400 km/h高速列車風(fēng)阻制動(dòng)裝置應(yīng)用研究*

湯勁松， 尹崇宏， 馬 飛， 楊 磊， 司志強(qiáng)， 畢海權(quán)

(1 中車青島四方車輛研究所有限公司, 山東青島 266031;2 中車唐山機(jī)車車輛有限公司, 河北唐山 064000;3 西南交通大學(xué), 成都 610031)

目前高速列車的制動(dòng)系統(tǒng)主要由牽引電機(jī)再生制動(dòng)和利用機(jī)械摩擦作用的盤形制動(dòng)構(gòu)成。這些制動(dòng)方式的基本思路都是將列車的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能或熱能，并將其吸收或逸散出去[1-2]。

當(dāng)緊急制動(dòng)發(fā)生時(shí)，列車應(yīng)發(fā)揮全部的再生制動(dòng)力，不足部分由空氣制動(dòng)補(bǔ)充。在列車經(jīng)過無電區(qū)間或電制動(dòng)發(fā)生故障時(shí)，空氣制動(dòng)是最后的安全保障。因此，在純空氣制動(dòng)工況下仍必須保證高速列車符合緊急制動(dòng)距離的要求停車。

隨著列車運(yùn)行速度提高，不依賴輪軌間黏著的非黏著制動(dòng)方式越來越受到人們的重視。非黏著制動(dòng)是指不依賴于車輛與鋼軌接觸而產(chǎn)生的黏著力而完成制動(dòng)的方式，包括磁軌制動(dòng)、渦流制動(dòng)和風(fēng)阻制動(dòng)等。相對(duì)磁軌制動(dòng)和渦流制動(dòng)，風(fēng)阻制動(dòng)裝置質(zhì)量較輕，結(jié)構(gòu)簡單，在高速段制動(dòng)效果尤其明顯。因此，作為高速列車黏著制動(dòng)的補(bǔ)充，風(fēng)阻制動(dòng)是一種非常合理的制動(dòng)方式。

國外目前對(duì)于風(fēng)阻制動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用研究主要在日本的有關(guān)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行。吉春等[3]最早開發(fā)了應(yīng)用于宮崎試驗(yàn)線500 km/h速度MLU002N型磁浮列車的風(fēng)阻制動(dòng)裝置，該風(fēng)阻制動(dòng)裝置的打開利用了彈簧裝置，單向開啟且只能手動(dòng)關(guān)閉，其從接到開啟指令電信號(hào)到制動(dòng)板開至垂直位置的總時(shí)間為1.5 s。Masafumi等[4]通過空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算和機(jī)構(gòu)優(yōu)化，在山梨試驗(yàn)線上設(shè)計(jì)了一型新的風(fēng)阻制動(dòng)裝置，其采用液壓開啟兩型不同的制動(dòng)板，動(dòng)作時(shí)間約為2 s，試驗(yàn)結(jié)果表明，在500 km/h 工況下，當(dāng)6套風(fēng)阻制動(dòng)裝置全開時(shí)可提供約0.2 m/s2的制動(dòng)減速度。2005年JR東日本公司與川崎重工公司共同開發(fā)了安裝在 E954/E955系列試驗(yàn)電動(dòng)車上的“貓耳朵”型空氣動(dòng)力制動(dòng)裝置，并驗(yàn)證了在原有的線路上運(yùn)行時(shí)地面設(shè)備與列車走行穩(wěn)定性均無問題。該型風(fēng)阻制動(dòng)裝置在以360 km/h的初速開始進(jìn)行高減速度緊急制動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，達(dá)到了縮短停車距離300 m 的效果[5]。除了研究風(fēng)阻制動(dòng)對(duì)車輛穩(wěn)定性和地面設(shè)備的影響外，該型風(fēng)阻制動(dòng)裝置還在風(fēng)洞進(jìn)行了模擬飛鳥撞擊和翼板強(qiáng)度等試驗(yàn)。近年來，日本鐵道總研(RTRI)高見創(chuàng)[6]又針對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)阻制動(dòng)方式開啟慢、占用空間大、質(zhì)量重等缺點(diǎn)，開發(fā)了基于E954型試驗(yàn)車的小型分散式風(fēng)阻制動(dòng)裝置。該裝置能做到雙向開啟，經(jīng)樣機(jī)實(shí)測(cè)開啟時(shí)間小于0.1 s，根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果的估算表明，在300 km/h運(yùn)行速度條件下，根據(jù)風(fēng)阻制動(dòng)裝置在車頂不同的布置情況，明線上能夠提供0.178～0.286 m/s2的制動(dòng)減速度。此外，日本研制的實(shí)驗(yàn)性超導(dǎo)磁懸浮列車(包括MLU001、MLU002N、MLX01型列車)亦設(shè)有風(fēng)阻制動(dòng)裝置，作為列車行駛時(shí)發(fā)生電源故障的非接觸式緊急制動(dòng)。

