列車風(fēng)阻制動(dòng)裝置創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滕世平 袁泉 王海棠

摘 要：風(fēng)阻制動(dòng)為列車傳統(tǒng)的制動(dòng)方式提供了一種輔助制動(dòng)形式，在充分考慮限界情況下，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出一套風(fēng)阻制動(dòng)裝置，對(duì)稱安裝于列車車體兩側(cè)，不影響列車的正常運(yùn)行，沒(méi)有高壓觸電風(fēng)險(xiǎn)隱患，對(duì)鋼軌、道床、橋梁等沒(méi)有附加載荷，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且操縱方便。這種創(chuàng)新裝置可為中高速列車或需要緊急制動(dòng)的列車提供有效的輔助制動(dòng)力，尤其當(dāng)列車的運(yùn)行速度較高時(shí)，更能體現(xiàn)其輔助制動(dòng)效果的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：列車;風(fēng)阻制動(dòng);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： U271.91;TP203 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

傳統(tǒng)的列車制動(dòng)形式是將基礎(chǔ)制動(dòng)裝置產(chǎn)生的制動(dòng)力傳遞到車輪輪周，在車輪踏面與鋼軌表面接觸區(qū)域，轉(zhuǎn)換為車輪與鋼軌之間的摩擦力，從而產(chǎn)生制動(dòng)力使列車減速、停車或阻止其運(yùn)動(dòng)。車輪與鋼軌之間的作用力與列車運(yùn)行方向平行反向相反，其最大值為黏著力值。而黏著力與輪軌之間垂直載荷的比值為黏著系數(shù)。隨著列車速度的提高，在列車動(dòng)能呈平方關(guān)系增加的同時(shí)，車輪和鋼軌之間的黏著系數(shù)反而下降，輪軌之間的制動(dòng)力受限于下降的黏著系數(shù)，導(dǎo)致列車高速運(yùn)動(dòng)時(shí)制動(dòng)力不足。傳統(tǒng)的摩擦制動(dòng)、動(dòng)力制動(dòng)等均屬于黏著制動(dòng)范疇，純粹的黏著制動(dòng)已經(jīng)不能滿足速度日益提高的動(dòng)車組列車和高速機(jī)車制動(dòng)需要。風(fēng)阻制動(dòng)裝置作為一種不依賴于輪軌間黏著系數(shù)的制動(dòng)方式，與磁軌制動(dòng)、鋼軌渦流制動(dòng)等均屬于非黏著制動(dòng)范疇，因此研究風(fēng)阻制動(dòng)對(duì)未來(lái)高速列車制動(dòng)具有重要意義。

1 風(fēng)阻制動(dòng)的工作原理

在我國(guó)高速鐵路大發(fā)展的背景下，由于動(dòng)車組列車的速度越來(lái)越高，其動(dòng)能也越來(lái)越大，隨之而來(lái)的是對(duì)列車制動(dòng)能力的要求也逐步提高。而傳統(tǒng)的制動(dòng)方法，即依靠車輪和鋼軌之間產(chǎn)生的黏著力進(jìn)行制動(dòng)的方式已經(jīng)無(wú)法滿足要求。因此相比于摩擦制動(dòng)和動(dòng)力制動(dòng)產(chǎn)生的黏著制動(dòng)，列車采用風(fēng)阻制動(dòng)裝置，可以節(jié)省黏著資源，減少輪軌磨耗，降低動(dòng)車組列車全生命周期維護(hù)成本。

列車運(yùn)行空氣阻力的計(jì)算公式如下：

其中：Fw為空氣阻力，N;

v為列車速度，m/s;

A為迎風(fēng)面積，m2;

Cw為風(fēng)阻系數(shù)。

由此公式可以看出，空氣阻力是關(guān)于列車速度和迎風(fēng)面積的函數(shù)，在列車速度一定的情況下，適當(dāng)增大迎風(fēng)面積，可以增加空氣阻力，從而對(duì)列車的黏著制動(dòng)起到有效的輔助制動(dòng)的作用。

