CN111976755A - 一种具有风阻制动装置的高速列车司机室及高速列车 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有风阻制动装置的高速列车司机室及高速列车，高速列车司机室包括司机室本体，司机室本体的变截面区域上安装有多组风阻制动板，多组风阻制动板沿司机室本体的长度方向并排布置，每组风阻制动板均包括沿变截面区域外部轮廓横向间隔设置的多块制动单元板，相邻的两组风阻制动板中的制动单元板错位安装，司机室本体上安装有用于收拢或打开制动单元板的开合驱动机构。该具有风阻制动装置的高速列车司机室结构简单、安装方便、可靠性高，能够满足高速列车紧急制动状态下对制动力的需求，解决高速列车在紧急制动时制动力不足的问题。

Description

一种具有风阻制动装置的高速列车司机室及高速列车
技术领域
本发明涉及轨道交通装备技术领域，具体而言，涉及一种具有风阻制动装置的高速列车司机室及高速列车。
背景技术
高速列车是一种贴近地面高速运动的物体，我国传统列车时速120km时，空气阻力约占总阻力的40％；钝头机车牵引提速客车(车辆底部裸露在外)组成的提速列车，时速160km时，空气阻力占总阻力的75％左右；时速在300km/h时，空气阻力占总阻力的85％左右。列车空气阻力与列车运行速度的平方成正比，随着列车运行速度的提高，列车空气阻力迅速增大，列车空气阻力占总阻力的比重也越来越大。
当高速列车运行速度从300km/h提高到350km/h时，列车动能增加40％以上，列车制动需要消耗的能量也相应增加40％以上。传统的列车制动方式是依赖于轮轨间黏着力的踏面制动、盘形制动或再生制动，而对于运行速度350km/h及其以上的高速列车，其轮轨间的黏着系数随着高速列车运行速度的增加而下降，也就是列车在350km/h速度下制动时其制动距离会大大延长，在传统的350km/h的制动距离内列车不能停车。
传统的制动形式已经不能满足地震或列车发生碰撞等紧急条件下的高速列车制动需要。高速列车制动技术对于列车安全运行至关重要，在地震或列车发生碰撞情况下，高速列车紧急制动距离越短，高速列车才能越安全，旅客的安全系数也就越高。因此，有必要开发一种新型的制动装置，以满足高速列车在紧急制动状态下对制动力的需求。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种具有风阻制动装置的高速列车司机室及高速列车，该具有风阻制动装置的高速列车司机室结构简单、安装方便、可靠性高，能够满足高速列车紧急制动状态下对制动力的需求，解决高速列车在紧急制动时制动力不足的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种具有风阻制动装置的高速列车司机室，包括司机室本体，司机室本体的变截面区域上安装有多组风阻制动板，多组风阻制动板沿司机室本体的长度方向并排布置，每组风阻制动板均包括沿变截面区域外部轮廓横向间隔设置的多块制动单元板，相邻的两组风阻制动板中的制动单元板错位安装，司机室本体上安装有用于收拢或打开制动单元板的开合驱动机构。
进一步地，制动单元板收拢时与司机室本体的变截面区域流线一致；制动单元板打开时与司机室本体的长度方向呈60°-90°夹角，且制动单元板朝向高速列车的鼻锥一侧向上倾斜。
进一步地，制动单元板铰接安装在司机室本体的变截面区域，开合驱动机构为液压缸，液压缸的一端铰接安装在司机室本体上，液压缸的另一端与制动单元板铰接。
进一步地，司机室本体上沿变截面区域外部轮廓横向设置有阶梯型凹槽，制动单元板铰接安装在阶梯型凹槽的侧壁上沿处；制动单元板收拢时，开合驱动机构收纳在阶梯型凹槽内。
进一步地，阶梯型凹槽的侧壁上沿设有铰接槽，铰接槽内设有固定铰支座，制动单元板铰接安装在固定铰支座上。
进一步地，每一块制动单元板通过至少两个固定铰支座铰接安装在阶梯型凹槽的侧壁上沿；制动单元板的内侧设有多根加强筋。