國內(nèi)對(duì)于風(fēng)阻制動(dòng)的技術(shù)應(yīng)用研究由同濟(jì)大學(xué)聯(lián)合中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司、上海龐豐交通設(shè)備科技有限公司共同展開，研制了采用液壓驅(qū)動(dòng)的多檔位高速列車風(fēng)阻制動(dòng)裝置。吳萌嶺，田春等[7-12]進(jìn)一步對(duì)風(fēng)阻制動(dòng)的基本原理、翼型、車頂布置等進(jìn)行大量的仿真計(jì)算分析。2012年6月該型風(fēng)阻制動(dòng)裝置在我國更高速度試驗(yàn)列車上裝車，并于2014年在滬昆線南昌段完成了速度350 km/h等多種工況的線路運(yùn)行試驗(yàn)。

圖1 新干線風(fēng)阻制動(dòng)安裝實(shí)例[6]

介紹了一種新型高速列車“蝶形”風(fēng)阻制動(dòng)裝置，適用于設(shè)計(jì)中的400 km/h高速列車緊急制動(dòng)工況。該風(fēng)阻制動(dòng)裝置利用連桿和鉸接結(jié)構(gòu)將風(fēng)板的動(dòng)作與軌道上滑塊的運(yùn)動(dòng)結(jié)合起來，通過風(fēng)阻力將風(fēng)板快速完全打開，并能依靠自身電機(jī)將風(fēng)阻板回收關(guān)閉。“蝶式”風(fēng)阻制動(dòng)裝置充分利用風(fēng)阻，除輔助電機(jī)外，整個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置多為機(jī)械結(jié)構(gòu)，安全可靠且方便更換維修。

下文將首先闡釋風(fēng)阻制動(dòng)技術(shù)的基本原理，然后從基本機(jī)構(gòu)、強(qiáng)度模態(tài)和制動(dòng)力評(píng)估等3個(gè)方面對(duì)“蝶式”風(fēng)阻制動(dòng)裝置進(jìn)行分析介紹。

1 基本原理

風(fēng)阻制動(dòng)裝置有很多種形式，但其基本原理均是利用列車高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的空氣阻力提供制動(dòng)力。

當(dāng)物體與周圍的空氣產(chǎn)生相對(duì)速度時(shí)，滿足空氣阻力公式：

(1)

式中：C為空氣阻力系數(shù)，其數(shù)值大小和物體的迎風(fēng)面積、表面粗糙度和形狀相關(guān)，通常由試驗(yàn)測(cè)得；ρ為空氣密度；S為迎風(fēng)面積；v為物體與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。

根據(jù)式(1)進(jìn)行拓展，可以得到列車風(fēng)阻制動(dòng)能實(shí)現(xiàn)的減速度β，m/s2：

(2)

其中，C0為單塊風(fēng)阻制動(dòng)板設(shè)置在車頂時(shí)的阻力系數(shù)；n為列車車頂布置的阻力板總數(shù)；Cd1(i)為迎風(fēng)向從前往后第i塊阻力板的直接干涉系數(shù)；Cd2為隧道系數(shù)；M為列車質(zhì)量。

由式(2)可知，列車運(yùn)行速度越高，其產(chǎn)生的制動(dòng)減速度越大，且與速度成二次方指數(shù)增長。

根據(jù)日本鐵道總研相關(guān)技術(shù)人員的評(píng)估，在速度400 km/h時(shí)，風(fēng)阻制動(dòng)提供的減速度和盤形制動(dòng)提供的制動(dòng)減速度已經(jīng)非常接近。

圖2 高速列車緊急制動(dòng)減速度[6]