2 風(fēng)阻制動(dòng)裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)的布局及使用

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)高速列車風(fēng)阻制動(dòng)裝置研究已有多年，大多數(shù)處于理論研究階段，其中日本新干線FASTECH360Z型動(dòng)車組列車及國(guó)內(nèi)少數(shù)高速動(dòng)車組有過(guò)試驗(yàn)安裝，取得了一定成果。國(guó)內(nèi)外一般的高速列車風(fēng)阻制動(dòng)裝置安裝于車體頂部，以伸縮式、折疊式為最為常見(jiàn)?，F(xiàn)代高速動(dòng)車組列車一般為采用接觸網(wǎng)供電的電力動(dòng)車組，接觸網(wǎng)一般架設(shè)于電氣化鐵路區(qū)段鋼軌上方，動(dòng)車組通過(guò)安裝于車頂?shù)氖茈姽瓕⒔佑|網(wǎng)供電線的高壓電能引入車內(nèi)。伸縮式、折疊式兩種風(fēng)阻制動(dòng)安裝方式在制動(dòng)時(shí)都需將制動(dòng)板向上升起，容易侵入接觸網(wǎng)限界，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生拉孤、閃絡(luò)等破壞性放電，威脅動(dòng)車組設(shè)備安全、乘客人身安全和運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)安全;折疊式安裝方式在制動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)車體產(chǎn)生附加的向下壓力，該附加壓力通過(guò)車體向鋼軌、道床、橋梁等產(chǎn)生附加載荷，對(duì)線路設(shè)備產(chǎn)生不利影響。為避免以上缺點(diǎn)，本文所述風(fēng)阻制動(dòng)裝置對(duì)稱安裝在列車兩側(cè)，折疊后藏于車體側(cè)墻內(nèi)部，裝置外表面與側(cè)墻表面平齊。考慮到動(dòng)車組列車可以雙向運(yùn)行的情況，將裝置成對(duì)安裝兩個(gè)方向，即向前和向后，如圖1所示。以此圖為例，當(dāng)列車行進(jìn)中需要制動(dòng)時(shí)，將隱藏于動(dòng)車組車體左右兩側(cè)側(cè)墻內(nèi)的兩對(duì)向前的風(fēng)阻制動(dòng)裝置制動(dòng)板打開(kāi)，按照車速350 km/h、風(fēng)阻系數(shù)為0.4、迎風(fēng)面積為2 m*0.5 m、風(fēng)阻裝置與車體成45°夾角，根據(jù)列車運(yùn)行空氣阻力計(jì)算公式，可計(jì)算出每個(gè)風(fēng)阻制動(dòng)裝置可提供的輔助制動(dòng)力為668 N。

當(dāng)動(dòng)車組列車正常運(yùn)行中或者低速狀態(tài)下施加制動(dòng)時(shí)，風(fēng)阻制動(dòng)裝置是隱藏于車體兩側(cè)側(cè)墻內(nèi)部，只有當(dāng)動(dòng)車組列車在高速時(shí)需要施加制動(dòng)并且需要提供輔助制動(dòng)（如緊急制動(dòng)）時(shí)，才有選擇地打開(kāi)部分或者全部數(shù)量的風(fēng)阻裝置的制動(dòng)板進(jìn)行輔助制動(dòng)，當(dāng)車速降低到風(fēng)阻制動(dòng)作用力不明顯時(shí)，可將制動(dòng)板收回后藏于車體側(cè)墻內(nèi)，恢復(fù)車體側(cè)墻平整外觀。

3 風(fēng)阻制動(dòng)裝置的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

風(fēng)阻制動(dòng)裝置的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)方案可設(shè)計(jì)為單桿支撐方案（如圖1）和雙桿支撐方案（如圖2），兩種方案主要由風(fēng)阻制動(dòng)板、制動(dòng)板座、氣缸、支桿座等組成，區(qū)別在于對(duì)風(fēng)阻制動(dòng)板的支撐方式不同，圖1為單氣缸單桿支撐，圖2為單氣缸雙桿支撐。通過(guò)操控氣缸充排氣產(chǎn)生活塞桿的伸縮動(dòng)作，將風(fēng)阻制動(dòng)板打開(kāi)或關(guān)閉，圖2、圖3均為裝置閉合非工作狀態(tài)。

圖2中的氣缸單桿支撐方案在工作時(shí)的狀態(tài)如圖4所示，此時(shí)風(fēng)阻制動(dòng)板打開(kāi)的角度為45°，一節(jié)車廂按照對(duì)稱安裝四個(gè)風(fēng)阻制動(dòng)板計(jì)算，可為車體提供4 m2的風(fēng)阻面積。

風(fēng)阻制動(dòng)板的尺寸要充分考慮車體尺寸及運(yùn)行環(huán)境，尤其是進(jìn)入隧道時(shí)的情況，參考機(jī)車車輛限界，可將長(zhǎng)寬尺寸設(shè)計(jì)為2 m*0.5 m。