进一步地，阶梯型凹槽的底面上沿司机室本体的变截面区域轮廓横向设置有阶梯凸台，阶梯型凹槽的底面呈朝向高速列车的鼻锥降低的阶梯状。
进一步地，司机室本体包括一司机室内层钢结构，司机室内层钢结构为非流线型钢结构，司机室内层钢结构的前端设有阶梯型凹槽骨架和阶梯凸台骨架，司机室内层钢结构的外侧装有非流线型密封蒙皮，非流线型密封蒙皮蒙设在阶梯型凹槽骨架上形成阶梯型凹槽，非流线型密封蒙皮蒙设在阶梯凸台骨架上形成阶梯凸台。
进一步地，司机室本体还包括一司机室外层钢结构，司机室外层钢结构为流线型钢结构，司机室外层钢结构装设在非流线型密封蒙皮的外侧，非流线型密封蒙皮的前端设有用于放置制动单元板的单元板放置孔。
根据本发明的另一方面，提供了一种高速列车，包括头车、中间车和尾车，头车和尾车上均设置有上述的具有风阻制动装置的高速列车司机室。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)、本发明的具有风阻制动装置的高速列车司机室，通过在司机室本体的变截面区域安装多组风阻制动板，使多组风阻制动板沿司机室本体的长度方向并排布置，并且将相邻的两组风阻制动板中的制动单元板错位安装，可以充分利用前排制动单元板对后排制动单元板干扰的影响，提高后排制动单元板的制动力；
(2)、本发明的具有风阻制动装置的高速列车司机室，将司机室本体内层钢结构在安装风阻制动板处设计为半圆状阶梯型凹槽，一方面可以增加高速列车的气动阻力，另一方面为风阻制动板和液压缸提供安装空间，而且不会额外占用高速列车乘客区域的空间，与现有的机构相比扩大了乘客区域的空间；
(3)、采用本发明的高速列车司机室的高速列车，通过在头车上使用本发明的司机室，司机室上的风阻制动装置产生的气动阻力比在车身其它部位安装风阻制动板所提供的气动阻力更大，制动效果更好；
(4)、采用本发明的高速列车司机室的高速列车，通过在尾车上使用本发明的司机室，充分利用了列车尾涡结构的分布规律，在尾车变截面区域安装风阻制动板，可以增大列车尾部漩涡区域的压力/速度梯度，从而进一步增大尾车的气动阻力，在高速列车制动时头尾车均可产生气动阻力；
(5)、本发明的具有风阻制动装置的高速列车司机室结构简单、安装方便、工作可靠，能够极大地增加高速列车在紧急情况下制动时所需的制动力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为采用本发明的司机室的高速列车的结构示意图。
图2为本发明实施例的司机室中的风阻制动装置非工作状态下的轴测图。
图3为本发明实施例的司机室中的风阻制动装置工作状态下的轴测图。
图4为本发明实施例的司机室中的风阻制动装置工作状态下另一方向的轴测图。
图5为本发明实施例的司机室中司机室内层钢结构的轴测图。
图6为本发明实施例的司机室中非流线型密封蒙皮的轴测图。
图7为本发明实施例的司机室中司机室外层钢结构的轴测图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
1、风阻制动板；2、开合驱动机构；11、制动单元板；30、司机室本体；31、鼻锥；32、阶梯型凹槽；33、司机室内层钢结构；34、非流线型密封蒙皮；35、司机室外层钢结构；100、头车；200、中间车；300、尾车；321、铰接槽；322、固定铰支座；323、阶梯凸台；331、阶梯型凹槽骨架；332、阶梯凸台骨架；351、单元板放置孔。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“一个”或者“一”等类似词语不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于直接的连接，而是可以通过其他中间连接件间接的连接。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
