用于山梨試驗線磁浮列車空氣動力制動的構(gòu)造及性能測試

用于山梨試驗線磁浮列車空氣動力制動的構(gòu)造及性能測試

磁浮列車的一般制動機(jī)為再生型。當(dāng)常用的制動機(jī)失敗時，它們是緊急情況下的備用制動機(jī)。第一級是地面和車上制動的組合系統(tǒng)(以下稱之為地面制動);第二級是車載機(jī)械制動的車上系統(tǒng)。地面?zhèn)溆秒娏χ苿佑袆恿χ苿蛹熬€圈短路制動,車上機(jī)械制動包括空氣動力制動、輪盤制動和閘瓦制動。空氣動力制動與輪盤制動和閘瓦制動不同,不借助機(jī)械摩擦產(chǎn)生制動力,而用車頂展開的翼片增加空氣動力阻力來產(chǎn)生制動力。該裝置既無磨耗件,又無摩擦熱,因而具有可靠性高、維修費用低等特點。空氣動力阻力與速度平方成正比,特別在高速時這一系統(tǒng)具有優(yōu)良性能。因此,空氣動力制動即使作為車上制動也分歸高速制動。本文概述了用于山梨試驗線磁浮車輛的空氣動力制動構(gòu)造,以及空氣動力制動性能的測定結(jié)果。1空氣動力學(xué)振動系統(tǒng)的總結(jié)1.1空氣動力制動系統(tǒng)美國將產(chǎn)空氣動力制動系統(tǒng)設(shè)置在甲府方向車上機(jī)械間的上部,數(shù)量為每臺轉(zhuǎn)向架位置設(shè)置一套。圖1是5輛編組空氣動力制動的布置圖。制動系統(tǒng)的設(shè)計是在緊急情況下升起空氣動力制動翼片,拓展迎風(fēng)投影面積,以較大的空氣動力阻力產(chǎn)生預(yù)定的制動力。制動翼片由液壓缸控制,液壓缸由各空氣動力制動系統(tǒng)的儲液器提供液力。作為能源的液力用于緊急情況,而不設(shè)計成連續(xù)作用式,所以高液力由各轉(zhuǎn)向架上的液壓泵供給。停車后制動翼片閉合。1.2空氣動力制動裝置當(dāng)空氣動力制動系統(tǒng)工作時,作用在制動翼片前面的壓力,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力?？諝鈩恿χ苿釉硪妶D2?？諝鈩恿χ苿右砥趲讉€位置同時作用時,一位制動翼片產(chǎn)生最大的阻力。由于氣流在最前位制動翼片處遭受破壞,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啟動型式分類由于列車需要向前或向后變換運行方向,空氣動力制動系統(tǒng)的顯著設(shè)計特點是雙向作用式。根據(jù)給定的運用條件,啟動型式可分為:(1)逆開逆風(fēng)(2)順開順風(fēng)由于第一制動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)啟動故障率低和第一制動翼片為薄弱環(huán)節(jié),把第一和第二位空氣動力制動翼片設(shè)計成促進(jìn)啟動方向(圖4)。1.3.2減少重量由于空氣動力制動系統(tǒng)作為備用制動而非常用制動,質(zhì)量通常按自重來考慮。所以,采用鈦制儲液器和鋁制致動器,以減輕制動系統(tǒng)的質(zhì)量。1.3.3考慮到鳥類攻擊的設(shè)計當(dāng)空氣動力制動翼片展開時,運行中會發(fā)生鳥撞擊的事件。要把制動翼片設(shè)計得不會完全破損,也不會分散。1.3.4無核空氣動力制動系統(tǒng)作為電力制動及其他制動失靈時的車上制動,在車上電源關(guān)閉或車上控制裝置失靈時應(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相對封閉系統(tǒng)空氣動力制動系統(tǒng)有下列2種型號(圖5):A型:兩片配置(2.4m2/處)兩制動翼片相對中心線對稱安裝,相互分離,各由一致動器控制。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,由兩套致動器控制,翼片為高剛度箱式結(jié)構(gòu),它的設(shè)計是在左右致動器行程不一致情況下,也不會失靈(圖7)。1.4.2動作要安全空氣動力制動系統(tǒng)用于高速范圍,所以就要求動作盡可能靈敏。假定空走距離包括從車輛到地面的傳輸時間,從開始展開翼片到全部展開的時間大約為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?！蹲枇τ嬎愎健窞?(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試驗結(jié)果1.6.1速度模型空氣動力制動力由使用和不使用空氣動力制動時的慣性滑行差給定。目前已擁有充分的隧道內(nèi)制動力試驗數(shù)據(jù);而隧道外的數(shù)據(jù)還不足以用來進(jìn)行計算。打算通過反復(fù)運行試驗來積累數(shù)據(jù)。在此討論隧道內(nèi)制動力的測定。(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,除首位所有的制動翼片始終都展開。制動阻力雖然多少有點波動,但與速度的平方成正比。試驗中,列車以500km/h的速度運行,列車各制動翼片的總制動阻力在隧道內(nèi)東向和西向運行時都約為220kN;而當(dāng)首位制動失靈時,在隧道內(nèi)東向和西向運行時的制動阻力都約為180kN。對5輛編組列車以500km/h的速度在隧道內(nèi)運行時,將制動阻力換算成減速度,在所有制動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)宮崎磁浮試驗線MLU001列車運行試驗結(jié)果,計算出非隧道區(qū)間的空氣動力制動力,并將計算制動力作為基本阻力。由風(fēng)洞試驗得空氣動力制動翼片的曲面效應(yīng)為:(逆開方向翼片(凸面))∶(平翼片)∶(順開方向翼片)=0.8∶1∶1.2。考慮新干線進(jìn)入隧道瞬間產(chǎn)生的不穩(wěn)定現(xiàn)象(動態(tài)變化),以及在隧道內(nèi)、外車輛的運行阻力比,而估算出隧道內(nèi)的空氣動力制動力是隧道外的1.33倍。根據(jù)數(shù)值解和風(fēng)洞試驗,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。計算值和山梨試驗線的試驗結(jié)果列于表1。在隧道內(nèi)運行時,A型首位(500km/h)的單位面積制動力約為20kN/m2,第二位及其后各位(500km/h)約為15kN/m2;B型的制動力約為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)。在山梨試驗線隧道內(nèi)運行時,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,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。實際隧道運行試驗時,A型的約為0.75,而對B型的影響微不足道。其結(jié)果是因為假定的風(fēng)洞試驗雷諾數(shù)比實際列車要小一位數(shù),并受隧道墻的阻擋影響。(4)制動翼片的曲面效應(yīng)A型制動翼片凹、凸形狀之間的差異約為10%,而B型制動翼片幾乎沒有差異,這可能是因為線路試驗中車頂制動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。因此,作為將來的課題,計劃研究隧道內(nèi)、外的差異,以收集有關(guān)數(shù)據(jù)。1.7制動翼片a型通過山梨磁浮試驗線空氣動力制動系統(tǒng)的特性試驗,可得到下列結(jié)論:(1)確認(rèn)了空氣動力制動力幾乎與速度的平方成正比,正如開始預(yù)計的,在隧道內(nèi),5輛編組列車的所有位置都展開時,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),第二位及其后各位約為15kN/m2(速度為500km/h時);B型的約為18kN/m2(速度為500km/h時)。(3)A型的系列干擾效應(yīng),當(dāng)把首位設(shè)為1時,約為0.75;B型的干擾不明顯,可忽略不計。(4)A型制動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