基于動車組的鰓式風阻制動裝置的設計

趙炳旭， 劉軍， 丁艷平

（大連科技學院機械工程系，遼寧 大連 116052）

0 引言

隨著我國鐵路大提速的不斷進行，現在火車的速度已經由最初的40 km/h上升到如今的350 km/h。并且隨著日后動車組技術的不斷改進，車輛的運行速度有望進一步提升。在不斷提速的過程中，依靠列車原有的閘瓦制動或者盤形制動方式，在突發情況之下短時間內實現列車的制動變得愈發困難，于是利用列車在高速運行之下的空氣阻力幫助列車制動成為了一種主要的研究方向。

1 鰓式風阻制動裝置的設計

1.1 風阻

風阻是指空氣對運動物體的阻礙力，是運動物體受到空氣的阻礙而產生的。汽車、船舶、鐵路機車等在運行時，由于前面的空氣被壓縮，兩側表面與空氣的摩擦，以及尾部后面的空間成為部分真空，這些作用所引起的阻力。

1.2 鰓式風阻制動裝置的結構設計

該風阻制動裝置安裝于高速動車組兩側墻內，在不超出鐵路機車車輛限界的前提下，對稱布置于高速動車組車體兩側，依靠風能消耗高速動車組的能量，從而使高速動車組實現制動。在風阻制動板撐開工作時形似鯊魚的鰓，故名鰓式風阻制動裝置。

鰓式風阻制動裝置的結構主要由氣缸、風阻制動板、軸承、連桿等部分組成。利用動車組內部的電控首先實現對氣缸的控制。通過氣缸的伸縮，將運動傳遞到活塞桿上，再利用連桿裝置的工作原理，實現風阻制動板的開啟與閉合。圖1、圖2所示即為沿著動車組縱向方向（車體向左方運行）的俯視情況，其中圖1為氣缸活塞桿完全收縮時，風阻制動板與車體無縫銜接，圖2為氣缸活塞桿完全伸展時，風阻制動板打開的狀態。

同時為了保證風阻制動板在打開后不會由于空氣的強大阻力而發生傾斜或晃動，在內腔里設計了兩個完全平行的氣缸活塞裝置，使得風阻制動板在工作中更加平穩可靠，如圖3所示。

圖1 風阻制動板閉合時

圖2 風阻制動板開啟時

圖3 雙氣缸風阻制動裝置

1.3 鰓式風阻制動裝置的安置

鰓式風阻制動裝置位于列車的兩側，在每一節車廂均勻分布有6個風阻裝置。在列車正常運行的過程中，風阻裝置處于閉合狀態，其與車身相平行，使車身整體保持流線型的狀態。當列車需要進行制動或者遇到緊急情況要求制動的時候，通過電力控制氣缸的伸縮，利用軸承的轉向以及桿的傳遞作用，使得風阻制動裝置打開，對車體兩側的空氣產生阻礙，產生空氣阻力，從而加速列車的制動過程，即減小制動行程并縮短制動時間。布置如圖4所示。

圖4 鰓式風阻制動裝置的布置

2 鰓式風阻制動裝置的受力分析

2.1 空氣阻力

以現在動車組運行的標準速度300 km/h為例，空氣阻力的計算公式為

式中：FW表示空氣阻力；V表示風的速度；A表示物體與空氣的接觸面積；CW表示風阻系數。

由所設計的風阻制動裝置的幾何尺寸（長為2 m，寬為0.5 m）及當風阻裝置張開到最大角度后與車體所成角度為30°，同時考慮到在車體運行過程中，車體和風阻制動裝置的表面均比較光滑，選擇風阻系數為0.4，將數據代入上式中，得×1×sin30°×0.4=86N。此即為單個鰓式風阻制動裝置所帶來的輔助制動力，至于整個動車車體所獲得的總輔助制動力大小取決于該制動裝置的數量。

2.2 軸及其他零部件的受力

1）軸。所設計的軸直徑D=15mm，材料選用的是在機械領域中較為普遍應用的高速鋼。在所有的支撐軸中，與風阻制動裝置通過靜壓軸承直接相連的軸所受到的力最大，故對其受力情況進行分析如下：

由于軸在整體的運動過程中，承受的壓應力為

式中：W為壓縮載荷；A為軸的橫截面積。又因為整個風阻制動裝置是由兩根相同的桿共同支撐，所以W=86 N，A=πD2/4=1.8×10-4m2。將數值代入上式中，求得 σ=4.8MPa≤［σb］=450 MPa。可見軸的強度完全滿足風阻制動裝置的開啟與閉合動作。

2）軸承。為了支撐回轉軸零部件，采用滑動軸承中的靜壓軸承。靜壓軸承的阻尼系數大，啟動轉矩較小，在各類不同的滑動軸承中，其使用壽命和旋轉精度都很高，非常適合用于風阻制動裝置的開啟與關閉動作。其尺寸由相應的軸確定。

3 鰓式風阻制動裝置的三維應力應變分析

將設計完成后的風阻制動裝置進行三維建模，導入有限元分析軟件中，進行有限元網格的劃分，得到的應力應變分析結果如圖5、圖6所示。

由圖5可以看出，在列車正常運行的情況下，整個制動裝置中，擋板的最外部以及桿的外端的應變最大，但并沒有超過應變的臨界值，仍然屬于安全范圍。

由圖6可以看出，與制動板相連的軸所受應力最大，板、氣缸等部分所受到的應力均很小，每個構件所受的應力均在疲勞極限之下，屬于安全范圍。

從圖中可以看出與上述計算較為接近，說明本制動裝置的結構尺寸的設計和材料的選取，均可以滿足動車組的正常運行制動情況，確保了設計的合理性和正確性。

圖5 應變圖

圖6 應力圖

圖7 流場仿真

4 鰓式風阻制動裝置的三維流場數值模擬

將該制動裝置導入流體分析模塊中，設置相應的邊界條件，模仿列車進行制動，風阻制動裝置打開后周圍空氣流動狀態的變化情況如圖7所示。

由圖7可以看出，當動車組達到最大速度時，風阻制動裝置對空氣的流場變化情況影響較大，但是并沒有達到風速的最大值，使得整體的風速仍然在安全可控的范圍之內，對車身以及風阻裝置本身并沒有過大的阻礙作用。

5 結語

鰓式風阻制動裝置的結構簡單，維修方便，無摩擦。更重要的是，隨著綠色社會，低碳出行的理念深入人心，新的發明設計的出現必須要實現環境友好、資源節約的要求。而鰓式風阻制動裝置利用空氣阻力，實現了無污染、無摩擦，使用風能這種清潔能源作為工作介質，在列車的運行速度超過350 km/h之后的制動效果更加明顯，是一種新型的清潔環保的高速動車組輔助制動方式。

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