JP7398147B2 - 列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、高速列車の技術分野に関し、特に列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減装置および列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減方法に関する。

列車の高速化に伴い、列車が高速で運行する時に存在するいくつかの空気力学的問題も顕在化してきた。例えば、列車の空気抵抗は、その振幅が列車の運行速度の２乗に比例する。列車の運行速度が上がるにつれて、列車の前進を駆動するために必要な動力に占める空気抵抗の割合は大きくなっており、したがって、列車のエネルギー消費を削減するために、列車の空気抵抗をどのように低減させるかを研究する必要がある。

従来の列車の空気抵抗低減のための技術的解決手段は、主に列車の流線型先頭、風防およびボギー台車領域に焦点を当てており、列車の表面を平滑化することを目的とする。しかしながら、このような抵抗低減のための解決手段による効果は次第に飽和状態になる傾向があり、列車先頭の長さは１２ｍに達し、フルラッピング風防、沈み込み式パンタグラフ、ボギー台車のスカート等も列車の製造・運営において幅広く使用されている。従来の関連する抵抗低減のための技術的解決手段は列車表面の平滑化を中心に展開され、外形の流線化により空気抵抗低減効果をさらに向上させることは困難である。

また、本願の出願人は、本分野に関して、渦発生器に基づく列車の増減抵抗装置を提案している（例えば、特許文献１参照）。

中国特許出願公開第１１３９９７９６４号明細書

本発明は、列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減装置を提供し、後流渦の強度を弱めることにより、最後尾車両の抵抗低減を実現すると同時に、他の車両の空気抵抗に影響を与えない、後流渦制御の観点から列車抵抗低減を実現する新しい空気抵抗低減装置および空気抵抗低減方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の実施例は、列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減装置を提供し、渦発生装置を含み、前記渦発生装置は偶数個設置され、偶数個の前記渦発生装置は列車端部の流線型領域ボディシェルの両側に対称的に設置され、前記渦発生装置は前記列車端部の流線型領域ボディシェルに垂直に設置され、前記渦発生装置と列車の中心線とは所定の角度をなして構成されている。

ここで、前記渦発生装置は２つまたは４つ設置されている。

ここで、前記所定の角度は５０°である。

ここで、前記渦発生装置は三角形構造または台形の板状構造である。

ここで、前記渦発生装置は直角台形の板状構造であり、前記渦発生装置の底辺の最大長さは０．６５ｍであり、前記渦発生装置の最大高さは０．４ｍであり、前記渦発生装置の鋭角は３５°である。

ここで、前記列車端部の流線型領域ボディシェルに複数のスロットが開設され、前記渦発生装置は前記スロット内にスライド可能に設置され、前記列車端部の流線型領域ボディシェルが列車の先頭方向にある場合、前記渦発生装置は前記スロット内で後退し、前記列車端部の流線型領域ボディシェルが列車の最後尾方向にある場合、前記渦発生装置はスロットから突出する。

ここで、前記列車端部の流線型領域ボディシェル内に複数組のスライド制御機構が設置され、前記渦発生装置は前記スライド制御機構を介して前記スロット内にスライド可能に設置され、前記渦発生装置は前記スライド制御機構を介して前記スロット内で上下に伸縮自在に調整可能に構成されている。

ここで、前記スライド制御機構は、制御装置の下部サポート、スポイラーサポート、電動モータ、ボールねじおよび制御装置の上部サポートを含み、前記制御装置の上部サポートは前記列車端部の流線型領域ボディシェルの底部に設置され、前記制御装置の下部サポートは前記列車端部の流線型領域ボディシェル内に固定して設置され、前記制御装置の下部サポートの両端はいずれも前記列車端部の流線型領域ボディシェルに垂直で外向きにガイドレールが設置され、前記ガイドレールは前記制御装置の上部サポートに接続され、前記スポイラーサポートの両端はリニア軸受を介して２つの前記ガイドレールにスライド可能に設置され、前記渦発生装置は前記スポイラーサポートに設置され、前記電動モータは前記制御装置の下部サポートに取り付けられ、前記電動モータはカップリングを介して前記ボールねじに接続され、前記ボールねじはボールナットを介して前記スポイラーサポートに伝動接続されている。

