新型高速列车风阻制动装置设计与仿真分析_谢红太.pdf
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1、第 30 卷第 2 期2023 年 4 月 工程设计学报 Chinese Journal of Engineering DesignVol.30 No.2Apr.2023新型高速列车风阻制动装置设计与仿真分析谢红太1,2,王红1,柴伟1(1.兰州交通大学 机电工程学院,甘肃 兰州 730070;2.华设设计集团股份有限公司 铁道规划设计研究院,江苏 南京 210014)摘 要:运行时速超过350 km的高速列车在高速阶段辅助制动或紧急制动时,风阻制动是一种行之有效的制动措施。研制综合气动性能优越及适用性广的风阻制动装置是下一代时速400+km高速列车开发中亟待解决的关键技术问题之一。在总结分析
2、现有技术的可行性和实用性的基础上,提出了新型风阻制动装置的设计理念和方法,重点从满足多级协同制动、优化气动性能、降低气动噪声及减弱结构振动等方面考虑开发实施,完成了窗形风阻制动装置及其改进型设计方案。结果表明:通过前后设置的沿安装基座前后边缘转动开启的2排风阻制动板进行多模式选择制动,有效克服了传统风阻制动板从前往后开启所造成的气动噪声剧烈、颤振及后排风阻制动板制动效率低等问题;同时,采用自馈补偿和板型导流两种制动补偿方式对风阻制动装置的二次空气动力学性能进行优化设计,进一步改善了装置制动工作时的外围流场结构,最大程度避免了非制动状态下附加气动阻力的形成;针对风阻制动装置的传动控制,创新性地设
3、计了电路模拟控制和液压驱动控制方案。以运行时速为400 km的CR400AF平台动车组单节车辆装配单组改进型窗形风阻制动装置为计算模型,模拟得到装置在紧急制动时贡献的气动阻力为4.70 kN,产生的气动升力为1.13 kN,具备较好的高速阶段增阻特性。窗形风阻制动装置及其改进型设计方案在制动效率、风阻制动板利用率、空气动力学性能及气动噪声等方面表现出较强的优势。未来高速列车风阻制动装置的设计及应用需进一步从线路条件、运行风环境、瞬时启停性能、电控系统、结构振动及强度设计等方面开展实验研究。关键词:高速列车;空气动力学;风阻制动;制动装置;气动性能中图分类号:TH-39;U 266.2 文献标志
4、码:A 文章编号:1006-754X(2023)02-0244-10Design and simulation analysis of new wind resistance braking device for high-speed trainsXIE Hongtai1,2,WANG Hong1,CHAI Wei1(1.School of Mechanical Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2.Railway Planning and Design Institute,China Design Gro
5、up Co.,Ltd.,Nanjing 210014,China)Abstract:Wind resistance braking is an effective braking measure for high-speed trains running at speeds exceeding 350 km/h during high-speed stage of auxiliary braking or emergency braking.Developing a wind resistance braking device with superior comprehensive aerod
6、ynamic performance and wide applicability is one of the key technical issues that urgently need to be solved in the development of the next generation high-speed trains with running speeds of 400+km/h.On the basis of summarizing and analyzing the feasibility and practicality of existing technologies
7、,the design concept and method of a new wind resistance braking device was proposed,with a focus on meeting the requirements of multi-level collaborative braking,optimizing aerodynamic performance,reducing doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.030收稿日期:20221213 修订日期:20230207本刊网址在线期刊:http:/ 红(1968),男,青
8、海乐都人,教授,博士生导师,硕士,从事轨道交通车辆零部件可靠性及预防性维护策略研究,E-mail:第 2 期谢红太,等:新型高速列车风阻制动装置设计与仿真分析aerodynamic noise and weakening structural vibration.Therefore,a window-shaped wind resistance braking device and its improved design scheme were completed.The results showed that the multi-mode selective braking was achi
