本发明公开了一种新型高速列车风阻制动装置,主要包括基座、制动风翼板、驱动装置及控制单元、侧板、车顶流线型外观补偿组件、风翼板限位组件及复位缓冲组件等。制动风翼板为前后两排分别于沿基座前后边缘处安装固定架上转动安装,前后对称布置,制动工作时可选用单排制动或双排制动的方式。该新型高速列车风阻制动装置可实现制动工作时制动力多级调控、气动阻力系数大、制动效率高、制动风翼板利用率高、收纳空间小、气动噪声小及制动风翼板平缓稳定开启,有效满足新一代高速列车风阻制动装置小型化、轻量化、运行安全性及稳定性的要求。
本发明涉及轨道交通车辆制动领域,具体涉及一种新型高速列车风阻制动装置。
在轨道交通车辆制动领域,轨道涡流制动、磁轨制动和风阻制动为现阶段主流的3种非黏着制动技术,而风阻制动是高速列车非黏着制动的一种全新制动方式,其利用车身表面设置制动风翼板装置增加空气阻力来产生制动力。随着高速列车技术的快速发展,国内在实现350km/h商业运营的基础上,已经开展更高速高铁列车技术攻关。相关研究发现当列车在300km/h以上速度等级运行时,所受空气阻力占总阻力的80%以上,同时随着运行速度的提高,黏着制动力将逐渐降低,不能满足高性能制动需求,由此可见,同时具备开发应用风阻制动装置的速度条件,尤其适合弥补列车在高速段制动时黏着制动力的不足,特别是在列车紧急制动情况下。
国外对高速列车风阻制动系统的研究及应用主要集中在日本,近年来日本对于列车空气制动的有效性研究不仅从风洞试验及计算机数值模拟的方法进行了大量分析,同时还开展了多项实车试验。日本最早在宫崎试验线及山梨试验线上开展风阻制动装置在时速500km工况下MLU002N型磁浮列车空气动力学计算和机构优化研究,对风阻制动装置制动性能做了初步评估。2005年6月,JR东日本公司联合开发了“猫耳”型空气动力制动装置,并于E954型Fastech360S和Fastech360Z型高速列车成功安装应用,同时完成了时速400km车况条件下的风阻制动板性能测试,试验结果显示,风阻制动装置在紧急制动时具有良好的可靠性和较高的应用价值。在风阻制动风翼板安装及布置方面,日本相关组织研发了小型分散式风阻制动装置并对其进行改进,着重从缩小风阻制动装置体积及增大制动板阻力系数两方面进行了研究考虑。
国内较早由同济大学和中南大学在高速列车空气动力制动应用领域展开研究,分析了列车顶部不同纵向位置处制动风翼周围流场特性,同时通过数值计算对空气动力制动产生制动力效果进行了分析,在研究计算中制动风翼板主体参考了最初日本的“猫耳”型结构,在风翼板布置时采用单节单排设置的方案,通过计算流体力学方法对带风翼板时速400km高速列车交汇时动力学性能及运行安全性进行探究,结果表明,与未开启制动风翼板相比其运行安全性指标均在合格范围内。相关研究以矩形结构风翼板为研究对象,重点分析了首排风翼板对空气动力制动能力的影响规律,结果表明,首排风翼板的高度变化对后排风翼板的流场结构及制动力变化影响较小。
在制动风翼板结构设计及制造方面,目前,国内外已研发了多种风阻制动装置,主要有日本早期研制开发的“猫耳”型风阻制动装置、分散式风阻制动装置、“蝶形”风阻制动装置及液压式风阻制动装置等。
(一)申请公布号为CNA,发明名称为一种高速列车风阻制动装置的中国发明申请,公开了一种高速列车风阻制动装置,包括箱体,所述箱体固定嵌入于列车顶部,所述体内设有开启机构、锁闭装置、驱动机构、传动机构、锁定机构及角度传感器,所述驱动机构与传动机构相连接,所述开启机构和锁闭装置上端与所述制动风翼板内表面中部相接触,装有摇臂,所述摇臂基于止档轴承座旋转,所述锁定机构用于控制摇臂的旋转角度,所述摇臂上安装有制动风翼板,所述角度传感器用于测量摇臂的旋转角度。
该高速列车风阻制动装置主要存在以下几个待解决的技术问题和缺陷:
(1)该风阻制动装置采用两块风阻制动板互相抵消力矩的方式,能够实现迅速启动,且收纳空间较小,但在制动位时两块制动板存在一定的角度差,会带来旋涡气流,引起噪声及振动,对列车的运行安全性及稳定性带来一定的影响;
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在学术界,风洞被喻为“飞行器的摇篮”,流传着“有什么样的风洞,才能有什么样的飞机、飞船、火箭、导弹”的说法。
