CN115158376B - 一种高速列车抗横风竖向伸缩翼及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高速列车抗横风竖向伸缩翼及控制方法，包括车体以及至少一对车翼，所述车翼布设于所述车体的两侧，用于产生升力，每个所述车翼分别与一竖向伸缩机构连接，能够独立控制，调整不同高度实现抵抗力矩的调节，所述车体具有盖板开闭机构，所述盖板开闭机构开启后用于所述车翼的伸出与收回。本发明能够分别控制车体两侧的车翼升降，因而在需要抵抗横风时能够将迎风侧的车翼完全收回，使迎风侧不产生任何升力，尽可能地增强升力矩对横风的抵抗效果，相比于横向伸缩的方式效果更佳；依靠盖板开闭机构的设置，能够确保车翼的顺利升起与收回，以面对正常行驶、减速进站、遭遇横风等不同情况时的有序控制，不会造成结构间的碰撞、损坏。

Description

一种高速列车抗横风竖向伸缩翼及控制方法

技术领域

本发明涉及高速列车气动技术领域，特别涉及一种高速列车抗横风竖向伸缩翼及控制方法。

背景技术

铁路沿线存在多式多样的地形环境，其中大风环境广为存在，严重影响了高速列车的安全运行。为了减弱风区对列车运行安全性的影响，主要是修建防风设施，包括挡风墙以及防风明洞。还有降低列车运行速度，以降低列车脱轨倾覆的危险性。但是，上述的传统应对横风方法存在各自的弊端，已经逐渐不再适用于现代的高速列车。防风设施造价高昂，而降速行驶不利于高效运输和调度。所以，目前迫切需要一种适用于更高速列车的抗横风装置。

发明内容

本发明的目的是：针对上述背景技术中存在的不足，提供一种高速列车抗横风竖向伸缩翼及控制方法，通过纵向伸缩使车翼的一侧完全收回，而产生更大的力矩抵消横风作用，达到更好的效果。

为了达到上述目的，本发明提供了一种高速列车抗横风竖向伸缩翼，包括车体以及至少一对车翼，所述车翼布设于所述车体的两侧，用于产生升力，每个所述车翼分别与一竖向伸缩机构连接，能够独立控制，调整不同高度实现抵抗力矩的调节，所述车体具有盖板开闭机构，所述盖板开闭机构开启后用于所述车翼的伸出与收回。

进一步地，所述竖向伸缩机构包括伸缩外壳，所述伸缩外壳内布设有竖向驱动部，所述竖向驱动部与所述伸缩外壳联动，用于驱动所述车翼升降。

进一步地，所述竖向驱动部为竖向气缸。

进一步地，所述车体包括固定设置的车壳，所述盖板开闭机构包括活动设置的车翼盖板和伸缩机构盖板，所述车翼盖板用于所述车翼的通行，所述伸缩机构盖板用于所述竖向伸缩机构的通行。

进一步地，所述车翼盖板与所述车壳铰接，所述伸缩机构盖板与所述车翼盖板铰接，且分别通过第一开闭驱动部，第二开闭驱动部控制。

进一步地，所述车壳的边缘布设有车翼盖板铰链座，所述车翼盖板的边缘布设有车翼盖板铰链，所述车翼盖板铰链与所述车翼盖板铰链座铰接；所述第一开闭驱动部包括车翼盖板转轴以及驱动所述车翼盖板转轴旋转的车翼盖板开闭电机，所述车翼盖板转轴与所述车翼盖板铰链固定。

进一步地，所述车翼盖板开闭电机与所述车翼盖板转轴正交布设，所述车翼盖板转轴布设有开闭传动蜗轮，所述车翼盖板开闭电机通过开闭传动蜗杆与所述开闭传动蜗轮进行传动，以实现自锁。

进一步地，所述车翼盖板设置有与所述伸缩机构盖板对应的开口，所述开口的边缘布设有伸缩机构盖板铰链座，所述伸缩机构盖板的边缘布设有伸缩机构盖板铰链，所述伸缩机构盖板铰链与伸缩机构盖板铰链座铰接；