9、eved by rotationally opening the two-row wind resistance braking plates set forward and backward along the front and rear edges of the installation base,which effectively overcame the problems of severe aerodynamic noise,flutter and low braking efficiency of the rear wind resistance braking plate ca
10、used by traditional wind resistance braking plates opening from front to back;at the same time,the secondary aerodynamic performance of the wind-resistance braking device was optimized by using two braking compensation methods,self-feeding compensation and plate diversion,which further improved the
11、peripheral flow field structure of the device during braking,and avoided the formation of additional aerodynamic resistance in non-braking state to the greatest extent.Aiming at the transmission control of wind resistance braking device,the circuit simulation control and hydraulic drive control sche
12、mes were innovatively designed.Taking the CR400AF platform electrical multiple unit with a running speed of 400 km/h and equipped with a single improved window-shaped wind resistance braking device as the calculation model,the simulation results showed that the device contributed 4.70 kN of aerodyna
13、mic resistance and generated 1.13 kN of aerodynamic lift during emergency braking,exhibiting good resistance increasing characteristics in high-speed stage.The window-shaped wind resistance braking device and its improved design scheme have strong advantages in braking efficiency,braking plate utili
14、zation,aerodynamic performance and aerodynamic noise.The design and application of future high-speed train wind resistance braking devices require further experimental research from the aspects of line conditions,operating wind environment,instantaneous start-stop performance,electronic control syst
15、em,structural vibration and strength design.Key words:high-speed train;aerodynamics;wind resistance braking;braking device;aerodynamic performance风阻制动是一种全新的高速列车非黏着制动方式1,利用在车身表面设置风阻制动板以增加空气阻力的方式来产生制动力2。随着高速列车技术的快速发展,国内在实现350 km/h商业运营的基础上,已开展更高时速高速列车技术攻关3-4,现阶段已具备开发应用风阻制动装置的速度条件。风阻制动装置适用于弥补列车在高速阶段制动时黏
16、着制动力的不足,特别是在紧急制动情况下5。目前,国内外已研发了多种风阻制动装置6-8,主要包括猫耳形风阻制动装置、小型分散式风阻制动装置及液压式风阻制动装置等。总体来看,猫耳形风阻制动装置可提供较大的制动力,但其结构较复杂且质量大,收纳时会占用车厢大量空间,其在小型化、轻量化等方面还需进一步优化。小型分散式风阻制动装置采用2块风阻制动板互相抵消力矩的方式进行制动,该装置启动迅速且占用空间小,但2块风阻制动板在制动位时存在一定的角度差,会产生较为突出的旋涡气流以及颤振,其在运行安全性及稳定性方面还需进行大量实践验证。液压式风阻制动装置结构笨重,对车体结构改造较大,结构设计受限较为严重,且制动方向
17、单一,其在紧急制动快速响应与高效制动方面需进一步研究。1 现有风阻制动装置结构分析 文献9公开了一种高速列车风阻制动装置。经初步研究分析,该风阻制动装置主要存在以下待解决的技术问题和不足。1)该装置采用2块风阻制动板互相抵消力矩的方式进行制动,能够实现迅速启动,且占用空间较小。但2块风阻制动板在制动位时存在一定的角度差,易产生旋涡气流,诱发气动噪声和振动。2)该装置的锁定及锁紧机构将制动力矩直接加载在中间传动机构上,会对风阻制动板的有效精准定位产生一定影响,进而影响制动力的持续稳定输出,同时会较大地缩短中间齿轮等传动结构的疲劳寿命。3)在有效安装空间中,该装置的整体结构尺寸及表面结构复杂度较小