在評(píng)估影響風(fēng)阻制動(dòng)效果的因素時(shí)，除了式(2)中的各個(gè)參數(shù)外，還必須考慮列車邊界層厚度和風(fēng)阻制動(dòng)板后方卡門渦街等因素對(duì)制動(dòng)力的影響。

邊界層厚度δ是指從邊界層壁面開始，到沿著壁面切向的流動(dòng)速度達(dá)到自由來流速度的99%的位置的垂直于壁面的高度，即由式(3)定義：

u(δ)=0.99u0

(3)

其中，u0為流體在不受黏滯力影響的自由速度。假設(shè)列車運(yùn)行過程中外流場(chǎng)不可壓縮，則依據(jù)邊界層理論積分可得列車邊界層厚度δ如式(4)：

(4)

當(dāng)列車高速運(yùn)行時(shí)，從車頭開始會(huì)產(chǎn)生沿車長方向逐漸增厚的邊界層。通常情況下，最大邊界層厚度出現(xiàn)在中間車附近，保持在1 m左右的量級(jí)[6]。在風(fēng)阻制動(dòng)裝置的實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于裝置的高度主要受到列車限界的影響，制動(dòng)板起作用的區(qū)域主要在列車邊界層厚度內(nèi)，因此其產(chǎn)生的阻力較自由氣流中放置時(shí)要有所減小。

此外，風(fēng)阻板的設(shè)計(jì)還需要考慮卡門渦街產(chǎn)生的交替瀉渦影響。在風(fēng)阻制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)中，風(fēng)阻板迎風(fēng)面的長寬比l/h應(yīng)至少大于1。

在風(fēng)阻制動(dòng)裝置整車布局的設(shè)計(jì)中，雖然增加風(fēng)阻板面積和數(shù)量可提高風(fēng)阻制動(dòng)的制動(dòng)力，但同時(shí)也會(huì)受到車輛限界和車內(nèi)空間的制約，且由于風(fēng)阻板之間互相存在干擾，增加數(shù)量帶來的邊際效用會(huì)發(fā)生遞減，這也是風(fēng)阻制動(dòng)在設(shè)計(jì)上需要考慮到的問題。

針對(duì)以上問題，在風(fēng)阻制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)過程中，文中基于商業(yè)軟件STAR-CCM+平臺(tái)，采用其中k-ε兩方程RANS模型，對(duì)風(fēng)阻制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)過程中的尺寸、開啟角度、安裝位置、干擾效應(yīng)等進(jìn)行了計(jì)算流體力學(xué)仿真分析?？紤]到實(shí)尺度計(jì)算中邊界層較薄的情況，采用了相對(duì)較小的第一層網(wǎng)格厚度來捕捉黏性力。速度壓力耦合采用PISO算法[13]求解。

2 “蝶形”風(fēng)阻制動(dòng)裝置

2.1 基本結(jié)構(gòu)

“蝶形”風(fēng)阻制動(dòng)裝置的基本尺寸由列車限界、列車橫截面布置、車內(nèi)空調(diào)風(fēng)道等因素確定。風(fēng)阻制動(dòng)裝置的安裝基座凹入車體，最大厚度為100 mm。風(fēng)阻板關(guān)閉時(shí)兩端邊緣處有輕微弧度，保持與車體上表面平齊，從而保證正常行駛時(shí)車頂按照的風(fēng)阻制動(dòng)裝置不帶來額外的阻力增加。風(fēng)阻制動(dòng)板尺寸為(1 272×378) mm，按照75°角打開時(shí)制動(dòng)板迎風(fēng)面高度為365 mm?！暗巍憋L(fēng)阻制動(dòng)裝置有兩塊對(duì)稱布置的風(fēng)阻板和相應(yīng)內(nèi)部機(jī)構(gòu)，安裝在同一塊固定基座上。

“蝶形”風(fēng)阻制動(dòng)裝置基本尺寸如圖3所示。

圖3 “蝶形”風(fēng)阻制動(dòng)裝置基本尺寸

圖4 “蝶形”風(fēng)阻制動(dòng)裝置機(jī)構(gòu)示意

“蝶形”風(fēng)阻制動(dòng)裝置的基本機(jī)構(gòu)如圖4所示，其主要部件包含弧形制動(dòng)板、底部框架、風(fēng)板轉(zhuǎn)軸、拉桿、電機(jī)、制動(dòng)器、減速器、安全離合器、液壓緩沖器、直線導(dǎo)軌、滑塊、電插鎖、限位開關(guān)等。