所述第二开闭驱动部包括伸缩机构盖板开闭电机，所述伸缩机构盖板开闭电机的电机轴与所述伸缩机构盖板铰链固定。

进一步地，所述车翼与车翼转向机构连接，所述车翼转向机构安装于所述竖向伸缩机构上，所述车翼转向机构包括车翼转向支座以及竖向布置的车翼转向电机，所述车翼转向电机与所述竖向伸缩机构连接，驱动所述车翼转向支座旋转，以通过所述车翼转向机构控制所述车翼绕所述竖向伸缩机构旋转。

本发明还提供了一种高速列车抗横风竖向伸缩翼控制方法，应用于如前所述的高速列车抗横风竖向伸缩翼，包括如下步骤：

S1，打开盖板开闭机构的车翼盖板和伸缩机构盖板，通过竖向伸缩机构将车体两侧的车翼伸出并升高至预设位置；

S2，关闭车翼盖板，保持伸缩机构盖板打开状态，使车体顶部仍保持流线型；

S3，遭遇横风，打开盖板开闭机构的车翼盖板，将迎风侧的车翼通过竖向伸缩机构收回；

S4，关闭车翼盖板，同时将收回后的车翼对应的伸缩机构盖板关闭；

S5，通过竖向伸缩机构调整背风侧车翼高度，以调节抵抗力矩大小；

S6，通过车翼转向机构控制车翼旋转，以满足列车双向运行需求。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明提供的高速列车抗横风竖向伸缩翼及控制方法，能够分别控制车体两侧的车翼升降，因而在需要抵抗横风时能够将迎风侧的车翼完全收回，使迎风侧不产生任何升力，最大限度地增强背风侧升力矩对横风的抵抗效果，相比于横向伸缩的方式效果更佳，同时背风侧的车翼可以升降，达到调节抵抗力矩的目的；

本发明中，依靠盖板开闭机构的设置，能够确保车翼的顺利升起与收回，以面对正常行驶、减速进站、遭遇横风等不同情况时的有序控制，不会造成结构间的碰撞、损坏；

本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的车翼连接结构示意图；

图3为本发明的车翼连接结构内部示意图；

图4为本发明的盖板开闭机构背面示意图；

图5为本发明两侧车翼收回示意图；

图6为本发明盖板开闭机构开启示意图；

图7为本发明的两侧车翼伸出示意图；

图8为本发明的一侧车翼收回示意图；

图9为本发明的一侧车翼转向90度示意图；

图10为本发明的一侧车翼转向180度示意图；

图11为本发明的仿真计算模型示意图(各工况)。

【附图标记说明】

1-车翼；2-伸缩外壳；3-竖向气缸；4-车壳；5-车翼盖板；6-伸缩机构盖板；7-车翼盖板铰接座；8-车翼盖板铰链；9-车翼盖板转轴；10-车翼盖板开闭电机；11-开闭传动蜗轮；12-开闭传动蜗杆；13-伸缩机构盖板铰链座；14-伸缩机构盖板铰链；15-伸缩机构盖板开闭电机；16-车翼转向支座；17-车翼转向电机；18-导向保持架。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是锁定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-图10所示，本发明的实施例提供了一种高速列车抗横风竖向伸缩翼，包括车体以及至少一对车翼1，本实施例中以一对车翼为例，其分布于车体的左侧以及右侧。

当高速列车遭遇横风时，横风能够对高速列车的迎风面产生风压，使高速列车受到横风力矩，为避免高速列车的倾覆造成事故，可以通过单侧车翼1的升力产生一个与横风力矩相平衡而抵消的力矩，从而降低横风力矩的影响。因此，可以将靠近迎风面的车翼1收回至车体内，使其不工作，而背风面的车翼保持正常工作，产生升力并形成抵抗力矩，确保将靠近背风侧列车轮对与轨道的接触点视为旋转支点时横风力矩的抵消效果。

在本实施例中，每个车翼1分别与一竖向伸缩机构连接，能够独立控制升降，达到控制单个车翼1工作的目的。同时，为保证车体顶面的流线型完整、以及密封性，车体还具有盖板开闭机构，盖板开闭机构开启后用于车翼1的伸出与收回，因此当车翼1完成伸出或收回动作后盖板开闭机构能够关闭，保证车体顶面的完整密封性。

采用本发明提供的可竖向伸缩的车翼1，能够在需要抵抗横风时将迎风侧的车翼1完全收回，使迎风侧不产生任何升力，最大限度地增强背风侧升力矩对横风的抵抗效果，相比于横向伸缩的方式效果更佳(横向伸缩无法将迎风侧车翼完全收回)。