考慮到風(fēng)阻影響，無(wú)論采用哪種方案，都要在支桿座內(nèi)沿著風(fēng)阻制動(dòng)板寬度方向設(shè)計(jì)為上、下兩個(gè)氣缸同時(shí)動(dòng)作，這樣可以減少高速運(yùn)行狀態(tài)下采用風(fēng)阻制動(dòng)時(shí)制動(dòng)板的晃動(dòng)，增加其工作時(shí)的平穩(wěn)性。

4 創(chuàng)新設(shè)計(jì)風(fēng)阻制動(dòng)裝置的性能特點(diǎn)

本文所述創(chuàng)新設(shè)計(jì)的風(fēng)阻制動(dòng)裝置與其它制動(dòng)方式相比具有顯著優(yōu)點(diǎn)。首先，該風(fēng)阻制動(dòng)裝置不存在黏著制動(dòng)方式中的摩擦副，減少了對(duì)鋼軌的摩擦損傷，延長(zhǎng)了鋼軌壽命，并且不會(huì)產(chǎn)生金屬碎屑污染，減少了對(duì)軌道電路及軌旁設(shè)備的短路影響;其次，該風(fēng)阻制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用中維護(hù)較少，全壽命周期成本LCC低;第三，該風(fēng)阻制動(dòng)裝置與磁軌制動(dòng)、渦流制動(dòng)等其它類型的非黏著輔助制動(dòng)形式相比，裝置總重低，不會(huì)過(guò)多增加高速動(dòng)車組列車附加重量;第四，該風(fēng)阻制動(dòng)裝置工作時(shí)以壓縮空氣（或液壓油）作為源動(dòng)力，采用氣缸（或液壓缸）裝置驅(qū)動(dòng)，無(wú)電無(wú)磁，節(jié)能環(huán)保，并且對(duì)軌旁信號(hào)設(shè)備沒(méi)有電磁干擾;第五，該風(fēng)阻制動(dòng)裝置對(duì)稱安裝于車體兩側(cè)，由于制動(dòng)時(shí)打開(kāi)的制動(dòng)板向車體兩側(cè)伸出，沒(méi)有侵入車頂接觸網(wǎng)限界風(fēng)險(xiǎn)，杜絕了高壓觸電安全隱患;第六，該風(fēng)阻制動(dòng)裝置的制動(dòng)板只產(chǎn)生向車體中心方向的附加水平分力，因沒(méi)有垂向分力，對(duì)鋼軌、道床、橋梁等沒(méi)有附加載荷，不會(huì)影響線路平順性，減少了高速鐵路工務(wù)部門養(yǎng)護(hù)成本。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，作為傳統(tǒng)黏著制動(dòng)的一種輔助制動(dòng)方式，本文創(chuàng)新設(shè)計(jì)的風(fēng)阻制動(dòng)裝置可以為需要緊急制動(dòng)的高速動(dòng)車組列車或高速機(jī)車提供有效的輔助制動(dòng)力，在充分考慮限界情況下，將裝置設(shè)置于車體兩側(cè)，不影響列車的正常運(yùn)行。

該風(fēng)阻制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操縱方便，尤其當(dāng)動(dòng)車組列車的運(yùn)行速度超過(guò)200 km/h時(shí)更能體現(xiàn)其輔助制動(dòng)的效果優(yōu)勢(shì)，是值得未來(lái)高速軌道交通領(lǐng)域廣泛采用的一種制動(dòng)方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]夏寅蓀.速度達(dá)350 km/h及以上的高速列車非黏著制動(dòng)裝置的研究[J].城市軌道交通研究，2016，19（10）：8-11.

[2]趙炳旭，劉軍，丁艷平.基于動(dòng)車組的鰓式風(fēng)阻制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)與初探[J].機(jī)械工程師，2015，47（11）：133-134.

[3]滕世平.高速動(dòng)車組鰓式風(fēng)阻制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)與性能研究[D].華南理工大學(xué)，2016.

[4]張建柏，彭輝水，倪大成，等.高速列車制動(dòng)技術(shù)綜述[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2011，52（04）：1-4.

[5]李恒.城市軌道交通電動(dòng)氣動(dòng)可伸縮式輔助制動(dòng)板設(shè)計(jì)[J].輕工科技，2015，31（04）：56-58.