的结构相同，均包括依次连接的堵塞机构、压紧机构、回退机构、推力与引导机构。
支承与转动机构包括上支承与转动机构、下支承与转动机构。
进一步地，上支承与转动机构包括芯轴和夹紧装置，夹紧装置通过芯轴固定，夹紧装置包括第一连接板和第二连接板，第一连接板固定连接第一系统中的压紧机构和回退机构，第二连接板固定连接第二系统中的压紧机构和回退机构。
下支承与转动机构包括转动承力座、推力轴承安装座、底座和轴承，推力轴承安装座与底座之间设置推力轴承，转动承力座固定连接第一系统中的推力与引导机构和第二系统中的推力与引导机构，转动承力座通过轴承和芯轴连接，以实现第一系统和第二系统同步转动。
进一步地，堵塞机构包括堵塞压盖，堵塞压盖上含有喷口。
压紧机构包括压紧力弹簧、压紧力套筒、弹簧压盖和导套，堵塞压盖的底部固定连接在弹簧压盖上，弹簧压盖内部设有压紧力套筒、压紧力弹簧，压紧力弹簧位于压紧力套筒内，弹簧压盖内侧和压紧力套筒之间设有导套，用于引导弹簧压盖的移动，导套固定连接在夹紧装置中连接板的上端部。
回退机构包括回退移动压杆、回退杆引导杆、带引导槽的回退杆引导框和回退力传递框，回退移动压杆的底部连接回退力传递框，带引导槽的回退杆引导框的上侧固定连接在夹紧装置中连接板的下端部，带引导槽的回退杆引导框的两侧设有引导槽，回退杆引导杆穿过两侧的引导槽，引导槽对回退杆引导杆起引导作用。
推力与引导机构包括汽缸及推杆、带引导槽的汽缸固定框，带引导槽的汽缸固定框的底部固定连接在转动承力座上，带引导槽的汽缸固定框的顶部连接于带引导槽的回退杆引导框，汽缸及推杆设置在带引导槽的汽缸固定框内，带引导槽的汽缸固定框的两侧设有空心导槽，回退力传递框在空心导槽内移动，汽缸及推杆带动回退力传递框的上下移动。
由于采用上述方案，本发明的有益效果是：
第一、本发明在列车风挡处的外壁面上设置适当尺度的外凸的弧形壁面，在风挡处以外凸弧形来设置倾斜孔，倾斜孔的孔洞方向与列车前进方向的反方向具有一定的夹角，从而减小列车行进中的阻力。
第二、本发明向后倾斜孔的气体吹出的速度，与列车前进的反方向气流流速的合成速度，使得吹气的合成速度比直孔距离长。
第三、本发明在列车行驶前进的迎面方向和行驶前进的背面方向，都设置有吹气孔，以适应高速列车双向运行的特征。进一步实现根据高速列车双向运行的特征，实现吹气和把吹气孔闭合的功能切换。
附图说明
图1为现有技术中列车上的风挡位置的结构示意图。
图2为现有技术中列车表面与气流边界层的示意图。
图3为现有技术中在列车风挡位置的表面上布置直孔的结构示意图。
图4为现有技术中从列车风挡位置表面上所开的直孔的吹气吹出方向示意图。
图5为现有的直孔技术中，在不需要吹气的时候，表面上的直孔受到外界附加阻力的示意图。
图6为本发明的纵向一列凸峰型吹气单元的位置示意图。
图7为本发明的纵向两列凸峰型吹气单元的位置示意图。
图8为本发明的系统中的吹气单元的俯视截面示意图。
图9为本发明的系统中第一系统处于回退状态的结构示意图。
附图标记：第一系统A、第二系统B、气管连接头1、堵塞机构2、堵塞压盖2-1、压紧机构3、压紧力弹簧3-1、压紧力套筒3-2、弹簧压盖3-3、导套3-4、回退机构4、回退移动压杆4-1、回退杆引导杆4-2、带引导槽的回退杆引导框4-3、回退力传递框4-4、推力与引导机构5、气缸及推杆5-1、带引导槽的气缸固定框5-2、下支承与转动机构6、转动承力座6-1、推力轴承及安装座6-2、底座6-3、轴承6-4、上支承与转动机构7、夹紧装置7-1、第一连接板7-1-1、第二连接板7-1-2、芯轴7-2。
具体实施方式
本发明提供了一种以吹气方式干扰气流减少列车表面空气摩擦阻力系统。
在高速列车上应用吹气技术，应当是在前进的时候，能够吹气，方向为向侧后方吹，减少摩擦阻力，在列车又反向行驶的时候，吹孔又变为迎着行驶方向，这时就把吹孔闭合起来。这样，就在列车最外的表面，采用具有凸峰型表面，在列车行驶前进方向的后方，可以打开吹气孔，进行吹气，在迎着列车行驶的前方，可以将吹气孔闭合。即在一个方向，实现吹气，吹气的同时，也能将车体表面上的吹气孔进行密封；另一个方向，实现将车体上的吹气孔进行闭合。
