CN115214730B - 一种高速列车抗横风方法及车翼 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高速列车抗横风方法及车翼，在车体顶部布设车翼，当遭遇横风时，车翼相对车体顶部升起并向背风侧伸出，使车翼产生抵抗横风的抵抗力矩，改变车翼的升降位置调整抵抗力矩的大小，而让车体的总倾覆力矩满足安全要求。本发明能够让高速列车遭遇横风时，通过车翼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，同时还可调节车翼的高度位置、俯仰角度、车翼方向等，以使车翼的气动效应发生变化，达到调节抵抗力矩和满足列车双向运行的目的，经过数值仿真论证，尤其在改变车翼高度位置时，车体总倾覆力矩变化明显。

Description

一种高速列车抗横风方法及车翼

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方法及车翼。

背景技术

随着国内运输需求的提升以及战略需要，高速列车的运行速度不断提升，这对高速列车的安全性产生了巨大挑战。其中，横风是影响高速列车安全运行的重要因素之一，它会恶化列车的气动性能，严重时会导致列车脱轨倾覆。为了减小横风对高速列车安全运行的威胁，目前主要采取列车限速和修建防风设施等方法。但是这些传统方法已经逐渐不再适用于更高速的列车，各自存在不可忽视的弊端。列车限速与更高速列车的目的相违背，并且会降低运输效率，影响线路调度。而修建防风设施成本巨大，尤其是面对大面积风区。所以，现在迫切需要一种新型高效、低成本的抗横风装置，以应对日益严峻的安全性挑战。

发明内容

本发明的目的是：提供一种高速列车抗横风方案，以改变高速列车遭遇横风时的气动效应，减轻横风造成的影响。

为了达到上述目的，本发明提供了一种高速列车抗横风方法，在车体顶部布设车翼，当遭遇横风时，车翼能够相对车体顶部升起并向背风侧伸出，使车翼产生抵抗横风的抵抗力矩，改变车翼的升降位置调整抵抗力矩的大小，而让车体的总倾覆力矩满足安全要求。

进一步地，调整车翼的俯仰角度，改变抵抗力矩的大小。

本发明还提供了一种高速列车抗横风车翼，包括车翼本体、以及与所述车翼本体连接的竖向伸缩机构，所述车翼本体能够向背风侧伸出，所述竖向伸缩机构用于控制所述车翼本体升降。

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气缸，所述伸缩外壳与所述竖向气缸联动，所述竖向气缸用于控制所述车翼本体升降。

进一步地，所述竖向气缸为多级气缸，所述伸缩外壳能够随所述竖向气缸多级伸缩。

进一步地，还包括俯仰支座、以及转向支座，所述车翼本体与所述俯仰支座连接，所述俯仰支座与所述转向支座连接，以使所述车翼本体具有俯仰以及转向的旋转自由度。

进一步地，所述俯仰支座与所述车翼本体的底端连接，所述俯仰支座同时与俯仰转轴连接，所述俯仰转轴通过锥齿轮组与俯仰电机传动连接。

进一步地，所述俯仰电机布设在所述转向支座内，所述转向支座与转向电机传动连接。

进一步地，所述车翼本体包括位于中部的中间翼以及位于所述中间翼两侧的两个侧翼，所述侧翼均能够相对于所述中间翼向外侧伸缩，所述中间翼与所述俯仰支座连接。

进一步地，所述中间翼为中空结构，内部设置有与两个所述侧翼分别连接的两个侧翼收放气缸，以分别控制两侧所述侧翼的伸缩位置。

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方案，待机状态时两侧翼收回至中间翼内以减小车翼空气阻力，当高速列车遭遇横风时，车翼相对车体顶部升起并向背风侧伸出，通过车翼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，同时还可调节车翼的高度位置、俯仰角度、车翼方向等，使车翼的气动效应发生变化，达到调节抵抗力矩和满足列车双向运行的目的，经过数值仿真论证，尤其在改变车翼高度位置时，车体总倾覆力矩变化明显；

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为本发明的收回状态图；

图2为本发明的升起待机状态图；

图3为本发明的车翼单侧展开状态图；

图4为本发明的车翼内部结构示意图；

图5为本发明的伸缩外壳内部结构示意图；

图6为本发明的车翼俯仰状态图；

图7为本发明的车翼转向状态图；

图8为本发明的仿真计算模型示意图（有横风）；

图9为本发明的仿真计算模型示意图（无横风）。

【附图标记说明】

1-车翼本体；2-伸缩外壳；3-竖向气缸；4-俯仰支座；5-转向支座；6-俯仰转轴；7-锥齿轮组；8-俯仰电机；9-转向电机；10-侧翼；11-中间翼；12-侧翼收放气缸；13-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7所示，本发明的实施例提供了一种高速列车抗横风方法，在车体顶部布设车翼，当遭遇横风时，车翼能够相对车体顶部升起并向背风侧伸出，使车翼产生抵抗横风的抵抗力矩，改变车翼的升降位置调整抵抗力矩的大小，而让车体的总倾覆力矩满足安全要求。

