CN116890886A - 一种提升大风环境下列车运行安全的涡控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提升大风环境下列车运行安全的涡控制方法，当列车遭遇横风时，通过列车顶面位于背风侧的涡流发生器，在横风下产生小尺度的流向涡，流向涡向下游背风侧发展，被吸入列车背风侧的大尺度拖曳涡，降低拖曳涡的强度，提升列车背风侧压力，减小列车横向力和倾覆力矩。本发明从对运行列车近体区流场进行涡结构干扰的主动干预思路出发，通过列车顶面的涡流发生器实现对大风环境下运行列车安全的主动控制，突破了风环境下运行列车安全的传统被动式控制措施研究思维，为列车运行安全的主动控制提供了新的研究思路，也为以后采用类似涡流发生器控制方法的列车运行安全主动控制技术的研究提供了有价值的参考依据。

Description

一种提升大风环境下列车运行安全的涡控制方法及装置

技术领域

本发明涉及列车安全技术领域，特别涉及一种提升大风环境下列车运行安全的涡控制方法及装置。

背景技术

随着高速列车新型减阻技术的快速发展与应用，高速列车运行时速已经提高到400km/h，这极大地提高了通勤效率。然而，速度的提升引起了列车运行平稳性与安全性的恶化。当列车受到强风产生倾覆力矩时，可能会导致更大的不稳定性风险，影响日常运行安全，严重时甚至会造成列车倾覆等特别重大铁路交通事故。

目前应对横风下列车气动性能恶化主要有三种方法：一是建立大风监测和预警系统，二是在铁路沿线修建挡风墙，三是限制列车运行速度。德国的Ril80704指南指出必须对整个铁路网的横风安全进行综合控制和监测，以确保列车在横风下运行的安全性和稳定性。为此，德国建立了短期强侧风播报模型，其具体做法是：在线路沿线设置有很多风速计，通过轨道线路将车型、线路状况、风速传递到控制中心，控制中心发出指令来调节车辆的运行速度。该系统能够提前2分钟预报强风风速，以确保列车有足够的时间进行限速操作。法国在TGV地中海线路修建防风栅，并建立了沿线路连续部分的短期空间风速预测及监测网络，以便在警报情况下实现列车自动减速。东日本铁路公司自2006年起，将原来实行运行管制的区域全部更换成“早目规制”，并在首都圈内3条线路的12个区段引入“强风警报系统”。在上津本线安装防风网，以保护轨道列车不受风的影响。

但是，以上三种措施都存在显而易见的弊端，并且各个国家标准各不相同，缺乏国际统一规范。列车速度限制是指在不同大风环境下，改变列车的最高运行速度，风力越大列车速度越低，直至列车停轮。所以，这会严重影响通勤率和铁路运输规划。并且，在不同风环境和不同线路条件下，这个限值的制定需要进行大量的实车试验，以确保限值的合理性，所以难以形成通用的规范性文件。而修建防风设施需要大量的资金，以及修建前后大量的实车试验，并且可能会在特殊路段的防风效果欠佳或者防风过度。

综上所述，传统对大风环境下运行列车所采用的控制措施，均属于被动控制措施，很难满足风区环境以及列车运行速度多样性的需求，且成本巨大。因此，通过主动控制措施，实现随运营列车所处的风环境特征、列车速度以及气动载荷等特征，通过调整该控制措施的相关参数，以抑制列车背风侧拖曳涡强度，从而降低列车背风侧压力，实现对大风环境下列车安全性的主动控制，是具有实际意义的。

现有技术中，存在高速列车横风效应控制装置的方案，其通过在高速列车的头车顶部外表面局部添加条带结构，形成高速列车新型微结构表面，可控制横风条件下的高速列车边界层流动，实现对大尺度分离涡的干扰控制，能够有效抑制列车迎风侧与顶部过渡区发生的流动分离现象，从而使得侧向力与倾覆力矩减小，进一步提升列车运行安全性与稳定性。其中，该方案聚焦于微观尺度，抗倾覆原理是抑制列车顶部的流动分离现象，与本发明涉及的“以涡抑涡”方法不同。