具体地，本发明的以吹气方式干扰气流减少列车表面空气摩擦阻力系统包括：在列车风挡处的壁面上纵向布置若干个凸峰型的吹气单元，即对于在列车风挡位置从上向下布设各个吹气单元，吹气单元外形为光滑的向表面外的凸峰型，吹气单元的吹气方向与列车运行的方向相反且所有吹气单元吹气时的方向一致。每个吹气单元都是在弧型凸起表面上设置有吹气孔，在迎着列车行驶前进方向和背向列车行驶前进方向，各有一个吹气孔。两个吹气口均位于凸峰型的斜面上，且与列车外表面的平面构成一定夹角；一个吹气口与列车运行的方向相反，以实现吹气和密封，另一个吹气口与列车运行的方向相同，以实现密封。即在车身表面上的每个吹气单元，内部必须有两套倾斜的系统，在吹气、密封两种状态间进行切换，以适应实际列车前进的方向。迎着列车前进方向的，进行密封，从而避免阻力；背向列车前进方向的，进行吹气，从而减小阻力。
其中，如图8所示，在列车内部，吹气单元包括第一系统A、第二系统B、支承与转动机构，第一系统A和第二系统B分别通过支承与转动机构进行夹持承载；同时在列车内部的两侧设置直立的构架，就可以把每个吹气单元固定在构架上，也可以在列车内部把两侧的直立的支架从车内的顶部相连起来，形成一个框架形式，但这些都属于列车内部的布置，不在本发明的范围之内。第一系统A、第二系统B通过支承与转动机构进行旋转，用来完成执行功能，即能够实现往上密封和往下回退，从而实现与车体表面上的吹气孔的贴合密封和分离。
实际上，第一系统A包括吹气装置和压紧装置，以实现第一系统的吹气和压紧密封功能；第二系统B包括压紧装置，以实现压紧密封，因此第一系统A较第二系统B增设有气源连接装置。第一系统A和第二系统B都已经与外表面进行贴合时，即处于压紧贴合状态。具体地，如图7所示，在吹气单元内，左侧是带有气管连接头1与软管的第一系统A，能够实现吹气和压紧密封功能，第一系统A中吹气装置和列车外表面水平呈30-60°，且与列车前进的方向相反，以实现向列车的侧后方进行吹气。在吹气的时候，右侧的第二系统B能够把表面壁厚上的迎着列车前进方向的喷口进行封闭。
支承与转动机构包括上支承与转动机构7和下支承与转动机构6；上支承与转动机构7包括夹紧装置7-1和芯轴7-2，夹紧装置7-1通过芯轴7-2固定，夹紧装置7-1包括第一连接板7-1-1和第二连接板7-1-2，第一连接板7-1-1固定连接第一系统A中的压紧机构3和回退机构4的相应部件，第二连接板7-1-2固定连接第二系统B中的压紧机构3和回退机构4的相应部件；下支承与转动机构6包括转动承力座6-1、推力轴承安装座6-2、底座6-3和轴承6-4，转动承力座6-1是一个锥型盘型零件，底座6-3也是一个盘型零件，由于吹气单元和列车前进的反方向具有一定夹角，因此推力轴承安装座6-2通过轴承6-4定位设置在底座6-3上，从而用于安装和承受其上的其他机构，推力轴承安装座6-2与底座6-3之间设置推力轴承，转动承力座6-1固定连接第一系统A中的推力与引导机构5和第二系统B中的推力与引导机构5，转动承力座6-1通过轴承6-4和芯轴7-2连接，即第一系统A和第二系统B通过底部的转动承力座6-1、连接向心推力的轴承6-4安装于底座6-3上，以实现第一系统A和第二系统B的同步转动。
其中，吹气装置包括气管连接头1，列车内有充足的气源，气源经过软管流入气管连接头1内，顺着气路流至吹气口处。第一系统A中的压紧装置和第二系统B中的压紧装置的结构相同(以下以第一系统A为例)，均包括依次连接的堵塞机构2、压紧机构3、回退机构4、推力与引导机构5；其中，堵塞机构2包括堵塞压盖2-1，可以压紧车体表面上的吹气孔并喷出气流，堵塞压盖2-1侧面连接有气管连接头1与输送气体的软管。