在本实施例中，竖向伸缩机构包括伸缩外壳2，伸缩外壳2内布设有竖向驱动部，竖向驱动部与伸缩外壳2联动，用于驱动车翼1升降。其中，伸缩外壳2具有多层伸缩层，剖面为流线型(类棱形)。

作为优选的实施方式，本实施例中竖向驱动部为竖向气缸3，竖向气缸3能够布设在伸缩外壳2内，驱动车翼1竖向移动的同时带动伸缩外壳2伸缩，调整车翼1高度，使车翼1伸出车体工作或收回。

需要说明的是，本实施例中竖向气缸3至少为二级气缸，最后一级气缸的活塞杆端部与车翼本体对接。通过多级气缸的设置，能使竖向气缸3更加方便地布置。

在本实施例中，伸缩外壳2与竖向气缸3通过导向保持架18实现联动。具体地，导向保持架18设置在最后一级竖向气缸3的活塞杆端部，使活塞杆端部与伸缩外壳2内壁连接，保证伸缩外壳2和竖向气缸3的联动，并通过伸缩外壳2起到加强整体结构强度和防止气缸旋转的作用。

当然在其他实施例中，还可以采用其他竖向布置的直线驱动机构，此处也不作具体限制。

在本实施例中，车翼1伸出或收回的同时伸缩外壳2也需要伸出或收回车体。例如，在车翼1伸出车体工作后，车翼盖板5需要关闭部分，使让车翼1穿行的位置闭合密封，而伸缩外壳2需要保持伸长状态，因此伸缩机构盖板6需要保持开启状态。而当车翼1收回后，车翼盖板5和伸缩机构盖板6均需要闭合密封，确保车体顶面的完整与密封。

基于此，本实施例中车体(顶面)布设有三组板结构，包括固定设置的车壳4，盖板开闭机构包括活动设置的车翼盖板5和伸缩机构盖板6。其中，车壳4位于前方以及后方；车翼盖板5为大板，位于车壳4之间，用于车翼1的通行；伸缩机构盖板6为小板，嵌套于车翼盖板5中部，用于竖向伸缩机构的通行。

同时如图4所示，车翼盖板5与车壳4铰接，伸缩机构盖板6与车翼盖板5铰接，且分别通过第一开闭驱动部，第二开闭驱动部控制。因此车翼盖板5可以相对于车壳4开启与闭合，伸缩机构盖板6可以相对于车翼盖板5开启与闭合。

具体来说，本实施例中车壳4的边缘布设有车翼盖板铰链座7，车翼盖板5的边缘布设有车翼盖板铰链8，车翼盖板铰链8与车翼盖板铰链座7铰接。同时，第一开闭驱动部包括车翼盖板转轴9以及驱动车翼盖板转轴9旋转的车翼盖板开闭电机10，车翼盖板转轴9与车翼盖板铰链8固定。因此，通过车翼盖板开闭电机10的驱动，车翼盖板转轴9旋转带动车翼盖板铰链8相对于车翼盖板铰链座7旋转，而使车翼盖板5相对于车壳4旋转，完成开启或关闭的动作。

需要说明的是，由于车翼盖板5的尺寸、重量较大，为使车翼盖板5的开闭动作稳定、可靠，本实施例中车翼盖板铰链座7以及车翼盖板铰链8均布置多组，分别沿车壳4、车翼盖板5的边缘分布，全部车翼盖板铰链8均通过车翼盖板转轴9关联，在车翼盖板开闭电机10的驱动下，车翼盖板转轴9旋转带动全部车翼盖板铰链8相对于车翼盖板铰链座7旋转。

同样地，基于车翼盖板5的尺寸、重量较大，当车翼盖板开闭电机10控制车翼盖板5转动至指定位置后，车翼盖板5仍可能在惯性作用下继续移动，或者在列车运行过程中产生晃动，因此难以稳定在预设的角度位置，可能会造成车翼1无法正常穿过、后续碰撞车翼1造成结构损坏等。基于此，本实施例还设置有自锁结构，来避免车翼盖板5的非正常转动移位。