现有技术中，还存在高速列车抗横风翻转伸缩翼的方案，该方案提供了一种高速列车抗横风翻转伸缩翼，包括至少一对车翼，所述车翼布设于车体的两侧，在需要抵抗横风时将迎风侧的车翼翻转180度，使迎风侧产生下压力，与背风侧车翼产生的升力组合，形成更大的抵抗力矩加强对横风的抵抗效果，提升高速列车抵抗横风的能力。这种方法依赖升力翼自身产生的抗倾覆力矩，抗倾覆原理是设备本身外形在横风下产生了非对称升力，与本发明中控制列车自身的倾覆力矩方法不同。

发明内容

本发明的目的是：针对上述背景技术中存在的问题，提供一种从涡流发生器的思路展开的方案，基于涡流发生器的方法来主动干预、控制列车近体区域流场，采用涡流发生器控制技术与原始列车的气动指标进行分析比较，获得风环境下列车运行安全性提升控制效果较好的涡流发生器技术的合理设计位置与参数。

为了达到上述目的，本发明提供了一种提升大风环境下列车运行安全的涡控制方法，当列车遭遇横风时，列车与横风相对的一侧为迎风侧、列车与横风背对的一侧为背风侧，通过列车顶面位于背风侧的涡流发生器，在横风下产生小尺度的流向涡，流向涡向下游背风侧发展，被吸入列车背风侧的大尺度拖曳涡，降低拖曳涡的强度，提升列车背风侧压力，减小列车横向力和倾覆力矩。

进一步地，涡流发生器高度在一定限度内，越高越有利于减小横向力和倾覆力矩。

进一步地，列车正常行驶时将两侧的涡流发生器收回，当列车遭遇横风时将迎风侧的涡流发生器收回。

进一步地，根据风向调整涡流发生器的角度，以使列车所受倾覆力矩最小。

本发明还提供了一种提升大风环境下列车运行安全的涡控制装置，采用如前所述的方法，包括设置在列车顶面的多个涡流发生器，所述涡流发生器设置有两组，沿列车顶面纵向线性阵列排布，且相对于列车中纵剖面是对称分布的，当遭遇横风时，背风侧的一组所述涡流发生器伸出列车顶面，迎风侧的一组所述发生器收回列车顶面。

进一步地，列车顶面开设有安装槽，所述安装槽为长条形并与所述涡流发生器相匹配，所述安装槽与所述涡流发生器一一对应布置，所述安装槽的下方设置有升降驱动机构，所述升降驱动机构用于驱动所述涡流发生器相对于所述安装槽伸缩。

进一步地，当所述涡流发生器收回于所述安装槽内时，所述涡流发生器的顶面将所述安装槽密封，以保持列车顶面的气动完整性。

进一步地，所述安装槽的下方还设置有角度调整机构，所述角度调整机构包括旋转驱动部以及旋转轴，所述旋转轴转动设置在一升降台上，所述旋转驱动部安装在所述升降台上，且所述旋转驱动部与所述旋转轴传动连接，所述涡流发生器的端部与所述旋转轴连接，以随所述旋转轴旋转调整角度，所述升降台与所述升降驱动机构连接。

进一步地，所述涡流发生器在升降过程中保持与所述安装槽一致的角度，所述涡流发生器伸出所述安装槽后，旋转调整至预设的角度。

进一步地，所述涡流发生器为叶片式或惠勒式或楔形式。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明提供的提升大风环境下列车运行安全的涡控制方法及装置，从对运行列车近体区流场进行涡结构干扰的主动干预思路出发，通过列车顶面的涡流发生器实现对大风环境下运行列车安全的主动控制，突破了风环境下运行列车安全的传统被动式控制措施研究思维，为列车运行安全的主动控制提供了新的研究思路，同时所给出的涡流发生器布置方案对列车安全的控制效果，也为以后采用类似涡流发生器控制方法的列车运行安全主动控制技术的研究提供了有价值的参考依据；

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为本发明中有无涡流发生器时列车背风侧涡结构示意图；

图2为本发明中涡流发生器布置三维示意图(单组)；

图3为本发明中涡流发生器布置俯视图(单组)；

图4为本发明中涡流发生器三种高度示意图；

图5为本发明中的安装台设置示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

本发明的实施例提供了一种提升大风环境下列车运行安全的涡控制方法，通过列车顶面的多个涡流发生器。列车遭遇横风时，列车与横风相对的一侧为迎风侧、列车与横风背对的一侧为背风侧，以列车中纵剖面将列车分为两部分，涡流发生器设置在列车位于背风侧的顶面部分，在横风下涡流发生器自身会产生小尺度的流向涡，如图1所示，含能的高湍流强度的流向涡会向下游背风侧发展，被吸入列车背风侧的大尺度拖曳涡，从而降低拖曳涡的强度，提升列车背风侧压力，来减小列车横向力和倾覆力矩，实现对列车安全的有效主动控制。