ここで、前記スロットにゴム製シールストリップが可動的に設置されている。

本発明はさらに、列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減装置を適用する、列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減方法を提供し、列車端部の流線型領域ボディシェルに空気抵抗低減装置を取り付ける工程Ｓ１と、空気抵抗低減装置によって列車最後尾の流れ場構造を改善し、列車最後尾の表面の正圧を増加させる工程Ｓ２と、空気抵抗低減装置によって列車最後尾に列車の後流渦の巻き方向と反対の一対の渦を発生させ、後流渦の強度を弱める工程Ｓ３とを含む。

本発明の上記解決手段は以下の有益な効果を有する。

本発明に記載の列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減装置は、外形の平滑化により列車の空気抵抗低減を実現する従来の方法を突破し、後流渦の強度を弱めることにより、後流渦制御の観点から列車抵抗低減を実現する新しい方法を提供する。本発明は、渦発生装置を列車端部の流線型領域ボディシェルに対称的に設置することにより、後流渦の強度を効果的に弱めることができ、渦発生装置と列車の中心線との角度ａが５０°である場合、他の車両の空気抵抗に影響を与えることなく、最後尾車両の空気抵抗低減効果は６％に達することができる。本発明はさらに、渦発生装置の突出と後退をリアルタイムに制御できるスライド制御機構が設置されているため、渦発生装置の作用時間を効果的に制御し、装置全体の耐用年数を延ばす。

本発明の列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減装置の４渦発生装置の概略図である。 本発明の列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減装置の２渦発生装置の概略図である。 本発明の列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減装置の渦発生装置の取り付けの上面図である。 本発明の列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減装置の渦発生装置の構造概略図である。 本発明の列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減装置のスライド制御機構の概略図１である。 本発明の列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減装置のスライド制御機構の概略図２である。 本発明の気流が列車を通過した後の巻き方向の概略図である。 本発明の気流が渦発生装置を通過した後の巻き方向の概略図である。 本発明の渦発生装置により列車最後尾の正圧が増加する領域の概略図である。

本発明が解決しようとする技術的問題、技術的解決手段および利点をより明確にするために、以下では図面および具体的な実施例を参照しながら詳細に説明する。

本発明は、従来の関連する抵抗低減のための技術的解決手段が主に列車の表面を平滑化することを中心に展開され、外形の流線化による空気抵抗低減効果のさらなる向上が難しいという問題に対して、列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減装置を提供する。

実施例１

図１～図４に示すように、本発明の実施例は列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減装置を提供し、渦発生装置１を含み、前記渦発生装置１は偶数個設置され、偶数個の前記渦発生装置１は列車端部の流線型領域ボディシェル２の両側に対称的に設置され、前記渦発生装置１は前記列車端部の流線型領域ボディシェル２に垂直に設置され、前記渦発生装置１と列車の中心線とは所定の角度をなし、その角度はａである。

ここで、前記渦発生装置１は２つまたは４つ設置されている。

ここで、前記渦発生装置１と列車の中心線との角度ａは５０°である。

ここで、前記渦発生装置１は三角形構造または台形の板状構造である。

ここで、前記渦発生装置１は直角台形の板状構造であり、前記渦発生装置１の底辺の最大長さは０．６５ｍであり、前記渦発生装置１の最大高さは０．４ｍであり、本実施例では、前記渦発生装置１の底辺は０．６５ｍであり、高さは０．４ｍであり、前記渦発生装置１の鋭角は３５°である。

本発明の実施例に記載の列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減装置では、前記渦発生装置１は２つまたは４つ設置され、前記渦発生装置１は下底辺を底面として列車端部の流線型領域ボディシェル２に設置され、前記渦発生装置１はそれぞれ列車の中心線を軸対称として列車端部の流線型領域ボディシェル２の両側に均等に設置され、前記渦発生装置１と列車の中心線との角度ａが５０°であり、前記渦発生装置１が４つ設置されている場合、装置の抵抗低減効果が最適に達し、風洞試験により、最後尾車両の抵抗を６％低減できることが証明された。

図５および図６に示すように、前記列車端部の流線型領域ボディシェル２に複数のスロット３が開設され、前記渦発生装置１は前記スロット３内にスライド可能に設置されている。

ここで、前記列車端部の流線型領域ボディシェル２内に複数組のスライド制御機構が設置され、前記渦発生装置１は前記スライド制御機構を介して前記スロット３内にスライド可能に設置され、前記列車端部の流線型領域ボディシェル２が列車の先頭方向にある場合、前記渦発生装置１は前記スロット３内に後退し、前記列車端部の流線型領域ボディシェル２が列車の最後尾方向にある場合、前記渦発生装置１はスロットから突出し、双方向の運行条件が満たされ、即ち、車両が最後尾車両である場合に渦発生装置１は作動して効果を発揮し、車両が先頭車両である場合に渦発生装置１は後退して動作しない。

