用于山梨試驗(yàn)線磁浮列車空氣動(dòng)力制動(dòng)的構(gòu)造及性能測試

用于山梨試驗(yàn)線磁浮列車空氣動(dòng)力制動(dòng)的構(gòu)造及性能測試

磁浮列車的一般制動(dòng)機(jī)為再生型。當(dāng)常用的制動(dòng)機(jī)失敗時(shí)，它們是緊急情況下的備用制動(dòng)機(jī)。第一級(jí)是地面和車上制動(dòng)的組合系統(tǒng)(以下稱之為地面制動(dòng));第二級(jí)是車載機(jī)械制動(dòng)的車上系統(tǒng)。地面?zhèn)溆秒娏χ苿?dòng)有動(dòng)力制動(dòng)及線圈短路制動(dòng),車上機(jī)械制動(dòng)包括空氣動(dòng)力制動(dòng)、輪盤制動(dòng)和閘瓦制動(dòng)?？諝鈩?dòng)力制動(dòng)與輪盤制動(dòng)和閘瓦制動(dòng)不同,不借助機(jī)械摩擦產(chǎn)生制動(dòng)力,而用車頂展開的翼片增加空氣動(dòng)力阻力來產(chǎn)生制動(dòng)力。該裝置既無磨耗件,又無摩擦熱,因而具有可靠性高、維修費(fèi)用低等特點(diǎn)?？諝鈩?dòng)力阻力與速度平方成正比,特別在高速時(shí)這一系統(tǒng)具有優(yōu)良性能。因此,空氣動(dòng)力制動(dòng)即使作為車上制動(dòng)也分歸高速制動(dòng)。本文概述了用于山梨試驗(yàn)線磁浮車輛的空氣動(dòng)力制動(dòng)構(gòu)造,以及空氣動(dòng)力制動(dòng)性能的測定結(jié)果。1空氣動(dòng)力學(xué)振動(dòng)系統(tǒng)的總結(jié)1.1空氣動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)美國將產(chǎn)空氣動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置在甲府方向車上機(jī)械間的上部,數(shù)量為每臺(tái)轉(zhuǎn)向架位置設(shè)置一套。圖1是5輛編組空氣動(dòng)力制動(dòng)的布置圖。制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在緊急情況下升起空氣動(dòng)力制動(dòng)翼片,拓展迎風(fēng)投影面積,以較大的空氣動(dòng)力阻力產(chǎn)生預(yù)定的制動(dòng)力。制動(dòng)翼片由液壓缸控制,液壓缸由各空氣動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)的儲(chǔ)液器提供液力。作為能源的液力用于緊急情況,而不設(shè)計(jì)成連續(xù)作用式,所以高液力由各轉(zhuǎn)向架上的液壓泵供給。停車后制動(dòng)翼片閉合。1.2空氣動(dòng)力制動(dòng)裝置當(dāng)空氣動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí),作用在制動(dòng)翼片前面的壓力,與因氣流分隔在翼片后面產(chǎn)生負(fù)壓力,在翼片前后形成壓力差。作用于翼片的阻力用做制動(dòng)力?？諝鈩?dòng)力制動(dòng)原理見圖2?？諝鈩?dòng)力制動(dòng)翼片在幾個(gè)位置同時(shí)作用時(shí),一位制動(dòng)翼片產(chǎn)生最大的阻力。由于氣流在最前位制動(dòng)翼片處遭受破壞,二位及以后各位的阻力降低。這種現(xiàn)象叫做系列干擾,其原理如圖3所示。1.3特征性1.3.1啟動(dòng)型式分類由于列車需要向前或向后變換運(yùn)行方向,空氣動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)的顯著設(shè)計(jì)特點(diǎn)是雙向作用式。根據(jù)給定的運(yùn)用條件,啟動(dòng)型式可分為:(1)逆開逆風(fēng)(2)順開順風(fēng)由于第一制動(dòng)翼片將承受較大的阻力,應(yīng)盡可能降低這一位置發(fā)生故障的幾率。為此,考慮促進(jìn)啟動(dòng)故障率低和第一制動(dòng)翼片為薄弱環(huán)節(jié),把第一和第二位空氣動(dòng)力制動(dòng)翼片設(shè)計(jì)成促進(jìn)啟動(dòng)方向(圖4)。