可以理解的是，该方案采用了“以涡抑涡”的方式，即通过生成小尺度的流向涡降低拖曳涡的强度，与现有技术中通过在高速列车的头车顶部外表面局部添加条带结构的方案不同。现有技术中通过条带结构形成高速列车新型微结构表面，可控制横风条件下的高速列车边界层流动，实现对大尺度分离涡的干扰控制，能够有效抑制列车迎风侧与顶部过渡区发生的流动分离现象，从而使得侧向力与倾覆力矩减小，其聚焦于微观尺度，抗倾覆原理是抑制列车顶部的流动分离现象。

本实施例中在列车顶面设置了若干种不同高度的涡流发生器，基于计算流体力学对不同高度涡流发生器的方案的列车在风环境条件下的气动参数进行数值模拟，并与原始未安装涡流发生器的列车的气动性能进行对比，最终获得了可明显提升风环境下列车气动参数的最优涡流发生器设计方案。

具体图2与图3所示，其展示了矩形涡流发生器在列车的安装位置，其中车体高度H＝3.70 m，涡流发生器为矩形并在列车顶面线性阵列排布，每个涡流发生器与列车行驶方向(列车中纵剖面)的具有预设的夹角(斜角)。涡流发生器布置在列车顶面的背风侧，其自身产生的小尺度涡结构会注入到列车背风侧的主涡(拖曳涡)内，以降低列车背风侧的涡强度，从而提高背风侧压力，减小横向力与倾覆力矩。

为确定涡流发生器最佳高度，以使列车获得最佳抗风气动性能，图4展示了本实施例中对比分析了涡流发生器的三种高度方案。其中h表示在30°侧滑角的60m/s的风场中的车体顶部边界层厚度。三种方案分别为：0.4h高度方案一、h高度方案二和2h高度方案三，且涡流发生器的起始位置位于列车中纵剖面处。需要说明的是，图2中所示的涡流发生器对应图4中方案三。

本实施例中在对比三种高度的涡流发生器时，采用高速列车风洞试验常见合成速度作为研究条件，其合成速度为60m/s，侧滑角为30°。采用计算流体力学方法获得采用三种不同高度涡流发生器的列车模型的关键气动力参数，并将其与原始列车模型(未设置涡流发生器的列车)的气动力参数进行比较。如方程(1)～(4)所示，列车安全运行的主要气动参数包括侧向力系数C_y，升力系数C_z，倾覆力矩系数C_Mxlee，F_y为侧向力，F_z为升力，M_xlee为气动倾覆力矩。A为列车横截面面积，l为参考长度(这里取列车高度)。对于本实施例中所采用的列车模型，在全尺寸情况下，其横截面积A和列车高度H分别为11.22m²和3.7 m，U_s为合成速度，ρ为空气密度，取1.225kg/m³。

表1所示为三种方案中的列车与原始列车的C_y，C_z和C_Mxlee的比较结果(增量百分比E)，E的定义如方程(4)所示，其中C表示三种方案的关键气动系数值，C₀则表示与C所对应的气动系数在原始列车模型中的值。

表1不同涡流发生器高度方案气动性能对比

涡流发生器高度方案	原始列车	方案1	方案2	方案3
					Cy(E)	\	-19.58％	-20.71％	-24.37％
Cz(E)	\	49.20％	54.26％	47.78％
					Cmxlee(E)	\	-9.50％	-9.98％	-15.97％

由表1可知，涡流发生器能够明显改变横风中列车的气动性能，同时涡流发生器的高度对C_y和C_z的影响效果不同，因此，以C_y和C_z的综合作用效果的反映指标C_Mxlee为判断依据来分析不同涡流发生器高度方案对列车安全性的控制效果。可以看出，列车涡流发生器采用方案三时，即涡流发生器高2h时能够使列车C_Mxlee减小15.97％，实现对风环境下中间车安全性的有效控制。可以理解，涡流发生器高度在一定限度内，越高越有利于减小横向力和倾覆力矩。