整個(gè)機(jī)構(gòu)制動(dòng)板起始位置為制動(dòng)板與機(jī)身貼合位置如圖5(a)，極限位置為張開75°的位置如圖5(b)，根據(jù)三維建模的尺寸測(cè)繪與定位可知：導(dǎo)軌上滑塊的行程為122 mm。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖如圖5所示。

圖5 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖

2.2 強(qiáng)度模態(tài)分析

根據(jù)高速列車風(fēng)阻制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要采用二階四面體單元進(jìn)行模擬，單元大小約為5 mm。銷軸采用梁單元模擬，螺栓連接處采用耦合約束進(jìn)行簡化，電機(jī)質(zhì)量采用質(zhì)量單元模擬。整個(gè)有限元模型共有單元668 531個(gè)，節(jié)點(diǎn)173 168個(gè)，有限元模型見圖6(a)。

經(jīng)計(jì)算分析，各工況下結(jié)構(gòu)的利用系數(shù)均小于1，利用系數(shù)最大點(diǎn)出現(xiàn)在滑塊中心軸根部區(qū)域，各工況利用系數(shù)較大的點(diǎn)主要出現(xiàn)在拉桿端部過渡區(qū)域、支撐轉(zhuǎn)軸座安裝螺栓孔與電機(jī)支座安裝孔區(qū)域。

2.3 制動(dòng)力計(jì)算

為全面評(píng)估“蝶形”風(fēng)阻制動(dòng)裝置的制動(dòng)力，對(duì)1∶1 尺度的單套風(fēng)阻制動(dòng)裝置和多套布置風(fēng)阻制動(dòng)裝置等工況進(jìn)行了計(jì)算流體力學(xué)仿真分析。

單套風(fēng)阻制動(dòng)裝置的制動(dòng)力評(píng)估目的是在考慮到基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提下，評(píng)估風(fēng)阻板在制動(dòng)時(shí)合理的開啟角度。在網(wǎng)格劃分時(shí)，根據(jù)制動(dòng)板周圍流場(chǎng)特點(diǎn)，對(duì)制動(dòng)板附近區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，以確保網(wǎng)格尺寸大小足夠反應(yīng)流場(chǎng)的變化。網(wǎng)格采用六面體網(wǎng)格，同時(shí)壁面設(shè)置邊界層網(wǎng)格，總網(wǎng)格量約為530萬。計(jì)算域入口設(shè)置為速度入口邊界條件，速度為350/380/400 km/h 3種工況，出口為壓力出口邊界條件，列車外表面設(shè)置為壁面，采用k-ε湍流模型。

圖6 “蝶形”風(fēng)阻制動(dòng)裝置強(qiáng)度模態(tài)分析

“蝶形”風(fēng)阻制動(dòng)裝置提供的氣動(dòng)力如表1所示。從表中可見，隨著車速的增加，制動(dòng)板提供的阻力和升力均增加；相同速度下開啟60°制動(dòng)板提供的氣動(dòng)阻力略大于開啟75°，但制動(dòng)板開啟75°的氣動(dòng)升力比開啟60°減少了54%左右。

表1 “蝶形”風(fēng)阻制動(dòng)裝置制動(dòng)板提供的氣動(dòng)力

圖7顯示了列車中間截面(y=0)的速度矢量、速度和壓力云圖。從速度矢量圖可見，撞擊制動(dòng)板前面的氣流在板的前和壁面間形成渦流并由側(cè)面順向流過，同時(shí)，氣流在制動(dòng)板的上方躍起并加速，從制動(dòng)板的端部順流形成分離剪切層。從速度云圖可見，順流制動(dòng)板上部附近區(qū)域內(nèi)流體達(dá)到最大速度，從制動(dòng)板四周端部的分離剪切層在制動(dòng)板的后方形成渦流，隨后順向渦流崩潰、擴(kuò)散并隨之在車頂壁面再附著，從而影響制動(dòng)板后方很長距離內(nèi)的流場(chǎng)。因此，列車上布置多個(gè)風(fēng)阻制動(dòng)裝置時(shí)需要考慮制動(dòng)板之間的串聯(lián)干涉。從壓力云圖可見，板上部區(qū)域的靜壓最大，制動(dòng)板周圍的壓力場(chǎng)呈現(xiàn)由制動(dòng)板向外輻射的特性，板前基本是正壓區(qū)，而板后近場(chǎng)區(qū)域?yàn)樨?fù)壓區(qū)。