压紧机构3包括压紧力弹簧3-1、压紧力套筒3-2、弹簧压盖3-3和导套3-4，堵塞压盖2-1的底部与弹簧压盖3-3固定连接，弹簧压盖3-3内部设有压紧力套筒3-2、压紧力弹簧3-1，弹簧压盖3-3内侧和压紧力套筒3-2之间设置有导套3-4，用于引导弹簧压盖的移动，导套3-4固定连接在夹紧装置7-1中连接板的上端部。压紧力弹簧3-1的作用是用于压紧堵塞压盖2-1，堵塞压盖上含有喷口。当推力与引导机构5中的气缸及推杆5-1作用时，堵塞压盖2-1可以与吹气孔脱离，此时压紧力弹簧3-1处于被压紧状态，如图8所示。当停止向气缸供给压缩空气时，压紧力弹簧3-1发挥作用，实现往上的运动密封，即向上顶着压紧力套筒3-2，并推动着堵塞压盖2-1，从而把表面上的吹气口压紧。
回退机构4包括回退移动压杆4-1、回退杆引导杆4-2、带引导槽的回退杆引导框4-3和回退力传递框4-4，回退移动压杆4-1虽然在压紧机构3内，压紧力套筒3-2内设有回退移动压杆4-1，回退移动压杆4-1外侧缠绕压紧力弹簧3-1，但是用于回退时施加回退压力的。回退移动压杆4-1的底部连接回退力传递框4-4，带引导槽的回退杆引导框4-3的上侧固定连接在夹紧装置7-1中第一连接板7-1-1的下端部，带引导槽的回退杆引导框4-3的两侧设有引导槽，回退杆引导杆4-2穿过两侧的引导槽，引导槽对回退杆引导杆4-2起引导作用。
推力与引导机构5包括汽缸及推杆5-1、带引导槽的汽缸固定框5-2，带引导槽的气缸固定框5-2的底部和转动承力座6-1固定连接，带引导槽的气缸固定框5-2的顶部连接于带引导槽的回退杆引导框4-3，汽缸及推杆5-1设置在带引导槽的汽缸固定框5-2内，带引导槽的汽缸固定框5-2的两侧设有空心导槽，回退力传递框4-4在空心导槽内移动，汽缸及推杆5-1可以带动回退力传递框4-4做上下移动，从而实现堵塞压盖2-1与喷口的回退，并与吹气孔脱离接触，脱离接触之后就可以实现回转。实际上，解决气缸机构的气源问题不是本发明技术方案面临的关键技术问题。本领域皆知，列车上有充足的气源，且自带有压缩气缸，列车上的很多功能执行都是由气动机构来实现的。
具体地，需要回退的时候，气缸及推杆5-1安装在带引导槽的气缸固定框5-2上，带引导槽的气缸固定框5-2两侧有一定长度的空心导槽，可以使得回退力传递框4-4的一个边，可以从带引导槽的汽缸固定框5-2里穿过，并也能在空心导槽里移动。正是气缸的推杆的伸缩，可以带动回退力传递框4-4移动。回退之后的状态如图9所示，推杆伸长时，推动回退力传递框4-4向下移动，从而带动回退移动压杆4-1向下移动，并带动安装在堵塞压盖2-1上的顶部装置，即带有喷口的压盖部分，向下回退，使得喷口与列车表面的吹气口已脱离。当最上方的堵塞压盖2-1与喷口离开了与车头外表面吹气孔的连接，整个机构就可以开始转向。
该系统采用旋转机构能够旋转180°，也即吹气与密封装置与单独的密封装置可以换向，以满足列车在前后两个方向行驶时的不同的吹气和闭合需求。旋转的动力输入端就在芯轴7-2的下方，只需以小型电机带动皮带或齿轮，就可以实现芯轴7-2的180°转动，从而就可以使得该系统转动。在转动之前，把吹气装置和另一个闭合装置退回来，脱离与列车表面上吹气口的接触，就可以方便的转动。
本发明的工作过程为：
当设定图8中的右侧是列车前进方向时，第一系统A在左侧执行密封和吹气，第二系统B在右侧只执行密封；当图中的左侧是列车前进方向时，最上方的堵塞压盖与喷口离开了与车头外表面的吹气孔的连接时，整个机构就可以开始转180°；即第一系统A可以转动到右侧位置执行密封和吹气，同步的，第二系统B转动到左侧位置只执行密封；中间的芯轴7-2可以同步带动第一系统A和第二系统B转动。当机构转动完成之后，不再向气缸供给压缩空气，压紧力弹簧的弹力，就立即会顶起堵塞压盖及喷口，压向吹气孔。本发明的创新点在于给出整体的设计思路，驱动方面采用常规技术即可实现，驱动这部分具体如何实现不是本发明的保护要点。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种以吹气方式干扰气流减少列车表面空气摩擦阻力系统，其特征在于：其包括在列车风挡处的壁面上纵向布置若干个凸峰型的吹气单元，所述吹气单元的吹气方向与列车运行的方向相反且所有吹气单元吹气时的方向一致；