1.3.2減少重量由于空氣動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)作為備用制動(dòng)而非常用制動(dòng),質(zhì)量通常按自重來考慮。所以,采用鈦制儲(chǔ)液器和鋁制致動(dòng)器,以減輕制動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量。1.3.3考慮到鳥類攻擊的設(shè)計(jì)當(dāng)空氣動(dòng)力制動(dòng)翼片展開時(shí),運(yùn)行中會(huì)發(fā)生鳥撞擊的事件。要把制動(dòng)翼片設(shè)計(jì)得不會(huì)完全破損,也不會(huì)分散。1.3.4無核空氣動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)作為電力制動(dòng)及其他制動(dòng)失靈時(shí)的車上制動(dòng),在車上電源關(guān)閉或車上控制裝置失靈時(shí)應(yīng)有效。所以,它可在電磁閥關(guān)閉位工作。1.4結(jié)構(gòu)1.4.1相對(duì)封閉系統(tǒng)空氣動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)有下列2種型號(hào)(圖5):A型:兩片配置(2.4m2/處)兩制動(dòng)翼片相對(duì)中心線對(duì)稱安裝,相互分離,各由一致動(dòng)器控制。投影面積為1.2m2的翼片是鋁制蜂窩狀結(jié)構(gòu)(圖6)。B型:單片配置(1.95m2/處)該型一處一片,由兩套致動(dòng)器控制,翼片為高剛度箱式結(jié)構(gòu),它的設(shè)計(jì)是在左右致動(dòng)器行程不一致情況下,也不會(huì)失靈(圖7)。1.4.2動(dòng)作要安全空氣動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)用于高速范圍,所以就要求動(dòng)作盡可能靈敏。假定空走距離包括從車輛到地面的傳輸時(shí)間,從開始展開翼片到全部展開的時(shí)間大約為2s。1.5板面為曲面的系列干擾見表4決定阻力的因素如下:(1)基本阻力(隧道外區(qū)間);(2)隧道內(nèi)、外區(qū)間的阻力比;(3)速度效應(yīng)G(阻力)=k×(速度)2;(4)曲面效應(yīng)是由板的曲面造成的,順開方向(凹面)/逆開方向(凸面);(5)系列干擾;(6)翼片面積。《阻力計(jì)算公式》為:(1)順開方向最大值為:(阻力)=(翼片面積)×(基本阻力)×(速度效應(yīng))×(凹曲面效應(yīng))×(隧道內(nèi)、外區(qū)間的阻力比)(2)逆開方向最大值為:(阻力)=(翼片面積)×(基本阻力)×(速度效應(yīng))×(凸曲面效應(yīng))×(隧道內(nèi)、外區(qū)間的阻力比)1.6試驗(yàn)結(jié)果1.6.1速度模型空氣動(dòng)力制動(dòng)力由使用和不使用空氣動(dòng)力制動(dòng)時(shí)的慣性滑行差給定。目前已擁有充分的隧道內(nèi)制動(dòng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù);而隧道外的數(shù)據(jù)還不足以用來進(jìn)行計(jì)算。打算通過反復(fù)運(yùn)行試驗(yàn)來積累數(shù)據(jù)。在此討論隧道內(nèi)制動(dòng)力的測定。(1)速度特性5輛編組列車在隧道內(nèi)的阻力-速度關(guān)系曲線如圖8和圖9所示,除首位所有的制動(dòng)翼片始終都展開。制動(dòng)阻力雖然多少有點(diǎn)波動(dòng),但與速度的平方成正比。試驗(yàn)中,列車以500km/h的速度運(yùn)行,列車各制動(dòng)翼片的總制動(dòng)阻力在隧道內(nèi)東向和西向運(yùn)行時(shí)都約為220kN;而當(dāng)首位制動(dòng)失靈時(shí),在隧道內(nèi)東向和西向運(yùn)行時(shí)的制動(dòng)阻力都約為180kN。