因此，本实施例基于现有技术条件下针对列车所采用的防风控制措施主要是限速和在风区铁路沿线修建防风设施等被动控制措施，从对运行列车近体区流场进行涡结构干扰的主动干预思路出发，实现对大风环境下运行列车安全的主动控制。同时以此建立了列车背风侧涡控制的三种涡流发生器高度方案模型，并基于一系列数值仿真结果，评估了三种涡流发生器高度方案模型对大风环境下列车运行安全的提升控制效果，获得了列车涡流发生器的最终布置方案。其突破了风环境下运行列车安全的传统被动式控制措施研究思维，为列车运行安全的主动控制提供了新的研究思路，同时所给出的涡流发生器布置方案对列车安全的控制效果，也为以后采用类似涡流发生器控制方法的列车运行安全主动控制技术的研究提供了有价值的参考依据。

考虑列车实际运行时横风可能从列车左侧或右侧、以不同的角度吹向列车车体，因此本实施例中通过对称布置的两组涡流发生器，其相对于列车中纵剖面对称分布。两侧的涡流发生器可以正常产生小尺度流向涡，也可以收回不产生作用，以此来适应列车左侧、右侧横风切换时的横向力和倾覆力矩抵抗。其中，可以在列车顶面开设安装槽，安装槽为长条形并与涡流发生器相匹配，且安装槽与涡流发生器一一对应布置。安装槽下方还设置有升降驱动机构，依靠升降驱动机构驱动涡流发生器伸出安装槽而产生小尺度流向涡，或者收回不产生作用。

进一步地，对于不同角度吹向列车的横风来说，涡流发生器应当具有最佳的角度，以使倾覆力矩系数值达到最优，该最优值同样可以通过计算流体力学进行数值模拟获得。作为优选的实施方式，本实施例中进一步根据风向适应性调整涡流发生器的角度，当列车的风向传感器检测确认风向后，背风侧的涡流发生器升起并调整至对应风向最佳的角度，以使列车所受倾覆力矩最小，更好地保证了列车遭遇横风时运行的安全性。

基于同一发明构思，本实施例还提供了一种提升大风环境下列车运行安全的涡控制装置，包括设置在列车顶面的多个涡流发生器。其中，涡流发生器整体上为矩形板状结构，在其它实施例中还可以采用其它形状的叶片式涡流发生器，例如三角形和梯形，或者还可以采用惠勒式、楔形式的涡流发生器等。涡流发生器沿列车顶面纵向线性阵列排布。基于左侧横风与右侧横风的不同，本实施例中设置两组沿列车顶面纵向线性阵列排布的涡流发生器，当遭遇横风时，背风侧的涡流发生器伸出列车顶面并生成小尺度流向涡，而迎风侧的涡流发生器收回列车顶面不产生作用。

具体地，本装置还包括在列车顶面开设的安装槽，安装槽为长条形并与涡流发生器相匹配，且安装槽与涡流发生器一一对应布置。安装槽下方设置有升降驱动机构，其可采用气缸、电推杆等形式，依靠升降驱动机构驱动涡流发生器伸出安装槽而产生小尺度流向涡，或者收回不产生作用。基于前述数值仿真算例，升降驱动机构也能够控制涡流发生器的升降高度，对于不同强度的横风可以进行高度适应性调整，或者即将穿越限高位置时将涡流发生器调整至安全的高度。

需要说明的是，安装槽的厚度尺寸最好与涡流发生器精准匹配、即稍大于涡流发生器的厚度，以使涡流发生器收回后，涡流发生器的上边缘(即顶面)能够尽可能地将安装槽密封，从而保持列车顶面的气动完整性，确保列车正常行驶时的气动效应。

同时，对于不同角度吹向列车的横风来说，本实施例中进一步设置涡流发生器的角度调整机构，其包括旋转驱动部、以及旋转轴等。旋转驱动部可以采用伺服电机等形式，旋转轴转动设置在一升降台上，伺服电机安装在升降台上，且与旋转轴传动连接，旋转轴通过伺服电机驱动而旋转。涡流发生器的端部与旋转轴连接，能够随旋转轴旋转进行角度调整。其中，升降台可以设置在安装槽下方的腔室内，与升降驱动机构连接，以通过升降驱动机构驱动进行整体升降。