18、,导致阻力系数和有效空气制动力较小,其在高速阶段制动力及制动效率的开发方面还存在较大优化空间。文献10公开了一种轨道列车双向风阻制动装置。经初步研究分析,该风阻制动装置主要存在以 245工程设计学报第 30 卷 下待解决的技术问题和不足。1)该装置在停止制动时,气缸释放压力,风阻制动板仅依靠重力作用回到水平位置并与车身上方贴合,实现整个装置的自动关闭,看似解决了传统风阻制动装置繁琐的关闭流程,但在现有高速列车的实际运行以及下一代运行时速450 km高速列车的研制中,风阻制动更多的是考虑作为一种高速阶段的制动选择方式。风阻制动装置的常态化工作状态是高速阶段的制动降速,以及在低速阶段关闭或持续运行
19、,而紧急制动仅作为突发情况下的一种辅助制动方式,并不完全制动至列车停车而关闭。因此,对于运行时速大于350 km的高速列车而言,该装置的可实现性有待进一步研究。2)该装置的左右风阻制动板外侧还设置了第一滑轨和第二滑轨,以及对应的滑块、限位块和连杆等构件。这些构件均处于外露状态,导致高速列车在制动运行中产生的气流扰动较大,气动噪声较为严重;同时,该装置在非制动状态下对高速列车车体流线型外观的影响较大,可能会造成列车阻力系数增大,能耗升高。文献11和12分别公开了一种在司机室外布设风阻制动装置的高速列车。经初步研究分析,所公开的适用于特定高速列车的风阻制动装置主要存在以下待解决的技术问题和不足。1
20、)该装置安装布置在高速列车司机室外,当开启制动时,会对司机的视野范围造成较大影响,存在一定的安全隐患;同时,两侧侵入现阶段铁路限界的可能性较大,后续有待进一步研究。2)该装置需在高速列车司机室外成套成排设置,驱动、传动及控制结构复杂,且占用空间大,对列车设备设施小型化、轻量化的运输需求造成了较大挑战;同时,当该装置停止制动时,风阻制动板表面与高速列车司机室流线型曲面很难完全贴合,而司机室流线型曲面对空气动力学外观设计技术的要求极高,在很大程度上决定了高速列车的整体性能,故需进一步开展对高速列车司机室外布置风阻制动装置的可行性研究。文献13公开了一种蝶形风阻制动装置,是目前主流风阻制动装置的参考
21、样机,其整体结构如图1所示。该装置利用在基座中部背对设置的2块风阻制动板进行双向选择制动。经初步研究分析,蝶形风阻制动装置主要存在以下待解决的技术问题和不足。1)该装置利用连杆和铰接结构等中间传动机构将风阻制动板的动作与轨道上滑块的运动结合起来,在制动过程中通过风阻力快速开启单块风阻制动板,开启时风阻制动板的迎风角从0逐渐增大至一定角度。但在列车高速运行中,往往由于风阻制动板开启瞬间迎风角太小,使得瞬间气流扰动较大,易诱发振动,引起局部爆鸣、剧烈气动噪声等。2)该装置在制动工作时,仅运行方向前部的单块风阻制动板正向开启,同时在单一限位电控锁的约束下,存在制动力有限且单一、制动力不足及风阻制动板
22、利用率低等问题。3)该装置在制动工作时,运行方向前部正向开启的风阻制动板的内侧面为制动迎风面,导致整个装置前部分的内部结构直接处于迎风状态,致使局部气流不畅,正压区有所削弱,进而影响制动力的持续稳定输出,同时易诱发振动及剧烈气动噪声等。2 新型风阻制动装置设计 2.1整体结构设计高速列车风阻制动普遍采用在车顶布置风阻制动板的方式,在列车紧急制动或高速辅助制动阶段实现停车或减速。风阻制动力主要包括压差阻力、黏性阻力(摩擦阻力)及其他干扰阻力。其中,压差阻力是风阻制动装置气动阻力的主要组成部分:列车运行时风阻制动板前后因空气的压缩和分离而形成正、负压区,由于压力差的存在,产生了作用于风阻制动板的方
23、向向后的制动力,如图2所示。有效气动阻力的形成是风阻制动装置设计的关键,其主要与风阻制动板的尺寸、形状、表面复杂程度以及安装位置等密切相关。20世纪80年代,日本在宫崎试验线MLU002N磁悬浮列车上安装单个平板形风阻制动装置并开展了实车试验14,但此后风阻制动装置的实车应用并未取得实质性的进展。目前,国内的风阻制动装置以中车青岛四方车辆研究所有限公司于2018年研发的蝶形风阻制动装置为代表,该装置在适用性及可图1蝶形风阻制动装置整体结构Fig.1Overall structure of butterfly shaped wind resistance braking device 246第
24、2 期谢红太,等:新型高速列车风阻制动装置设计与仿真分析行性方面整体表现较优,其机构设计如图 3所示(常态化工作状态下)。在结构组成方面,蝶形风阻制动装置主要包括前后2块风阻制动板(分别沿列车运行方向向后旋转开启)、控制单元、驱动机构、中间传动机构和限位锁紧机构等,其中驱动机构通常为低速电机、液压驱动装置或气压驱动装置等。该装置利用中间传动机构实现风阻制动板的开启/收回,通过限位锁紧机构实现风阻制动板在固定张开位的制动。为满足高速列车双向运行时的风阻制动需求,同时有效提高风阻制动板的利用率和制动效率,笔者研究团队提出了窗形风阻制动装置设计方案,其机构设计如图4所示。在窗形风阻制动装置概念设计的
25、基础上,分别根据表1所示的所需克服的技术问题及对应的解决方案,依托已有研究成果,即文献15公开的新型高速列车风阻制动装置、文献16公开的可多级调控的风阻制动装置、文献17公开的高速列车风阻制动装置安装位置优化及选择的确定方法和文献18公开的蝶形风阻制动装置安装布置方案,对窗形风阻制动装置的结构进行详细设计,如图 5所示。如图5所示,窗形风阻制动装置主要由基座、风阻制动板、驱动机构、补偿机构组件、限位及锁紧机构组件、复位缓冲组件、控制单元及侧板等组成。整个装置内嵌于列车顶面下陷凹槽中;风阻制动板为前后2排对称布置,分别沿基座前后边缘处固定横梁转动安装。该装置整体为 1 422 mm1 270 m
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