一种高速列车横风稳定性的优化方法及装置

1.本发明涉及高速列车运行安全领域，特别涉及一种高速列车横风稳定性的优化方法及装置。


背景技术：

2.目前我国的高速列车行驶时速在200km/h至400km/h之间，大部分位于300km/h至350km/h区间。列车高速行驶时，将会受到不同风环境的影响，大风环境下，高速列车周围流场发生显著变化，横向力、升力急剧增大，产生较大的倾覆力矩，降低了列车的运行安全性和平稳性，极易发生列车倾覆，导致列车安全事故。为提升列车在大风环境下的气动性能，目前主要采用的措施有：(1)优化列车气动外形，(2)修建挡风墙，(3)限速运行。其中，列车外形优化存在周期长，制造成本高的特点，仅用于新车研发；挡风墙修建，虽可提高列车风区运行速度，但需投入大量的人力、物力和财力；限速运行列车运行管理办法可保障列车风区运行安全，但极大地降低了列车的运能。因此，亟需找到一种简单可行、且尽可能不改变列车气动外形的方法来降低横风环境下高速列车的倾覆力矩，改善列车横风运行安全性。


技术实现要素：

3.本发明的目的是：针对上述背景技术中存在的不足，提供一种气囊结构，通过在高速列车背风侧的气囊改变大风环境下列车背风侧的流场结构，从而提高列车背风侧的压力，减小列车车体在横向的压差，实现侧向力的减小；同时通过背风侧气囊提供的额外升力，获得反向的倾覆力矩，缓解大风产生的倾覆力矩，从而实现列车的抗倾覆设计。
4.为了达到上述目的，本发明提供了一种高速列车横风稳定性的优化方法，在高速列车的车体侧壁布置气囊，当高速列车运行中遇到横风环境时，将车体背风侧的气囊快速充气打开，使气囊扩充为横截面呈扁圆形状，改善列车背风侧气流涡结构以减小高速列车横向力，同时增加高速列车气动升力，最终减少高速列车的倾覆力矩。
5.进一步地，当高速列车运行中遇到横风环境时，车体迎风侧的气囊保持收缩状态。
6.本发明还提供了一种高速列车横风稳定性的优化装置，采用如前所述的高速列车横风稳定性的优化方法，包括气囊，所述气囊安装在高速列车的车体两侧，所述气囊在正压充气后能够扩展为横截面呈扁圆形状。
7.进一步地，所述车体的侧面开设有安装槽，所述气囊的部分固定在所述安装槽内，所述气囊与气动控制系统连接，所述气动控制系统用于对所述气囊充气，以及使所述气囊排气。
8.进一步地，所述气囊直接安装在车体侧面。
9.进一步地，所述气囊包括一个固定面和一个变形面，所述固定面用于将所述气囊安装固定，所述变形面用于伸缩变形，改变所述气囊的形状。
10.进一步地，所述气动控制系统包括气泵、电磁换向阀、电控线路以及气管，所述气泵通过所述气管与所述电磁换向阀连通，所述电磁换向阀通过所述气管与所述气囊连通，
所述电磁换向阀用于切换所述气泵与所述气囊的连通状态、以及所述气囊与外界的连通状态，所述电控线路用于所述电磁换向阀与车辆控制中心的连接。
11.进一步地，所述电控线路上还设置有电控紧急开关，所述电控紧急开关用于断开所述电磁换向阀与车辆控制中心的连接状态，并将电磁换向阀复位，使气囊迅速排气收缩回车体内部。
12.进一步地，所述电磁换向阀还设置有消音器和手动控制手柄，所述消音器用于使所述气囊中的空气消音排出，所述手动控制手柄用于手动切换所述电磁换向阀的连通状态。
13.本发明的上述方案有如下的有益效果：
14.本发明提供的高速列车横风稳定性的优化及装置，突破了传统高速列车抗倾覆思路，通过快速形成一种刚-柔性能匹配的气囊方式，来改变车体背风侧流场结构，达到对列车气动横向力及升力的多级调控，实现高速列车抗倾覆效果；气囊结构伸展、收缩依靠材料自身完成，无需复杂的机构配合，无需在车体侧面布置横向伸缩机构，气动控制系统均可布置在车体内部，因此具有更加明显的可靠性优势，且气囊的更换维护更加便捷；气囊由可伸缩的软质材料构成，相比硬质材料构成的结构其抗冲击性能有大幅的提高，并且在破损后不会产生碎片而对列车造成二次伤害。
15.本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
16.图1为本发明装置的气囊安装结构三维示意图；
17.图2为本发明装置的气囊安装结构正视图；
18.图3为本发明装置的气囊与气动控制系统连接示意图。
19.【附图标记说明】
20.1、气囊；2、车体；3、固定面；4、变形面；5、气泵；6、电磁换向阀；7、电控紧急开关；8、电控线路；9、气管；10、消音器；11、手动控制手柄。
具体实施方式
21.以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
22.需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使
用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
23.还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
24.本发明的实施例提供了一种高速列车横风稳定性的优化方法，通过高速列车的车体两侧布置的气囊，当高速列车运行中遇到横风环境时，将车体背风侧气囊快速充气打开，使气囊充分扩充为横截面呈扁圆形，沿长度方向为长条形的结构。一方面气囊的存在会改善背风侧气流涡结构，使高速列车横向力减小，另一方面气囊的形成会增加高速列车的升力，综合横向力和升力气动作用减小高速列车的倾覆力矩。