每个所述吹气单元包括两个吹气口，两个吹气口均位于凸峰型的斜面上，且与列车外表面的平面构成一定夹角；一个吹气口与列车运行的方向相反，以实现吹气和密封，另一个吹气口与列车运行的方向相同，以实现密封；
在列车内部，所述吹气单元包括第一系统(A)、第二系统(B)、支承与转动机构，所述第一系统(A)和第二系统(B)分别通过所述支承与转动机构加持承载并进行旋转；
所述第一系统包括吹气装置和压紧装置，以分别实现吹气和压紧密封，所述第二系统包括压紧装置，以实现压紧密封。
2.根据权利要求1所述的以吹气方式干扰气流减少列车表面空气摩擦阻力系统，其特征在于：所述第一系统(A)中吹气装置与列车外表面水平呈30-60°，且与列车前进的方向相反，以实现向列车的侧后方进行吹气。
3.根据权利要求1所述的以吹气方式干扰气流减少列车表面空气摩擦阻力系统，其特征在于：所述吹气装置包括气管连接头(1)，列车上的气源经过软管流入气管连接头(1)内，顺着气路流吹气口处；
所述第一系统(A)中的压紧装置和所述第二系统(B)中的压紧装置的结构相同，均包括依次连接的堵塞机构(2)、压紧机构(3)、回退机构(4)、推力与引导机构(5)；
支承与转动机构包括上支承与转动机构(7)、下支承与转动机构(6)。
4.根据权利要求3所述的以吹气方式干扰气流减少列车表面空气摩擦阻力系统，其特征在于：所述上支承与转动机构(7)包括夹紧装置(7-1)和芯轴(7-2)，所述夹紧装置(7-1)通过芯轴(7-2)固定，所述夹紧装置(7-1)包括第一连接板(7-1-1)和第二连接板(7-1-2)，所述第一连接板(7-1-1)固定连接第一系统(A)中的压紧机构(3)和回退机构(4)，所述第二连接板(7-1-2)固定连接第二系统(B)中的压紧机构(3)和回退机构(4)；
所述下支承与转动机构(6)包括转动承力座(6-1)、推力轴承安装座(6-2)、底座(6-3)和轴承(6-4)，所述推力轴承安装座(6-2)与底座(6-3)之间设置推力轴承，所述转动承力座(6-1)固定连接第一系统(A)中的推力与引导机构(5)和第二系统(B)中的推力与引导机构(5)，所述转动承力座通过轴承(6-4)和芯轴(7-2)连接，以实现第一系统(A)和第二系统(B)同步转动。
5.根据权利要求3所述的以吹气方式干扰气流减少列车表面空气摩擦阻力系统，其特征在于：所述堵塞机构(2)包括堵塞压盖(2-1)，所述堵塞压盖(2-1)上含有喷口；
所述压紧机构(3)包括压紧力弹簧(3-1)、压紧力套筒(3-2)、弹簧压盖(3-3)和导套(3-4)，所述堵塞压盖(2-1)的底部固定连接在弹簧压盖(3-3)上，所述弹簧压盖(3-3)内部设有压紧力套筒(3-2)、压紧力弹簧(3-1)，所述压紧力弹簧(3-1)位于所述压紧力套筒(3-2)内，所述弹簧压盖(3-3)内侧和压紧力套筒(3-2)之间设有导套(3-4)，用于引导弹簧压盖(3-3)的移动，所述导套(3-4)固定连接在夹紧装置(7-1)中连接板的上端部；
所述回退机构(4)包括回退移动压杆(4-1)、回退杆引导杆(4-2)、带引导槽的回退杆引导框(4-3)和回退力传递框(4-4)，所述回退移动压杆(4-1)的底部连接所述回退力传递框(4-4)，所述带引导槽的回退杆引导框(4-3)的上侧固定连接在夹紧装置(7-1)中连接板的下端部，所述带引导槽的回退杆引导框(4-3)的两侧设有引导槽，回退杆引导杆(4-2)穿过两侧的引导槽，引导槽对回退杆引导杆(4-2)起引导作用；
所述推力与引导机构(5)包括汽缸及推杆(5-1)、带引导槽的汽缸固定框(5-2)，所述带引导槽的汽缸固定框(5-2)的底部固定连接在转动承力座(6-1)上，所述带引导槽的汽缸固定框(5-2)的顶部连接于带引导槽的回退杆引导框(4-3)，所述汽缸及推杆(5-1)设置在带引导槽的汽缸固定框(5-2)内，所述带引导槽的汽缸固定框(5-2)的两侧设有空心导槽，所述回退力传递框(4-4)在所述空心导槽内移动，所述汽缸及推杆(5-1)带动所述回退力传递框(4-4)的上下移动。
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