ここで、前記スライド制御機構は、制御装置の下部サポート４、スポイラーサポート５、電動モータ６、ボールねじ７および制御装置の上部サポート８を含み、前記制御装置の上部サポート８は前記列車端部の流線型領域ボディシェル２の底部に設置され、前記制御装置の下部サポート４は前記列車端部の流線型領域ボディシェル２内に固定して設置され、前記制御装置の下部サポート４の両端はいずれも前記列車端部の流線型領域ボディシェル２に垂直で外向きにガイドレール９が設置され、前記ガイドレール９は前記制御装置の上部サポート８に接続され、前記スポイラーサポート５の両端はリニア軸受を介して２つの前記ガイドレール９にスライド可能に設置され、前記渦発生装置１は前記スポイラーサポート５に設置され、前記電動モータ６は前記制御装置の下部サポート４に取り付けられ、前記電動モータ６はカップリング１０を介して前記ボールねじ７に接続され、前記ボールねじ７はボールナットを介して前記スポイラーサポート５に伝動接続されている。

ここで、前記スロット３にゴム製シールストリップが可動的に設置されている。

前記ボールねじ７は連結ねじの接触角を調整することによって伝動トルクを調整し、ボールナットのセルフロック機能を実現し、ねじリードを調整することによって伝動速度を調整し、ねじストロークを調整することによってスポイラーサポート５のストロークを調整する。

本発明の実施例に記載の列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減装置では、渦発生装置１を突出展開させる必要がある場合、前記電動モータ６はボールねじ７を駆動して回転させ、ボールナットはスポイラーサポート５および渦発生装置１を駆動してガイドレール９に沿って上向きに移動させ、渦発生装置１はゴム製シールストリップを押し上げて列車端部の流線型領域ボディシェル２のスロット３から突出し、指定された位置に到達すると電動モータ６が停止し、ボールナットがセルフロックし、スポイラーサポート５および渦発生装置１はこの位置でロックされる。展開された渦発生装置１を後退させる必要がある場合、電動モータ６はボールねじを駆動して回転させ、ボールナットはスポイラーサポート５および渦発生装置１を駆動してガイドレール９に沿って下向きに移動させ、渦発生装置１がスロット１から後退するとゴム製シールストリップは自動的にリセットされ、完全に後退すると電動モータ６が停止し、ボールナットがセルフロックし、スポイラーサポート５および渦発生装置１はロックされる。

本発明は、列車が運行する時に後流渦の強度を弱めて抵抗低減を実現できる空気抵抗低減装置を提供し、このような後流渦制御に基づく空気抵抗低減方法は従来の解決手段を突破し、列車運行の空気抵抗をさらに低減でき、風洞試験により、本方法で達成できる最適な抵抗低減効果が６％であることが証明された。

実施例２

列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減装置を適用する、列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減方法であって、列車端部の流線型領域ボディシェルに空気抵抗低減装置を取り付ける工程Ｓ１と、空気抵抗低減装置によって列車最後尾の流れ場構造を改善し、列車最後尾の表面の正圧を増加させる工程Ｓ２と、空気抵抗低減装置によって列車最後尾に列車の後流渦の巻き方向と反対の一対の渦を発生させ、後流渦の強度を弱める工程Ｓ３とを含む。

図７に示すように、列車が高速で運行する時、周囲の空気は車体の表面に沿って移動し、列車最後尾で流れが分離し、一対の内向きに巻く渦を形成する。列車の後流渦は列車の空気抵抗を引き起こす主な原因の１つであり、図８に示すように、本発明の前記渦発生装置は列車の後流渦の巻き方向と反対の一対の渦を発生させることができ、これにより列車の後流渦の強度を弱めて列車の空気抵抗を低減させる。それと同時に、図９に示すように、渦発生装置は流入流に対して遮断作用を果たし、列車最後尾の正圧が増加し、列車の先頭と最後尾の圧力差の抵抗が低減し、それにより空気抵抗が低減する。本発明の前記渦発生装置により最後尾車両の空気抵抗が低減する効果を表１に示す。

（表１）

以上は本発明の好適な実施形態であり、当業者にとって、本発明に記載した原理から逸脱することなく、さらに複数の改善および修飾が可能であり、これらの改善および修飾も本発明の保護範囲と見なされるべきである。