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，可以通过车翼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。其中，靠近迎风面的车翼保持收回状态，而背风面的车翼伸出，使升力的力臂尽可能向背风侧延长，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。

同时，本实施例中还可调节车翼的高度位置、俯仰角度、车翼方向等，以使车翼的气动效应发生变化，达到调节抵抗力矩的目的。

另外，由于车翼升起后会明显地增大列车气动阻力，尤其对于高速列车来说气动阻力是总阻力的最主要部分，因此在正常行驶时，车翼是完全降下并最好收回车体顶部的。

本实施例所述的方案通过仿真计算，设置有10个工况，分别是无车翼、横风工况（a），14车翼对称伸出535mm、横风工况（b），14车翼背风侧伸出535mm、横风工况（c），14车翼背风侧伸出535mm、攻角增大10°、横风工况（d），14车翼背风侧伸出535mm、攻角减小10°、横风工况（e），14车翼背风侧伸出535mm、车翼升高150mm、横风工况（f），14车翼背风侧伸出535mm、车翼降低150mm、横风工况（g），无车翼、无横风工况（h），14车翼对称伸出535mm、无横风工况（两侧翼同时伸出对比工况）（i），14车翼升起、无横风工况（升起待机状态）（j）。

仿真模型如图8、图9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、表2所示。从表1可以看出，车翼向背风侧伸出535mm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。同时，改变车翼高度、俯仰攻角也能够有效地改变总倾覆力矩系数，达到调节抵抗力矩的目的，尤其在降低车翼高度时，车体总倾覆力矩系数进一步降低，可减少69.8%。从表2可以看出，无横风时车体的气动阻力系数在车翼升起后提升了超过1倍，因而在正常行驶时，车翼收回车体顶部内，以降低气动阻力。同时无横风时，列车的气动阻力系数在车翼升起待机状态两侧翼收缩时比两侧翼同时伸出时，降低41.9%。因此，车翼升起待机状态时两侧翼收回至中间翼内以减小车翼空气阻力。

表1：各工况横风抵抗仿真计算结果

表2：各工况气动阻力仿真计算结果

基于同一发明构思，本发明的实施例还提供了一种高速列车抗横风车翼，如图4所示，包括车翼本体1、以及与车翼本体1连接的竖向伸缩机构，车翼本体1能够向背风侧伸出，竖向伸缩机构用于控制车翼本体1升降。通过竖向伸缩机构驱动车翼本体1升降，能够显著调整抵抗力矩的大小。

如前所述，在正常行驶时高速列车需要将车翼收回降低行驶阻力。另外对于高速列车的实际运行情况来说，有时需要通过隧道等对高度有限制的区域，通过竖向伸缩机构也能够使车翼本体1调整高度。

具体地，本实施例中的竖向伸缩机构包括伸缩外壳2，伸缩外壳2内布设有竖向气缸3，竖向气缸3控制车翼本体1的升降。其中，伸缩外壳2具有多层伸缩层，剖面为流线型，依靠流线型结构减少空气阻力。通过竖向气缸3的驱动控制车翼本体1的升降位置，而伸缩外壳2也能联动伸缩，适应高速列车的不同运行工况。

需要说明的是，车体顶面可以设置相应的开闭门，通过开闭门使车翼本体1完全收入车体内，也可以只设置车翼回收槽等，使车翼本体1下降收起时紧贴车体顶面。当然，竖向伸缩机构整体能够穿行车体顶面，而控制车翼本体1的升降。

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1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13实现联动。具体地，导向保持架13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。

同时，为更加灵活调节车翼的升力，本实施例中车翼本体1与俯仰支座4连接，同时俯仰支座4与转向支座5连接，以使车翼本体1具有俯仰以及转向的旋转自由度。依靠车翼本体1的俯仰攻角变化能够调节升力的大小，依靠车翼本体1的转向能够调节升力的位置，以对升力产生的力矩进行调节。

具体地，俯仰支座4与车翼本体1的底端连接，俯仰支座4同时与俯仰转轴6连接，俯仰转轴6通过锥齿轮组7与俯仰电机8连接。其中，俯仰转轴6转动设置在转向支座5上，因此，依靠俯仰电机8驱动，俯仰转轴6以及俯仰支座4能够绕俯仰转轴6所在轴线旋转，完成车翼本体1的俯仰调整。

需要说明的是，为使俯仰支座4能够绕横向轴旋转，俯仰转轴6需横向设置，而俯仰电机8是竖向设置的，以节省布置空间，因此锥齿轮组7包括两个锥齿轮，分别固定在俯仰转轴6以及俯仰电机8的输出轴上，实现动作。