考虑到涡流发生器需要旋转调整角度，本实施例中设置为安装槽与列车中纵剖面具有固定的斜角，涡流发生器在升降过程中保持与安装槽一致的角度，以能够沿安装槽顺利升降，且收回后保证列车顶面的气动完整性。当涡流发生器伸出安装槽后，能够在伺服电机的驱动下随旋转轴旋转至预设的角度，使倾覆力矩系数能够达到最佳，更好地保证了列车遭遇横风时运行的安全性。当涡流发生器需要收回时，先旋转至与安装槽一致的角度，再通过升降驱动机构驱动而收回。

另外还可以考虑安装槽旋转的方式，即在列车顶面设置有旋转台，安装槽开设在旋转台上，升降驱动机构整体设置在旋转台下方，与旋转台同步旋转。旋转台视为列车顶面的一部分，当涡流发生器回收于安装槽内时，旋转台能够保证列车顶面的完整性。当需要进行涡流控制时，旋转台带动安装槽旋转至预设的角度，涡流发生器同步地通过升降驱动机构驱动而伸出安装槽，最终以预设的角度排列在列车顶面上，产生小尺度涡降低列车背风侧的涡强度。

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)

1.一种提升大风环境下列车运行安全的涡控制方法，其特征在于，当列车遭遇横风时，列车与横风相对的一侧为迎风侧、列车与横风背对的一侧为背风侧，通过列车顶面位于背风侧的涡流发生器，在横风下产生小尺度的流向涡，流向涡向下游背风侧发展，被吸入列车背风侧的大尺度拖曳涡，降低拖曳涡的强度，提升列车背风侧压力，减小列车横向力和倾覆力矩。

2.根据权利要求1所述的一种提升大风环境下列车运行安全的涡控制方法，其特征在于，涡流发生器高度在一定限度内，越高越有利于减小横向力和倾覆力矩。

3.根据权利要求1所述的一种提升大风环境下列车运行安全的涡控制方法，其特征在于，列车正常行驶时将两侧的涡流发生器收回，当列车遭遇横风时将迎风侧的涡流发生器收回。

4.根据权利要求1所述的一种提升大风环境下列车运行安全的涡控制方法，其特征在于，根据风向调整涡流发生器的角度，以使列车所受倾覆力矩最小。

5.一种提升大风环境下列车运行安全的涡控制装置，采用如权利要求1-4任意一项所述的方法，其特征在于，包括设置在列车顶面的多个涡流发生器，所述涡流发生器设置有两组，沿列车顶面纵向线性阵列排布，且相对于列车中纵剖面是对称分布的，当遭遇横风时，背风侧的一组所述涡流发生器伸出列车顶面，迎风侧的一组所述发生器收回列车顶面。

6.根据权利要求5所述的一种提升大风环境下列车运行安全的涡控制装置，其特征在于，列车顶面开设有安装槽，所述安装槽为长条形并与所述涡流发生器相匹配，所述安装槽与所述涡流发生器一一对应布置，所述安装槽的下方设置有升降驱动机构，所述升降驱动机构用于驱动所述涡流发生器相对于所述安装槽伸缩。

7.根据权利要求6所述的一种提升大风环境下列车运行安全的涡控制装置，其特征在于，当所述涡流发生器收回于所述安装槽内时，所述涡流发生器的顶面将所述安装槽密封，以保持列车顶面的气动完整性。

8.根据权利要求6所述的一种提升大风环境下列车运行安全的涡控制装置，其特征在于，所述安装槽的下方还设置有角度调整机构，所述角度调整机构包括旋转驱动部以及旋转轴，所述旋转轴转动设置在一升降台上，所述旋转驱动部安装在所述升降台上，且所述旋转驱动部与所述旋转轴传动连接，所述涡流发生器的端部与所述旋转轴连接，以随所述旋转轴旋转调整角度，所述升降台与所述升降驱动机构连接。

9.根据权利要求8所述的一种提升大风环境下列车运行安全的涡控制装置，其特征在于，所述涡流发生器在升降过程中保持与所述安装槽一致的角度，所述涡流发生器伸出所述安装槽后，旋转调整至预设的角度。

10.根据权利要求5所述的一种提升大风环境下列车运行安全的涡控制装置，其特征在于，所述涡流发生器为叶片式或惠勒式或楔形式。