對(duì)5輛編組列車以500km/h的速度在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí),將制動(dòng)阻力換算成減速度,在所有制動(dòng)翼片都展開的情況下,相當(dāng)于0.2G;在首位失靈的情況下,相當(dāng)于0.16G。(2)單位面積阻力首先,根據(jù)宮崎磁浮試驗(yàn)線MLU001列車運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算出非隧道區(qū)間的空氣動(dòng)力制動(dòng)力,并將計(jì)算制動(dòng)力作為基本阻力。由風(fēng)洞試驗(yàn)得空氣動(dòng)力制動(dòng)翼片的曲面效應(yīng)為:(逆開方向翼片(凸面))∶(平翼片)∶(順開方向翼片)=0.8∶1∶1.2?？紤]新干線進(jìn)入隧道瞬間產(chǎn)生的不穩(wěn)定現(xiàn)象(動(dòng)態(tài)變化),以及在隧道內(nèi)、外車輛的運(yùn)行阻力比,而估算出隧道內(nèi)的空氣動(dòng)力制動(dòng)力是隧道外的1.33倍。根據(jù)數(shù)值解和風(fēng)洞試驗(yàn),估算出系列干擾效應(yīng),設(shè)首位為1,則第二位及其后各位為0.56。計(jì)算值和山梨試驗(yàn)線的試驗(yàn)結(jié)果列于表1。在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí),A型首位(500km/h)的單位面積制動(dòng)力約為20kN/m2,第二位及其后各位(500km/h)約為15kN/m2;B型的制動(dòng)力約為18kN/m2(500km/h),第一與第二位沒有明顯的差異。將上面給出的首位阻力值轉(zhuǎn)換為阻力系數(shù)(Cd值),A型約為1.6,B型約為1.5。表2給出了隧道外各類三維體的阻力系數(shù)。在山梨試驗(yàn)線隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí),由隧道墻的阻擋作用引起速度的增加而使數(shù)值稍稍大于隧道外情況,但可按非隧道(帶標(biāo)記的部位)的同等數(shù)量級(jí)進(jìn)行大體估算。注:在上述所有情況下,氣流方向都是從左往右。(3)系列干擾效應(yīng)根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn),將首位的系列干擾設(shè)定為1,則第二位及其后各位為0.56。實(shí)際隧道運(yùn)行試驗(yàn)時(shí),A型的約為0.75,而對(duì)B型的影響微不足道。其結(jié)果是因?yàn)榧俣ǖ娘L(fēng)洞試驗(yàn)雷諾數(shù)比實(shí)際列車要小一位數(shù),并受隧道墻的阻擋影響。(4)制動(dòng)翼片的曲面效應(yīng)A型制動(dòng)翼片凹、凸形狀之間的差異約為10%,而B型制動(dòng)翼片幾乎沒有差異,這可能是因?yàn)榫€路試驗(yàn)中車頂制動(dòng)翼片彎曲度與最初假定的相比幾乎是平的。(5)隧道影響目前還沒有進(jìn)行過充分的非隧道試驗(yàn)。因此,作為將來的課題,計(jì)劃研究隧道內(nèi)、外的差異,以收集有關(guān)數(shù)據(jù)。1.7制動(dòng)翼片a型通過山梨磁浮試驗(yàn)線空氣動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)的特性試驗(yàn),可得到下列結(jié)論:(1)確認(rèn)了空氣動(dòng)力制動(dòng)力幾乎與速度的平方成正比,正如開始預(yù)計(jì)的,在隧道內(nèi),5輛編組列車的所有位置都展開時(shí),減速度約為0.2G。(2)A型翼片(兩片)在隧道內(nèi)處于首位的單位面積阻力約為20kN/m2(速度為500km/h時(shí)),第二位及其后各位約為15kN/m2(速度為500km/h時(shí));B型的約為18kN/m2(速度為500km/h時(shí))。(3)A型的系列干擾效應(yīng),當(dāng)把首位設(shè)為1時(shí),約為0.75;B型的干擾不明顯,可忽略不計(jì)。(4)A型制動(dòng)翼片的凹凸曲面效應(yīng)相差約為10%;而B型沒有明顯的差異。(5)在隧道影響方面,至今