CN113815667B - 一种高速列车用低阻力流线型转向架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速列车用低阻力流线型转向架，包括构架、轮对、空气弹簧，所述构架包括低气动阻力侧梁和椭圆形横梁，两所述侧梁之间通过两所述横梁连接，所述横梁上分别安装有流线外形驱动电机，两所述横梁的中部安装有中心销；两所述轮对分别设于所述侧梁的两端，并在所述轮对上各安装一个气动阻力优化外形的齿轮箱，所述轮对与构架之间均安装有制动夹钳；所述空气弹簧安装在所述侧梁的上方中央位置。本发明的圆滑结构流线型优化设计，有效降低高速列车在运行时由转向架复杂结构外形带来的气动阻力，从而达到提高列车运行速度的同时降低能耗的目的。

Description

一种高速列车用低阻力流线型转向架

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种高速列车用低阻力流线型转向架。

背景技术

转向架是高速列车重要部件，对列车运行的安全性和平稳性都具有重要作用。根据现有研究发现，高速列车的运行速度达到350km/h时，列车所受气动阻力占运行总阻力约75％。

现有研究大多针对列车的头尾车、受电弓、风挡等区域进行减阻研究，CN112977498A提供一种由头尖圆动力车厢及气动减阻装置、尾尖圆尾车厢组成的减阻装置，主要从车体外形方面进行减阻；CN109849956A提供一种高速列车车头蒙皮表面微结构减阻设计方法，通过微结构自适应技术来改善车头受力；CN110155091B提供一种高速列车底部的气动阻力的减阻装置，利用导流板装置来引导气流走向，达到减阻目的；CN103496376B提供一种能够缓和制动，减小制动梁端头与滑块之间摩擦阻力的货车转向架，主要解决的是制动产生的摩擦阻力问题。

面向转向架气动阻力减阻的研究尤其是试验研究相对较少,且少量已有的研究也只关注裙板部分的减阻作用，而转向架区域气动阻力占总气动阻力约25％，且其中97％以上来源于压差阻力，即由转向架的复杂外形所造成的阻力。所以有必要针对转向架区域进行减阻研究；同时，更高速度列车空气阻力占比将更高，能耗将会大幅增加，且等效碳排放难以有效控制。如何进一步减小气动阻力是下一代高速列车需要解决的难题。

发明内容

本发明旨在一定程度上解决上述存在的技术问题，提供一种高速列车用低阻力流线型转向架，有效降低高速列车在运行时由转向架复杂结构外形带来的气动阻力，从而达到提高列车运行速度的同时降低能耗的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种高速列车用低阻力流线型转向架，包括构架、轮对、空气弹簧，所述构架包括侧梁和横梁，两所述侧梁之间通过两所述横梁连接，所述横梁上分别安装有驱动电机，两所述横梁的中部安装有中心销；两所述轮对分别设于所述侧梁的两端，并在所述轮对上各安装一个齿轮箱，所述轮对与构架之间均安装有制动夹钳；所述空气弹簧安装在所述侧梁的上方中央位置。

作为优选，所述轮对包括车轮和车轴，两所述车轴分别设于侧梁的两端，所述车轮与车轴装配连接，所述齿轮箱安装在车轴上。

作为优选，所述车轮与车轴过盈配合。

作为优选，两所述侧梁相互平行设置，且横梁与相对两侧梁的中部连接。

作为优选，所述侧梁下方呈平面结构，侧梁上方中部设有用于安装空气弹簧的凹槽平面。

作为优选，所述横梁呈椭圆形，其纵向截面长轴为280mm，短轴为150mm。

作为优选，所述侧梁的横向截面由若干样条曲线平滑连接构成，所述样条曲线的端部曲率在0.00261/mm-0.02731/mm之间，并依次与曲率为0、0.00571/mm、0.0051/mm的样条曲线平滑连接。