圖7 列車y=0截面

多套風(fēng)阻制動(dòng)裝置的制動(dòng)力評(píng)估目的主要在評(píng)估風(fēng)阻板之間的干涉作用。流場(chǎng)內(nèi)制動(dòng)板附近粒子撞擊的流線圖和多套風(fēng)阻制動(dòng)裝置車頂布置時(shí)的速度云圖如圖8所示。從圖可見，由于制動(dòng)板對(duì)空氣的阻擋作用，有的粒子撞擊制動(dòng)板以后從板的側(cè)端經(jīng)過繞流到板的后方，有的粒子撞擊制動(dòng)板以后則從板的上端經(jīng)過繞流到板的后方。無論粒子擾流路徑，氣流都在制動(dòng)板后存在加速、減速、再加速的過程。從速度云圖可見，順流制動(dòng)板上部附近區(qū)域內(nèi)流體達(dá)到最大速度，從制動(dòng)板四周端部的分離剪切層在制動(dòng)板的后方形成渦流，順向渦流的崩潰、擴(kuò)散并隨之在車頂壁面再附著，制動(dòng)板形成的渦流將影響制動(dòng)板后方很長距離內(nèi)的流場(chǎng)。因此，速度云圖表明列車上布置多個(gè)風(fēng)阻制動(dòng)裝置制動(dòng)板之間存在串聯(lián)干涉。

圖8 風(fēng)阻制動(dòng)裝置干涉計(jì)算

3 結(jié)束語

介紹了一種基于某型速度400 km/h高速列車開發(fā)的 “蝶形”風(fēng)阻制動(dòng)裝置， 綜合以上各部分分析的內(nèi)容，我們得到結(jié)論如下：

(1)相對(duì)傳統(tǒng)的風(fēng)阻制動(dòng)裝置，“蝶形”風(fēng)阻制動(dòng)裝置可以實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化的設(shè)計(jì)目的，能夠較少的占用車體空間，且不會(huì)增加列車正常運(yùn)行時(shí)的阻力。

(2)該型風(fēng)阻制動(dòng)裝置響應(yīng)時(shí)間快，從接到制動(dòng)指令到風(fēng)阻板達(dá)到90%制動(dòng)位角度的時(shí)間在1 s以內(nèi)，其響應(yīng)時(shí)間小于空氣制動(dòng)，可明顯減少列車空走距離。

(3)在速度350 km/h以上的工況，列車運(yùn)行方向第一塊風(fēng)阻板可產(chǎn)生2 kN以上的風(fēng)阻制動(dòng)力；在速度400 km/h時(shí)，列車運(yùn)行方向第一塊風(fēng)阻板可產(chǎn)生接近3 kN的風(fēng)阻制動(dòng)力。通過在車頂合理布置安裝多套風(fēng)阻制動(dòng)裝置，可以對(duì)列車緊急制動(dòng)力給予可觀的補(bǔ)充。

(4)當(dāng)車頂布置多套風(fēng)阻制動(dòng)裝置時(shí)，各制動(dòng)板之間存在干涉現(xiàn)象，制動(dòng)板之間距離越近，干涉現(xiàn)象越明顯，干涉作用越強(qiáng)。對(duì)于風(fēng)阻制動(dòng)裝置在高速列車運(yùn)行流場(chǎng)中的布置方案和干涉問題，將在今后的工作中進(jìn)一步深入研究。

綜上所述，文中提出的“蝶形”風(fēng)阻制動(dòng)裝置充分利用了高速列車行駛時(shí)的空氣制動(dòng)力，質(zhì)量較輕，結(jié)構(gòu)較簡單，通過在車頂合理布置，可將風(fēng)阻制動(dòng)力分散于整車，為列車緊急制動(dòng)時(shí)提供可觀的制動(dòng)力補(bǔ)充，從而達(dá)到減小緊急制動(dòng)距離的目的。