具体地，车翼盖板开闭电机10与车翼盖板转轴9正交布设，车翼盖板转轴9上套设有开闭传动蜗轮11，车翼盖板开闭电机10通过开闭传动蜗杆12与开闭传动蜗轮11传动连接，依靠蜗杆蜗轮结构形成自锁，使车翼盖板转轴9上的开闭传动蜗轮11无法带动电机轴上的开闭传动蜗杆12旋转，实现自锁，避免车翼盖板5的非正常转动移位。

同时，车翼盖板5设置有与伸缩机构盖板6对应的开口，其中，开口靠近两块车翼盖板5交接的边缘位置，且形状为半棱形，两块车翼盖板5的开口组合后形状与伸缩外壳2保持一致，同时与伸缩机构盖板6形状一致，因而伸缩机构盖板6能够正好将开口密封。

其中，车翼盖板5的开口边缘布设有伸缩机构盖板铰链座13，伸缩机构盖板6的边缘布设有伸缩机构盖板铰链14，伸缩机构盖板铰链14与伸缩机构盖板铰链座13铰接。第二开闭驱动部包括伸缩机构盖板开闭电机15，伸缩机构盖板开闭电机15的电机轴与伸缩机构盖板铰链14固定。伸缩机构盖板6的开闭驱动原理与车翼盖板5类似，此处不再赘述。

需要说明的是，由于伸缩机构盖板6尺寸、重量不大，因此无需再通过开闭传动蜗杆开闭传动蜗轮结构自锁。本实施例中通过伸缩机构盖板开闭电机15直接驱动伸缩机构盖板6开闭。

为满足列车双向运行需求，还设置有车翼转向机构，包括车翼转向支座16以及车翼转向电机17等。其中，车翼1底部与车翼转向支座16连接，车翼转向支座16与竖向布置的车翼转向电机17连接，车翼转向电机17与竖向伸缩机构连接。依靠车翼转向电机17的驱动，能使车翼1相对于竖直轴转动，完成转向。

具体地，竖向气缸3最后一级的活塞杆端部与车翼转向电机17固定，同时与车翼转向支座16的底端连接，依靠活塞杆端部环形槽与车翼转向支座16底端凸缘配合，形成转动连接，并且通过竖向气缸3驱动上层结构整体升降。

本实施例所述的方案通过仿真计算，设置有5个工况，分别是无车翼工况(a)，14车翼全部升起工况(b)，14车翼迎风侧收回(c)，14车翼迎风侧收回、背风侧升高150mm(d)、14车翼迎风侧收回、背风侧降低150mm(e)，仿真模型如图11所示，采用3车编组简化高速列车，车速300km/h，横风风速15m/s，计算结果如表1所示。从表1可以看出，迎风侧车翼收回后，高速列车所受总倾覆力矩系数明显减小，因而有效地抵抗了横风力矩的影响。另外，改变背风侧车翼的高度能够明显地改变总倾覆力矩系数，达到调节抵抗力矩的目的。

表1：各工况横风抵抗仿真计算结果

工况	倾覆力矩系数	缓解效果
			a	0.4119	-
b	0.7123	-72.9％
			c	0.1343	67.4％
d	0.2402	41.7％
			e	0.1108	73.1％

基于同一发明构思，本实施例还提供了一种高速列车抗横风竖向伸缩翼控制方法，请同时参阅图5-图10，包括如下步骤：

S1，打开盖板开闭机构的车翼盖板5和伸缩机构盖板6，由于伸缩机构盖板6布设在车翼盖板5上，因此伸缩机构盖板开闭电机15无需转动，伸缩机构盖板6能够随车翼盖板5直接打开，或者伸缩机构盖板开闭电机15同步转动使伸缩机构盖板6进一步开启亦可。通过竖向伸缩机构将车体两侧的车翼1同步伸出并升高至预设位置，依靠对称产生的升力使高速列车减阻。

S2，关闭车翼盖板5，同时开启伸缩机构盖板6，或保持伸缩机构盖板6相对于车翼盖板5的打开状态，将车体顶面密封，且不会触碰伸出的伸缩外壳2，使车体顶部仍保持流线型。