作为优选，所述齿轮箱通过设置的齿轮箱安装座安装在横梁上，所述齿轮箱在转向架前端边缘以圆滑环面包覆。

作为优选，所述圆滑环面的环面横截面为曲率在0.00381/mm-0.02371/mm之间的样条曲线。

作为优选，所述驱动电机呈扁平类圆柱体，其横向截面为样条曲线与圆曲线平滑连接组成，靠近车轴一侧的样条曲线的曲率小于0.00951/mm，圆曲直径为375mm。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本发明对转向架结构做了一定程度简化，通过圆滑结构流线型优化设计，有效降低高速列车在运行时由转向架复杂结构外形带来的气动阻力，从而达到提高列车运行速度的同时降低能耗的目的，在基本不影响转向架多体耦合动力学性能的基础上进行更多的空气动力学优化设计，通过减小运行阻力，从而能减小车辆振动，提高旅客乘坐舒适性与安全性；

本发明通过对所述齿轮箱、所述驱动电机、所述构架进行流线型优化设计，可以有效降低高速列车在运行时由于转向架的复杂外形结构所带来的气动阻力，从而达到提高列车运行速度、降低能耗的目的，并且对于有砟轨道还可以减少砟石对转向架的碰撞，减轻转向架的零件损坏。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图中：

图1是本发明所述高速列车用低阻力流线型转向架的轴测图；

图2是本发明所述高速列车用低阻力流线型转向架的俯视图；

图3是本发明所述高速列车用低阻力流线型转向架驱动电机与横梁的纵向截面图；

图4是本发明所述高速列车用低阻力流线型转向架齿轮箱的纵向截面图；

图5是本发明所述高速列车用低阻力流线型转向架的原型转向架CFD仿真表面压力图；

图6是本发明所述高速列车用低阻力流线型转向架CFD仿真表面压力图。

附图标号：1-构架；101-侧梁；102-横梁；2-轮对；201-车轮；202-车轴；3-空气弹簧；4-驱动电机；5-中心销；6-齿轮箱；7-制动夹钳；8-齿轮箱安装座；9-电机安装座。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。以下描述中，需要理解的是，“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“纵”、“横”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“头”、“尾”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系、以特定的方位构造和操作，仅是为了便于描述本技术方案，而不是指示所指的装置或元件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。当一个元件被称为在另一元件“上”或“下”时，该元件能够“直接地”或“间接地”位于另一元件之上，或者也可能存在一个或更多个居间元件。术语“第一”、“第二”、“第三”等仅是为了便于描述本技术方案，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

如图1-4所示为本实施例中所述的一种高速列车用低阻力流线型转向架，包括构架1、轮对2、空气弹簧3，所述构架1包括侧梁101和横梁102，两所述侧梁101之间通过两所述横梁102连接，所述横梁102上分别安装有驱动电机4，两所述横梁102的中部安装有中心销5；两所述轮对2分别设于所述侧梁101的两端，并在所述轮对2上各安装一个齿轮箱6，所述轮对2与构架1之间均安装有制动夹钳7；所述空气弹簧3安装在所述侧梁101的上方中央位置。

本发明对转向架结构做了一定程度简化，通过圆滑结构流线型优化设计，有效降低高速列车在运行时由转向架复杂结构外形带来的气动阻力，从而达到提高列车运行速度的同时降低能耗的目的，在基本不影响转向架多体耦合动力学性能的基础上进行更多的空气动力学优化设计，通过减小运行阻力，从而能减小车辆振动，提高旅客乘坐舒适性与安全性。

在本实施例中，如图1所示，所述轮对2包括车轮201和车轴202，两所述车轴202分别设于侧梁101的两端，所述车轮201与车轴202装配连接，其中所述车轮201与车轴202过盈配合，所述齿轮箱6的一端安装在车轴202上。

在本实施例中，如图2所示，两所述侧梁101相互平行设置，且横梁102与相对两侧梁101的中部连接。

在本实施例中，如图2所示，所述侧梁101下方呈平面结构，侧梁101上方中部设有用于安装空气弹簧3的凹槽平面。

在本实施例中，所述横梁102呈椭圆形，其纵向截面长轴为280mm，短轴为150mm。

在本实施例中，所述侧梁101的横向截面由若干样条曲线平滑连接构成，所述样条曲线的端部曲率在0.00261/mm-0.02731/mm之间，并依次与曲率为0、0.00571/mm、0.0051/mm的样条曲线平滑连接，具体的，如图5-6所示，在CFD软件中进行数值仿真实验，证明了所述构架1所受阻力从图5中所示的331.001N降低到图6中所示的75.950N。