参见图2至图7，一种本发明实施例的具有风阻制动装置的高速列车司机室，该高速列车司机室主要包括司机室本体30，在司机室本体30的变截面区域安装有多组风阻制动板1，多组风阻制动板1沿司机室本体30的长度方向并排布置，每组风阻制动板1均包括沿变截面区域外部轮廓横向间隔设置的多块制动单元板11，并且相邻的两组风阻制动板1中的制动单元板11错位安装(即后一组风阻制动板1中的制动单元板11对应于前一组风阻制动板1中的两块制动单元板11之间的间隙安装)；在司机室本体30上还安装有用于收拢或打开制动单元板11的开合驱动机构2。
上述的具有风阻制动装置的高速列车司机室，通过在司机室本体30的变截面区域安装多组风阻制动板1，使多组风阻制动板1沿司机室本体30的长度方向并排布置，并且将相邻的两组风阻制动板1中的制动单元板11错位安装，通过开合驱动机构2驱动制动单元板11的收拢与打开；在变截面区域安装的风阻制动板1产生的气动阻力比在车身其它部位安装风阻制动板1所提供的气动阻力更大；将制动单元板11错位安装可以充分利用前排制动单元板11对后排制动单元板11干扰的影响，提高后排制动单元板11的制动力；该高速列车司机室结构简单、安装方便，能够满足高速列车紧急制动状态下对制动力的需求，解决高速列车在紧急制动时制动力不足的问题。
参见图2，在本实施例中，制动单元板11收拢时与司机室本体30的变截面区域流线一致。这样，在列车正常运行时，制动单元板11收拢关闭，制动单元板11作为司机室的一部分与司机室流线型的外形结构融合在一起，不会产生额外的气动阻力。
参见图3和图4，在本实施例中，制动单元板11打开时与司机室本体30的长度方向呈60°-90°夹角，并且，制动单元板11朝向高速列车的鼻锥31一侧向上倾斜。如此设置，在高速列车紧急制动时，制动单元板11在开合驱动机构2的驱动下迅速打开，同时列车的司机室流线型的外形结构发生变化，通过司机室的结构外形的变化和风阻制动板1产生空气压差阻力和空气摩擦阻力，快速增大高速列车的制动力。
具体来说，参见图3和图4，在本实施例中，制动单元板11的下沿铰接安装在司机室本体30的变截面区域，开合驱动机构2采用液压缸，该液压缸的一端铰接安装在司机室本体30上，液压缸的另一端与制动单元板11铰接。当遇到紧急情况需要紧急制动时，通过控制液压缸可将风阻制动装置自动或手动快速打开；当危险结束后，风阻制动装置可以通过控制系统恢复原状。
进一步地，参见图3和图4，在本实施例中，司机室本体30上沿变截面区域轮廓横向设置有阶梯型凹槽32，该阶梯型凹槽32沿司机室本体30的变截面区域轮廓呈半圆环状；制动单元板11铰接安装在阶梯型凹槽32的侧壁上沿处；在制动单元板11收拢时，开合驱动机构2收纳在阶梯型凹槽32内，并盖在制动单元板11的下方。如此设置，司机室本体30的变截面区域上的阶梯型凹槽32，一方面可以用于增大司机室的迎风面积，通过阶梯型凹槽32与风阻制动板1共同作用提高风阻制动力；另一方面可以为制动单元板11的开合驱动机构2提供安装空间，使制动单元板11和开合驱动机构2很好地与列车融为一体，保持正常运行情况下列车的流线外形。
进一步优选地，司机室本体30上的阶梯型凹槽32的数量控制在2-4个之间；相应地风阻制动板1的数量也为2-4组，其具体数量可根据不同车型头尾流线型的长度来具体确定；每一组风阻制动板1中的多个制动单元板11优选沿列车长度方向竖向中截面对称布置，可使列车两侧所受到的风阻相等，提高列车的稳定性。
具体来说，在本实施例中，阶梯型凹槽32的侧壁上沿设有铰接槽321，铰接槽321内设有固定铰支座322，制动单元板11铰接安装在该固定铰支座322上。这样设置，当制动单元板11收拢时，可以将制动单元板11及其固定铰支座322全部收拢在阶梯型凹槽32内，确保制动单元板11收拢时其背面与列车变截面区域保持流线一致，降低列车正常运行时的风阻。