风洞,wind tunnel,即风洞实验室,是以人工的方式产生并且控制气流,用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况,并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备,它是进行空气动力实验常用、有效的工具之一。
它不仅在航空和航天工程的研究和发展中起着重要作用,随着工业空气动力学的发展,在交通运输、房屋建筑、风能利用等领域更是不可或缺的。这种实验方法,流动条件容易控制。实验时,常将模型或实物固定在风洞中进行反复吹风,通过测控仪器和设备取得实验数据。
风洞主要由洞体、驱动系统和测量控制系统组成,各部分的形式因风洞类型而不同。
洞体是一个能对模型进行必要测量和观察的实验段。它的上游是收缩段或喷管,具有提高气流匀直度、降低湍流度的稳定段和使气流加速作用。实验段下游有降低流速、减少能量损失的扩压段和将气流引向风洞外的排出段或导回到风洞入口的回流段。有时为了降低风洞内外的噪声,在稳定段和排气口等处装有消声器。
驱动系统共有两类:一类是由可控电机组和由它带动的风扇或轴流式压缩机组成。另一类是用小功率的压气机事先将空气增压贮存在贮气罐中,或用真空泵把与风洞出口管道相连的真空罐抽真空,实验时快速开启阀门,使高压空气直接或通过引射器进入洞体或由真空罐将空气吸入洞体,因而有吹气、引射、吸气以及它们相互组合的各种形式。
测量控制系统,控制各种阀门、活动部件、模型状态和仪器仪表,并通过天平、压力和温度等传感器,测量气流参量、模型状态和有关的物理量。
做风洞试验,首先要满足相似律的要求。因为风洞尺寸和动力的限制,在一个风洞中不可能模拟所有的相似参数,通常需求选择一些影响大的相似参数进行模拟。
这里按照气流速度分:
应用领域:航空航天飞行器起飞着陆阶段的空气动力性能;水中兵器的流体动力性能;汽车、列车的空气动力性能;风力机械的空气动力特性;单体或群体建筑构筑物在风场中的受力状态及其对风载的响应特性;桥梁的风载状态和风振规律等等。
气流马赫数为0.4~4.5的风洞。按马赫数范围划分,高速风洞可分为亚声速风洞、跨声速风洞和超声速风洞。
2.1、亚声速风洞
风洞的马赫数为0.4~0.7。结构形式和工作原理同低速风洞相仿,只是运转所需的功率比低速风洞大一些。
2.2、跨声速风洞
马赫数为0.5~1.3。第一座跨声速风洞是美国航空咨询委员会(NACA)在1947年建成的。它是一座开闭比为12.5%、实验段直径为 308.4毫米的开缝壁风洞。此后跨声速风洞发展很快,到50年代就已建设了一大批实验段口径大于1米的模型实验风洞。
2.3、超声速风洞
洞内气流马赫数为1.5~4.5的风洞。风洞中气流在进入实验段前经过一个拉瓦尔管而达到超声速。第一座超声速风洞是普朗特于1905年在德国格丁根建造的,实验马数可达到1.5。
马赫数大于 5的超声速风洞。主要用于导弹、人造卫星、航天飞机的模型实验。主要有常规高超声速风洞、低密度风洞、激波风洞、热冲风洞等形式。
3.1、常规高超声速风洞
它是在超声速风洞的基础上发展起来的。常规高超声速风洞的运行原理与超声速风洞相似,主要差别在于前者须给气体加热。
3.2、低密度风洞
形成稀薄(低密度)气体流动的高超声速风洞。它为研制航天器提供高空飞行的气动环境,也是研究稀薄气体动力学的实验工具。主要模拟克努曾数、马赫数、物面平均温度和滞止温度(气体速度变成零时的温度)之比(约为0.06~1)等参数,以及高温低压下的真实气体效应。
利用激波压缩实验气体,再用定常膨胀方法产生高超声速实验气流的风洞。激波风洞的实验时间短,通常以毫秒计。它的发展与中、远程导弹和航天器的发展密切相关。它由一个激波管和连接在它后面的喷管等风洞主要部件组成。在激波管和喷管之间用膜片(第二膜片)隔开,喷管后面被抽成真空。
利用电弧脉冲放电定容地加热和压缩实验气体,产生高超声速气流的风洞。热冲风洞的实验气流是准定常流动(见非定常流动),实验时间约20~200毫秒;实验过程中弧室气体压力和温度取决于实验条件和时间,与高超声速风洞和激波风洞相比大约要低10~50%。所以要瞬时、同步地测量实验过程中实验段的气流参量和模型上的气动力特性,并采用一套专门的数据处理技术。