S3，当遭遇横风时，再次打开盖板开闭机构的车翼盖板5，将迎风侧的车翼1通过竖向伸缩机构收回。

S4，最后关闭车翼盖板5，同时将收回后的车翼1对应的伸缩机构盖板6同步关闭，使得该侧的车体顶面完全密封，且不会影响高速列车的气动性能。

S5，通过竖向伸缩机构调整背风侧车翼1高度，从而调节抵抗力矩大小，适应横风大小的变化。

S6，通过车翼转向机构控制车翼1旋转，以满足列车双向运行需求。

因此，依靠车翼盖板5与伸缩机构盖板6的独立控制、相互配合，能够确保车翼1的顺利升起与收回，以面对正常行驶、减速进站、遭遇横风等不同情况时时的有序控制，不会造成结构间的碰撞、损坏。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高速列车抗横风竖向伸缩翼，其特征在于，包括车体以及至少一对车翼，所述车翼布设于所述车体的两侧，用于产生升力，每个所述车翼分别与一竖向伸缩机构连接，能够独立控制，调整不同高度实现抵抗力矩的调节，所述车体具有盖板开闭机构，所述盖板开闭机构开启后用于所述车翼的伸出与收回；

所述车体包括固定设置的车壳，所述盖板开闭机构包括活动设置的车翼盖板和伸缩机构盖板，所述车翼盖板用于所述车翼的通行，所述伸缩机构盖板用于所述竖向伸缩机构的通行；

所述车翼盖板与所述车壳铰接，所述伸缩机构盖板与所述车翼盖板铰接，且分别通过第一开闭驱动部，第二开闭驱动部控制；

所述车翼盖板设置有与所述伸缩机构盖板对应的开口，所述开口的边缘布设有伸缩机构盖板铰链座，所述伸缩机构盖板的边缘布设有伸缩机构盖板铰链，所述伸缩机构盖板铰链与伸缩机构盖板铰链座铰接；所述第二开闭驱动部包括伸缩机构盖板开闭电机，所述伸缩机构盖板开闭电机的电机轴与所述伸缩机构盖板铰链固定。

2.根据权利要求1所述的一种高速列车抗横风竖向伸缩翼，其特征在于，所述竖向伸缩机构包括伸缩外壳，所述伸缩外壳内布设有竖向驱动部，所述竖向驱动部与所述伸缩外壳联动，用于驱动所述车翼升降。

3.根据权利要求2所述的一种高速列车抗横风竖向伸缩翼，其特征在于，所述竖向驱动部为竖向气缸。

4.根据权利要求1所述的一种高速列车抗横风竖向伸缩翼，其特征在于，所述车壳的边缘布设有车翼盖板铰链座，所述车翼盖板的边缘布设有车翼盖板铰链，所述车翼盖板铰链与所述车翼盖板铰链座铰接；所述第一开闭驱动部包括车翼盖板转轴以及驱动所述车翼盖板转轴旋转的车翼盖板开闭电机，所述车翼盖板转轴与所述车翼盖板铰链固定。

5.根据权利要求4所述的一种高速列车抗横风竖向伸缩翼，其特征在于，所述车翼盖板开闭电机与所述车翼盖板转轴正交布设，所述车翼盖板转轴布设有开闭传动蜗轮，所述车翼盖板开闭电机通过开闭传动蜗杆与所述开闭传动蜗轮进行传动，以实现自锁。

6.根据权利要求1所述的一种高速列车抗横风竖向伸缩翼，其特征在于，所述车翼与车翼转向机构连接，所述车翼转向机构安装于所述竖向伸缩机构上，所述车翼转向机构包括车翼转向支座以及竖向布置的车翼转向电机，所述车翼转向电机与所述竖向伸缩机构连接，驱动所述车翼转向支座旋转，以通过所述车翼转向机构控制所述车翼绕所述竖向伸缩机构旋转。

7.一种高速列车抗横风竖向伸缩翼控制方法，应用于如权利要求1-6任意一项所述的高速列车抗横风竖向伸缩翼，其特征在于，包括如下步骤：

S1，打开盖板开闭机构的车翼盖板和伸缩机构盖板，通过竖向伸缩机构将车体两侧的车翼伸出并升高至预设位置；

S2，关闭车翼盖板，保持伸缩机构盖板打开状态，使车体顶部仍保持流线型；

S3，遭遇横风，打开盖板开闭机构的车翼盖板，将迎风侧的车翼通过竖向伸缩机构收回；

S4，关闭车翼盖板，同时将收回后的车翼对应的伸缩机构盖板关闭；

S5，通过竖向伸缩机构调整背风侧车翼高度，以调节抵抗力矩大小；

S6，通过车翼转向机构控制车翼旋转，以满足列车双向运行需求。