进一步地，在本实施例中，每一块制动单元板11均通过两个固定铰支座322铰接安装在阶梯型凹槽32的侧壁上沿，以提高制动单元板11转动时和制动时的稳定性。在制动单元板11的内侧还设置有多根加强筋，以提高制动单元板11的结构强度。
为了进一步提高风阻制动效果，参见图3和图4，本实施例中，在阶梯型凹槽32的底面上还沿司机室本体30的变截面区域内司机室轮廓横向设置有阶梯凸台323，该阶梯凸台323沿司机室本体30的变截面区域内司机室轮廓呈半圆环状，使得阶梯型凹槽32的底面呈朝向高速列车的鼻锥31降低的阶梯状。如此设置，可以进一步增加列司机室的气动阻力，从而提高风阻制动效果。
具体地，参见图5和图6，在本实施例中，司机室本体30包括一个司机室内层钢结构33，该司机室内层钢结构33为非流线型钢结构，在司机室内层钢结构33的前端设置有阶梯型凹槽骨架331和阶梯凸台骨架332；在该司机室内层钢结构33的外侧还装设有非流线型密封蒙皮34，该非流线型密封蒙皮34蒙设在阶梯型凹槽骨架331上以形成上述的阶梯型凹槽32，该非流线型密封蒙皮34蒙设在阶梯凸台骨架332上以形成上述的阶梯凸台323。如此设置，将司机室内层钢结构33设计成非流线型钢结构，在司机室内层钢结构33的阶梯型凹槽骨架331和阶梯凸台骨架332上蒙设非流线型密封蒙皮34，以形成阶梯型凹槽32和阶梯凸台323，方便安装制动单元板11和开合驱动机构2，并且提高司机室的风阻制动效果。通过在司机室内层钢结构33的外侧蒙设一层非流线型密封蒙皮34，可使车体保持密封。
进一步地，参见图7，在本实施例中，司机室本体30还包括一个司机室外层钢结构35，该司机室外层钢结构35采用流线型钢结构，司机室外层钢结构35装设在非流线型密封蒙皮34的外侧。在非流线型密封蒙皮34的前端设置有用于放置制动单元板11的单元板放置孔351。单元板放置孔351与阶梯型凹槽32位置相对应，并且与制动单元板11的位置相对应，风阻制动板1收拢时制动单元板11置于单元板放置孔351中，使制动单元板11与司机室外层钢结构35流线一致。
参见图1，一种采用了本发明的具有风阻制动装置的高速列车司机室的高速列车，该高速列车包括头车100、中间车200和尾车300，头车100与中间车200相连接，中间车200的另一端与尾车300相连接；在头车100和尾车300上均设置有本发明上述实施例的司机室。
上述的高速列车，通过在高速列车的头车100和尾车300上设置本发明的具有风阻制动装置的高速列车司机室，由于司机室变截面区域前方来流速度较快，其产生的气动阻力比在车身其它部位安装风阻制动板1所提供的气动阻力更大；在高速列车正常运行时，风阻制动板1收拢关闭，与头尾车司机室流线型的外形结构构成一个整体，不会增加列车的横截面积，不会产生额外的气动阻力；在高速列车紧急制动时，头尾车司机室上的风阻制动板1迅速打开，相当于改变了头尾车流线型的外形结构，通过风阻制动板1产生空气压差阻力和空气摩擦阻力来提供较大的列车制动力；同时，风阻制动板1打开后列车头部的流线型结构转变为内部司机室钢结构，非流线型的内部司机室结构也会增加空气阻力，从而进一步提高风阻制动效果。
对高速列车进行CFD数值模拟计算，头尾车司机室变截面区域各安装两组风阻制动板1和两组半圆状的阶梯型凹槽32，分别对原型车(不采用本发明的具有风阻制动装置的司机室)和风阻制动列车在运行时的气动阻力进行对比分析。数值模拟得到的高速列车气动阻力系数如下表所示：
工况 头车 尾车
原型车 0.140 0.141
风阻制动列车 0.247 0.168