在本实施例中，俯仰电机8布设在转向支座5内，转向支座5与转向电机9的电机轴连接，并且转向电机9也是竖向布置的。因此，通过转向电机9的驱动，俯仰支座4以及车翼本体1能够相对于竖直轴旋转，实现转向调整，满足列车双向运行。

其中，竖向气缸3最后一级的活塞杆端部与转向电机9固定，同时与转向支座5的底端转动连接，依靠活塞杆端部环形槽与转向支座5底端凸缘配合，形成转动连接，从而通过竖向气缸3驱动上层结构的整体升降。

在本实施例中，车翼本体1具有翼型的设置，能够产生升力。同时如图5所示，车翼本体具体包括侧翼10、以及中间翼11，其中中间翼11位于中部，两侧的侧翼10均能够相对于中间翼11向外侧伸缩。因此，可以调节侧翼10的伸缩位置，使两侧的侧翼10相对于中间翼11伸出或者缩回。

需要说明的是，本实施例中中间翼11与侧翼10的形状一致，中间翼11的内径大于侧翼10的外径，侧翼10活动插设于中间翼11中，能够相对于中间翼11进行伸缩，且收回至中间翼11内。

其中，中间翼11内部设置有与两侧侧翼10分别连接的两个侧翼收放气缸12，两个侧翼收放气缸12背向设置，朝向中间翼11的两侧，因而可以分别控制两个侧翼10的伸缩位置，使侧翼10伸出中间翼11而展开最大，或缩回中间翼11而展开最小。

使用本发明提供的车翼，开始工作时竖向气缸3伸出，车翼本体1上升，到达指定位置后停止。侧翼收放气缸12伸出，使侧翼10伸出至指定位置后停止，能够根据需要分别控制。

同时如图7所示，转向电机9驱动转向支座5转动，转向支座5旋转带动俯仰转轴6、俯仰支座4、车翼本体1共同转动，实现车翼本体1方向调节，达到指定位置后，电机停止并锁止。

同时如图6所示，俯仰电机8驱动锥齿轮组7传动，通过俯仰转轴6，使俯仰支座4绕俯仰转轴6的轴线（即横轴）转动，实现车翼本体1俯仰调节，达到指定位置后，电机停止并锁止。

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 (10)

1.一种高速列车抗横风方法，其特征在于，在车体顶部布设车翼，当遭遇横风时，车翼相对车体顶部升起并向背风侧伸出，使车翼产生抵抗横风的抵抗力矩，改变车翼的升降位置调整抵抗力矩的大小，而让车体的总倾覆力矩满足安全要求，降低车翼高度，车体总倾覆力矩系数降低。

2.根据权利要求1所述的一种高速列车抗横风方法，其特征在于，调整车翼的俯仰角度，改变抵抗力矩的大小。

3.一种高速列车抗横风车翼，采用如权利要求1-2任意一项所述的高速列车抗横风方法，其特征在于，包括车翼本体、以及与所述车翼本体连接的竖向伸缩机构，所述车翼本体能够向背风侧伸出，所述竖向伸缩机构用于控制所述车翼本体升降。

4.根据权利要求3所述的一种高速列车抗横风车翼，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气缸，所述伸缩外壳与所述竖向气缸联动，所述竖向气缸用于控制所述车翼本体升降。

5.根据权利要求4所述的一种高速列车抗横风车翼，其特征在于，所述竖向气缸为多级气缸，所述伸缩外壳能够随所述竖向气缸多级伸缩。

6.根据权利要求3所述的一种高速列车抗横风车翼，其特征在于，还包括俯仰支座、以及转向支座，所述车翼本体与所述俯仰支座连接，所述俯仰支座与所述转向支座连接，以使所述车翼本体具有俯仰以及转向的旋转自由度。

7.根据权利要求6所述的一种高速列车抗横风车翼，其特征在于，所述俯仰支座与所述车翼本体的底端连接，所述俯仰支座同时与俯仰转轴连接，所述俯仰转轴通过锥齿轮组与俯仰电机连接。

8.根据权利要求7所述的一种高速列车抗横风车翼，其特征在于，所述俯仰电机布设在所述转向支座内，所述转向支座与转向电机的转轴连接。

9.根据权利要求6所述的一种高速列车抗横风车翼，其特征在于，所述车翼本体包括位于中部的中间翼以及位于所述中间翼两侧的两个侧翼，所述侧翼均能够相对于所述中间翼向外侧伸缩，所述中间翼与所述俯仰支座连接。

10.根据权利要求9所述的一种高速列车抗横风车翼，其特征在于，所述中间翼为中空结构，内部设置有与两个所述侧翼分别连接的两个侧翼收放气缸，以分别控制两侧所述侧翼的伸缩位置。