除上述风洞外,高超声速风洞还有氮气风洞、氦气风洞、炮风洞(轻活塞风洞)、长冲风洞(重活塞风洞)、气体活塞风洞、膨胀风洞和高超声速路德维格管风洞等。
其实,在国内,不少大学和研究院有自己的风洞实验室。但是由于风洞实验室是一种战略实验室,许多风洞实验室是带密级的。这里介绍公开的几个大型风洞实验室。
6.1、中国空气动力发展与研究中心
位于川西山区,装备有风洞群,累计完成风洞试验50馀万次,先后建成低速风洞和亚、跨、超和高超声速风洞52座,拥有8座风洞设备。歼10战斗机、“神舟”飞船、磁悬浮列车等都在这里进行风洞试验。
6.2、西南交通大学XNJD-3风洞
2008年,作为西南交大十五、211重点建设项目,XNJD-3风洞建成,大大促进了西南交大风工程学科及土木工程学科的发展。XNJD-3风洞是目前世界大的边界层风洞,试验段尺寸为22.5m(宽)×4.5m(高)×36m(长),断面尺寸位居世界第一,风速范围为1.0~16.5m/s,主要技术指标均已达到世界先进水平。
6.3、吉林风洞实验室
吉林大学汽车风洞实验室是国内汽车风洞实验室,隶属于吉林大学汽车工程学院汽车空气动力学研究所。汽车风洞实验室筹建于1999年,2002年开工建设,实验室大楼于2003年完工投入使用。该实验室是目前国内一个定位于进行专业汽车空气动力学试验研究的风洞实验室。
6.4、汕头大学风洞试验室
汕头大学风洞试验室是广东省普通高等学校的建筑工业风洞实验室,于 1996 年 11 月通过由结构风工程领域院士和教授组成的专家组的正式验收。风洞主试验段宽 3 米 、高 2 米 、长 20 米 ,最高风速达 45 米 / 秒。实验室配备有当前先进水平的测试设备,是国内同类风洞中较早使用进口高速电子扫描阀和进口高频底座天平等仪器的研究单位之一。
6.5、北京交通大学风洞实验室
北京交通大学风洞实验室为双试验段回流式闭口风洞,具有先进的电子压力测量系统、控制系统和结构测振系统,隶属于“985工程”优势学科创新平台。可用于建筑物、桥梁测压和风环境试验,以及其它工业空气动力学试验。风洞洞体平面尺寸为41.0m×18.8m,2010年年底正式投入使用。高速试验段尺寸为:3.0m× 2.0m×
6.6、中国建筑科学研究院实验室
风洞试验室建筑面积4665平米,拥有目前国内建筑工程规模大、设备先进的下吹式双试验段边界层风洞,风洞全长96.5m,高速试验段尺寸为4m×3m×22m(宽×高×长),最高风速30m/s;低速段尺寸为6m×3.5m×21m,最高风速18m/s。拥有1280点同步电子扫描阀、多点激光测振仪、高频天平等先进的测试设备,可进行结构抗风和风环境的风洞试验、CFD数值模拟、风振分析等研究和咨询工作。
6.7、大连理工大学风洞实验室
建成于2006年4月,是一座全钢结构单回流闭口式边界层风洞,采用全自动化的测量控制系统。风洞气动轮廓长43.8 m,宽13.1 m,最大高度为6.18m;试验段长18m,横断面宽3m,高2.5m,空风洞最大设计风速50m/s,适用于桥梁与建筑结构等抗风试验研究。
6.8、湖南大学风洞实验室
拥有国内先进的大型边界层风洞实验室,风洞试验室占地2000m2,建筑面积3200 m2。该风洞气动轮廓全长53m、宽18 m,为低速、单回流、并列双试验段的中型边界层风洞,其试验速度相对较高的试验段(高速试验段)长17 m,模型试验区横截面宽3 m、高2.5 m,试验段风速0~60 m /s连续可调。
6.9、石家庄铁道大学风洞实验室
在同等规模的边界层风洞中,功能全面,特色鲜明。低速试验段最大风速达到30.0米/秒,高速试验段最大风速达到80.0米/秒,假如这么大风速的风是从下往上吹的,可以让四个叠加起来的人在空中飘浮。“风洞”还引进了中科院的研究所研制的精确模拟降雨系统,可以模拟从毛毛雨到大暴雨的各级雨强的降雨。还可以进行风雪试验、污染扩散等风洞试验。
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