在本实施例中，如图所述4所示，齿轮箱6通过设置的齿轮箱安装座8安装在横梁101上，所述齿轮箱6在转向架前端边缘以圆滑环面包覆，具体的，所述圆滑环面的环面横截面为曲率在0.00381/mm-0.02371/mm之间的样条曲线，具体的，如图5-6所示，在CFD软件中进行数值仿真实验，证明了在迎风方向上，所述齿轮箱6所受阻力从图5中所示的191.596N降低到图6中所示的153.997N。

在本实施例中，如图3所示，所述驱动电机通过电机安装座9安装在所述横梁101上，所述驱动电机4呈扁平类圆柱体，其横向截面为样条曲线与圆曲线平滑连接组成，靠近车轴202一侧的样条曲线的曲率小于0.00951/mm，圆曲直径为375mm，具体的，如图5-6所示，在CFD软件中进行数值仿真实验，证明了在迎风方向上，所述驱动电机4所受阻力从图5中所示的217.789N降低到图6中所示的181.664N。

值得说明的是，压差阻力由物体近处压力场作用于物体表面形成，它与物体近场气流流动情况有关，转向架经过流线型设计可以有效降低压差阻力，同时根据伯努利原理，物体表面压力与气流速度有关，而在列车运行时，高速气流通过转向架，在转向架前侧，气流速度最小，压强最大；随气流向下游流场运动，其流速逐渐加大，压强逐渐减小，直到压强变为零，甚至出现负值；再往后，气流速度又逐渐减小，使压强回升，本实施例中所述齿轮箱6、驱动电机4和构架1被设计为流线型结构，能缓解结构表面的流动分离现象，使气流直接流向后方，流速降低，压强加大，从而使转向架后半段形成一强正压区，使压差阻力极大降低，可以有效降低高速列车在运行时由于转向架的复杂外形结构所带来的气动阻力，从而达到提高列车运行速度、降低能耗的目的，并且对于有砟轨道还可以减少砟石对转向架的碰撞，减轻转向架的零件损坏。

可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种高速列车用低阻力流线型转向架，其特征在于，包括：

构架，所述构架包括侧梁和横梁，两所述侧梁之间通过两所述横梁连接，所述横梁上分别安装有驱动电机，两所述横梁的中部安装有中心销；

轮对，两所述轮对分别设于所述侧梁的两端，并在所述轮对上各安装一个齿轮箱，所述轮对与构架之间均安装有制动夹钳；

空气弹簧，所述空气弹簧安装在所述侧梁的上方中央位置；

所述侧梁下方呈平面结构，侧梁上方中部设有用于安装空气弹簧的凹槽平面；

所述横梁呈椭圆形，其纵向截面长轴为280mm，短轴为150mm；

所述侧梁的横向截面由若干样条曲线平滑连接构成，所述样条曲线的端部曲率在0.00261/mm-0.02731/mm之间，并依次与曲率为0、0.00571/mm、0.0051/mm的样条曲线平滑连接；

侧梁的两端收束，并在侧梁的两端端部形成尖头状；

所述齿轮箱通过设置的齿轮箱安装座安装在横梁上，所述齿轮箱在转向架前端边缘以圆滑环面包覆，所述圆滑环面的环面横截面为曲率在0.00381/mm-0.02371/mm之间的样条曲线；

所述驱动电机呈扁平类圆柱体，其横向截面为样条曲线与圆曲线平滑连接组成，靠近车轴一侧的样条曲线的曲率小于0.00951/mm，圆曲线 直径为375mm。

2.根据权利要求1所述的高速列车用低阻力流线型转向架，其特征在于，所述轮对包括车轮和车轴，两所述车轴分别设于侧梁的两端，所述车轮与车轴装配连接，所述齿轮箱安装在车轴上。

3.根据权利要求1所述的高速列车用低阻力流线型转向架，其特征在于，两所述侧梁相互平行设置，且横梁与相对两侧梁的中部连接。

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