如何减少空气阻力.doc

如何减少高速列车的空气阻力
刘勇成
（湖南高速铁路职业技术学院，车辆0901）
摘要：随着列车运行速度的提高，空气阻力及功耗急剧增加。当车速达200Km/h~300Km/h时，空气阻力将占列车运行总阻力的70%~80%，因而减少空气阻力已成为列车提速的关键。
关键词：列车；空气阻力；提速
一、高速列车的基本介绍

高速列车
高速列车一般指时速在200公里以上的火车。20世纪50年代初，法兰西共和国首先提出了高速列车的设想，并最早开始试验工作。1976年，用柴油电动机车牵引的高速列车在英国投入服务，这是当时英国最快的载客列车，最高时速达200公里。
法兰西共和国则以电力机车为研究对象，其高速电力引列车在1978年曾创下时速260公里的纪录。1981年10月，新的高速列车“T.G.V”在巴黎─里昂干线正式投入使用。采用流线形造型的“T.G.V”和和常规列车相比，空气阻力减小了三分之一。它装有大功率动力装置，具有较强的爬坡能力，可以高速爬上35%的陡坡，也可在坡路上起动，使用的仍是普通铁轨线路，曾创下时速380公里的纪录。
目前的高速列车是在现有的柴油机车、电力机车和铁路的基础上，对动力系统、行走系统、车厢外形和路轨系统等加以改进，并没有改变传统火车和铁路和基本面貌。除了在牵引机车方面的改进以外，虽然人们还在轨道方面进行了一些新的尝试，如西德、日本、美国等国家修建了一些短程单轨铁路，但由于建造费用庞大，比普通铁路复杂，不能适应长途重载铁路运输的需要，所以没有普遍采用。由于传统牵引机车和路轨系统等方面的问题，如轮、轨的摩擦难以克服，所以进一步提高车速困难很大。若想使铁路运输有一个大的飞跃，而需在牵引机车和路轨系统等方面采用全新的设计，如目前某些国家正在研制之中的磁悬浮列车。
法国阿尔斯通公司制造的V150型高速电气机车(TGV)在巴黎东南部的一段经特殊加固的铁路线上，达到了时速574.8公里，创下新的有轨铁路行驶速度世界纪录。在测试中，列车经过14分钟的不断加速，达到了574.8公里的时速，打破了17年前同样由TGV机车创造的515.3公里/小时的纪录。随后，法国国营铁路公司、法国铁路网、法国阿尔斯通运输公司，联合召开了一次新闻发布会，宣布创造了这一最高时速的消息。
二、列车的三种空气阻力
1．压差阻力：列车头部与尾部压力差所引起的阻力,压差阻力与列车头部及尾部的形状有很大关系。
2．摩擦阻力：由于空气粘性使作用于车体表面的气体剪切力产生的阻力，这部分阻力与列车长度有关。
3．干扰阻力：由于气流受到列车表面的突起或凹陷的干扰而产生的阻力，这些阻力来源于车灯、扶手、转向架之间间隙、车辆底部及顶部设备对气流的干扰。
三、现阶段常见的减少列车空气阻力的方法
1．采用特殊外形车头
在以前的研究中 日本通过以风洞模型模拟试验为主的方法就不同的列车头形对列车综合气动性能（包括无横风时的空气阻力、 列车风、 会车压力波等特性） 的影响进行了系列化研究。 通过综合分析与讨论得到此情况下高速列车最佳头部外形的特点是：在头形相同的情况下，流线型的头形长细比γ（头型变化部分的长度与车辆宽度之比）越大，综合气动性能越优。而且γ应随列车速度目标值的提高而加大。在γ相同的情况下，列车头形以采用气流主要从上方逃逸的流线形的二维形状为最佳， 它比采用气流从四周逃逸的三维形状头形的气动性能要好。
此阶段高速列车车头形状只要为鸭嘴型和子弹头形。
2．采用外形平滑的受电弓
具有良好跟随性的受电弓是高速动车组受流必不可少的，高速受电弓一般均采用二系悬挂，除用空气压力升降外，弓头采用二系弹簧支撑，并设有阻尼减振器。由于空气动力产生的抬升力和阻力对弓网接触压力影响较大，所以要求高速受电弓的外形要平滑，这样才能减少空气阻力和抬升力，并有助于降低噪音。
3．采用大风挡和全封闭风挡
空气经流小风档位置时，有较强的流动分离现象产生，因此，采用小风档列车空气阻力较大，采用大风挡和全封闭可明显减少空气阻力，其中大风挡比小风档空气阻力减少约18.9%，全封闭风挡比小风档列车空气阻力减少约30.9%。
4．减少车体突起或者凹陷部分
车体的突起活凹陷部分在列车运行时会产生干扰阻力，针对这样的情况可以将车窗外面设计和车体在同一水平面上，减少突起或者凹陷。另外将转向架设置用车体包裹，是空气干扰阻力减少。
四、真空管道减少空气阻力
这是目前真在研究的课题，将列车的运行轨道设置在密闭的管道空间内，将管道中的空气抽出，使之接近真空状态,由于管内空气稀薄，空气阻力对列车的影响就会相应的减少，但此方法的造价会过于昂贵。
参考文献
[1]百度百科高速列车介绍
[2]张建。高速列车最佳头部外形的进一步研究