从上表中可以看出：头车100增阻的效果大于尾车300，相比较原始车型，风阻制动列车(安装了本发明的司机室)头车100阻力增加了76.43％，尾车300阻力增加了19.15％。可见，本发明的具有风阻制动装置的司机室能够为高速列车提供较大的辅助制动力，其制动力与列车速度的平方成正比，特别是在列车高速运行时具有很好的制动效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有风阻制动装置的高速列车司机室，包括司机室本体(30)，其特征在于，所述司机室本体(30)的变截面区域上安装有多组风阻制动板(1)，多组所述风阻制动板(1)沿所述司机室本体(30)的长度方向并排布置，每组所述风阻制动板(1)均包括沿变截面区域外部轮廓横向间隔设置的多块制动单元板(11)，相邻的两组所述风阻制动板(1)中的所述制动单元板(11)错位安装，所述司机室本体(30)上安装有用于收拢或打开所述制动单元板(11)的开合驱动机构(2)。
2.根据权利要求1所述的具有风阻制动装置的高速列车司机室，其特征在于，所述制动单元板(11)收拢时与所述司机室本体(30)的变截面区域流线一致；所述制动单元板(11)打开时与所述司机室本体(30)的长度方向呈60°-90°夹角，且所述制动单元板(11)朝向高速列车的鼻锥(31)一侧向上倾斜。
3.根据权利要求1所述的具有风阻制动装置的高速列车司机室，其特征在于，所述制动单元板(11)铰接安装在所述司机室本体(30)的变截面区域，所述开合驱动机构(2)为液压缸，所述液压缸的一端铰接安装在所述司机室本体(30)上，所述液压缸的另一端与所述制动单元板(11)铰接。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的具有风阻制动装置的高速列车司机室，其特征在于，所述司机室本体(30)上沿变截面区域外部轮廓横向设置有阶梯型凹槽(32)，所述制动单元板(11)铰接安装在所述阶梯型凹槽(32)的侧壁上沿处；所述制动单元板(11)收拢时，所述开合驱动机构(2)收纳在所述阶梯型凹槽(32)内。
5.根据权利要求4所述的具有风阻制动装置的高速列车司机室，其特征在于，所述阶梯型凹槽(32)的侧壁上沿设有铰接槽(321)，所述铰接槽(321)内设有固定铰支座(322)，所述制动单元板(11)铰接安装在所述固定铰支座(322)上。
6.根据权利要求5所述的具有风阻制动装置的高速列车司机室，其特征在于，每一块所述制动单元板(11)通过至少两个所述固定铰支座(322)铰接安装在所述阶梯型凹槽(32)的侧壁上沿；所述制动单元板(11)的内侧设有多根加强筋。
7.根据权利要求4所述的具有风阻制动装置的高速列车司机室，其特征在于，所述阶梯型凹槽(32)的底面上沿所述司机室本体(30)的变截面区域轮廓横向设置有阶梯凸台(323)，所述阶梯型凹槽(32)的底面呈朝向高速列车的鼻锥(31)降低的阶梯状。
8.根据权利要求7所述的具有风阻制动装置的高速列车司机室，其特征在于，所述司机室本体(30)包括一司机室内层钢结构(33)，所述司机室内层钢结构(33)为非流线型钢结构，所述司机室内层钢结构(33)的前端设有阶梯型凹槽骨架(331)和阶梯凸台骨架(332)，所述司机室内层钢结构(33)的外侧装有非流线型密封蒙皮(34)，所述非流线型密封蒙皮(34)蒙设在所述阶梯型凹槽骨架(331)上形成所述阶梯型凹槽(32)，所述非流线型密封蒙皮(34)蒙设在所述阶梯凸台骨架(332)上形成所述阶梯凸台(323)。
9.根据权利要求8所述的具有风阻制动装置的高速列车司机室，其特征在于，所述司机室本体(30)还包括一司机室外层钢结构(35)，所述司机室外层钢结构(35)为流线型钢结构，所述司机室外层钢结构(35)装设在所述非流线型密封蒙皮(34)的外侧，所述非流线型密封蒙皮(34)的前端设有用于放置所述制动单元板(11)的单元板放置孔(351)。
10.一种高速列车，包括头车(100)、中间车(200)和尾车(300)，其特征在于，所述头车(100)和所述尾车(300)上均设置有如权利要求1-9中任意一项所述的具有风阻制动装置的高速列车司机室。
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