１ 渦発生装置
２ 列車端部の流線型領域ボディシェル
３ スロット
４ 制御装置の下部サポート
５ スポイラーサポート
６ 電動モータ
７ ボールねじ
８ 制御装置の上部サポート
９ ガイドレール
１０ カップリング

Claims (9)

1. 列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減装置であって、
   渦発生装置を含み、前記渦発生装置は偶数個設置され、偶数個の前記渦発生装置は最後尾車両における列車端部の流線型領域ボディシェルの両側に対称的に設置され、前記渦発生装置は前記列車端部の流線型領域ボディシェルに垂直に設置され、前記渦発生装置と列車の中心線との間の角度が５０度であり、
   前記渦発生装置は、列車最後尾に列車の後流渦の巻き方向と反対の一対の渦を発生させ、後流渦の強度を弱めて、列車の空気抵抗を低減させ、
   前記渦発生装置は、流入流に対して遮断作用を果たし、列車最後尾の流れ場構造を改善し、列車最後尾の正圧を増加させることで、列車の先頭と最後尾の圧力差の抵抗が低減し、それにより列車の空気抵抗を低減させる、ことを特徴とする列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減装置。
2. 前記渦発生装置は２つまたは４つ設置されている、ことを特徴とする
   請求項１に記載の列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減装置。
3. 前記渦発生装置は三角形構造または台形の板状構造である、ことを特徴とする
   請求項１に記載の列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減装置。
4. 前記渦発生装置は直角台形の板状構造であり、前記渦発生装置の底辺の最大長さは０．６５ｍであり、前記渦発生装置の最大高さは０．４ｍであり、前記渦発生装置の鋭角は３５°である、ことを特徴とする
   請求項３に記載の列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減装置。
5. 前記列車端部の流線型領域ボディシェルに複数のスロットが開設され、前記渦発生装置は前記スロット内にスライド可能に設置され、
   前記列車端部の流線型領域ボディシェルが列車の先頭方向にある場合、前記渦発生装置は前記スロット内で後退し、
   前記列車端部の流線型領域ボディシェルが列車の最後尾方向にある場合、前記渦発生装置はスロットから突出する、ことを特徴とする
   請求項１に記載の列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減装置。
6. 前記列車端部の流線型領域ボディシェル内に複数組のスライド制御機構が設置され、前記渦発生装置は前記スライド制御機構を介して前記スロット内にスライド可能に設置され、前記渦発生装置は前記スライド制御機構を介して前記スロット内で上下に伸縮自在に調整可能に構成された、ことを特徴とする
   請求項５に記載の列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減装置。
7. 前記スライド制御機構は、制御装置の下部サポート、スポイラーサポート、電動モータ、ボールねじおよび制御装置の上部サポートを含み、
   前記制御装置の上部サポートは前記列車端部の流線型領域ボディシェルの底部に設置され、
   前記制御装置の下部サポートは前記列車端部の流線型領域ボディシェル内に固定して設置され、前記制御装置の下部サポートの両端はいずれも前記列車端部の流線型領域ボディシェルに垂直で外向きにガイドレールが設置され、
   前記ガイドレールは前記制御装置の上部サポートに接続され、
   前記スポイラーサポートの両端はリニア軸受を介して２つの前記ガイドレールにスライド可能に設置され、
   前記渦発生装置は前記スポイラーサポートに設置され、
   前記電動モータは前記制御装置の下部サポートに取り付けられ、前記電動モータはカップリングを介して前記ボールねじに接続され、
   前記ボールねじはボールナットを介して前記スポイラーサポートに伝動接続されている、ことを特徴とする
   請求項６に記載の列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減装置。
8. 前記スロットにゴム製シールストリップが可動的に設置されている、ことを特徴とする
   請求項５に記載の列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減装置。
9. 請求項１～請求項８のいずれか一項に記載の列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減装
   置を適用する、列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減方法であって、
   最後尾車両における列車端部の流線型領域ボディシェルに空気抵抗低減装置を取り付ける工程Ｓ１と、
   空気抵抗低減装置によって列車最後尾の流れ場構造を改善し、列車最後尾の表面の正圧を増加させる工程Ｓ２と、
   空気抵抗低減装置によって列車最後尾に列車の後流渦の巻き方向と反対の一対の渦を発生させ、後流渦の強度を弱める工程Ｓ３とを含む、ことを特徴とする列車の後流渦制御に基づく空気抵抗低減方法。