25.此时，迎风侧的气囊不进行扩充，整体收回至车体内，使其不工作，而背风侧的气囊扩充后保持正常工作，改变车体背风侧气流减小横向力、产生升力并形成抵抗力矩，确保横风力矩的抵消效果。
26.需要说明的是，当气囊不使用时，其在自身弹性作用下恢复收缩于高速列车的车体两侧，几乎不会凸出于车体的侧壁，因而不会影响高速列车的正常行驶。显然，气囊扩充后的横截面尺寸(主要是横向尺寸)不宜过小，过小的情况下可能达不到改变背风侧气流、产生明显升力的效果。因此，气囊的材料需要采用伸缩系数较大的材料，以使气囊展开时的横截面尺寸适宜。同时，气囊在高速列车运行时也需要保证一定的强度，以维持工作状态、不会破损失效等，因此材料也需要采用强度足够的类型。总之，气囊的材料既需要保证伸缩能力又需要保证强度，本领域技术人员可根据实际测试结果进行综合选择。
27.采用气囊结构，其伸展收缩依靠材料自身完成，无需复杂的机构配合，无需在车体侧面布置横向伸缩机构，气动控制系统均可布置在车体内部，因此具有更加明显的可靠性优势，且气囊的更换维护更加便捷。同时，由于气囊由可伸缩的软质材料构成，相比硬质材料构成的结构其抗冲击性能有大幅的提高，并且在破损后不会产生碎片而对列车造成二次伤害。
28.以下通过具体案例进一步论证说明气囊的作用：
29.通过数值仿真的方式验证气囊的作用，仿真模型采用三车编组高速列车，车速与风速合成速度为45m/s，侧滑角为20
°
，计算结果如表1、表2、表3所示。从表1、2、3可知，当高速列车背风侧气囊打开时，会改变列车的气动横向力和升力，从而有效地减小列车倾覆力矩系数，提高列车横风稳定性。当气囊位置偏上时效果最优，列车横向力系数减小16.3％，升力系数提高15.6％，列车整体倾覆力矩系数减小23.2％。
30.其中，气动力系数与气动力矩系数的计算公式分别如下：
[0031][0032]
[0033]
式中：c
fi
是气动力系数，cm是气动力矩系数，fi是i方向的气动力，m是倾覆力矩，ρ是空气密度，取1.225kg/m3，v是列车与风速合成速度，取45m/s，a0是标准参考面积，a0＝10.84m2，d0是特征长度，d0＝3.26m。
[0034]
表1：气囊居中工况气动力和倾覆力矩计算结果
[0035]
气动载荷横向力系数升力系数倾覆力矩系数无气囊列车3.613.791.85有气囊列车(气囊居中)3.384.251.63优化效果6.4％-12.1％11.9％
[0036]
表2：气囊偏上工况气动力和倾覆力矩计算结果
[0037]
气动载荷横向力系数升力系数倾覆力矩系数无气囊列车3.613.791.85有气囊列车(气囊偏上)3.024.381.42优化效果16.3％-15.6％23.2％
[0038]
表3：气囊偏下工况气动力和倾覆力矩计算结果
[0039]
气动载荷横向力系数升力系数倾覆力矩系数无气囊列车3.613.791.85有气囊列车(气囊偏下)3.493.261.79优化效果3.3％14.0％3.2％
[0040]
如图1、图2所示，基于同一发明构思，本实施例还提供了一种高速列车横风稳定性的装置，包括气囊1，其中气囊1在正压充气后能够扩展为横截面呈扁圆形、整体为长条形的形式，通过气囊1改善列车背风侧气流涡结构以减小高速列车横向力，同时通过气囊增加高速列车气动升力，减小高速列车的倾覆力矩。
[0041]
其中，气囊1由可伸缩的软质材料构成，相比硬质材料构成的结构其抗冲击性能有大幅的提高，并且在破损后不会产生碎片而对列车造成二次伤害。
[0042]
其中，车体2的侧面开设有安装气囊1的安装槽，气囊1的一部分固定在安装槽内，同时气囊1与气动控制系统连接，如图3所示。当气动控制系统产生正压对气囊1充气时，气囊1扩张为预设的形式，以改善车体背风侧流场。当气动控制系统减少气压时，气囊1会在自身弹性恢复力作用下收缩，以排出内部空气、体积减小并收缩至安装槽内，几乎不会凸出于车体2的侧壁，因而不会影响高速列车的正常行驶，即不会影响高速列车正常行驶时两侧的气动效应。
[0043]
需要说明的是，车体2侧面也可以不开设安装槽，而直接将气囊1固定在车体2侧面，当气囊收缩时，其占用车体2侧面的横向尺寸有限，对气动影响较小，因此也能达到稳定安装的目的。
[0044]
作为优选的实施方式，本实施例提供的气囊1具有一个固定面3和一个变形面4，其中固定面3用于与安装槽或车体2侧壁固定，以将气囊1整体固定安装。固定面3可以采用与变形面4一体的伸缩材料、也可以采用强度更高、无法伸缩的材料，保证气囊1整体安装的可靠性。在气囊1充气排气的过程中，固定面3是无需进行伸缩的，变形面4通过材料变形的方式完成伸缩改变气囊1形状。
[0045]
在本实施例中，气动控制系统包括气泵5、电磁换向阀6、电控紧急开关7、电控线路8以及气管9。其中，气泵5通过气管9与电磁换向阀6连通，电磁换向阀6通过气管9与气囊1连通，电磁换向阀6还设置有消音器10和手动控制手柄11。
[0046]
列车正常时气泵5处于待机状态，保持自带的储气罐中的压力处于预设区间，此时不对气囊1进行充气。当遭遇横风时，车辆控制中心通过电控线路8传递信号控制电磁换向阀6切换至气囊1与气泵5连通，气泵5自带的储气罐中的气体通过气管9进入气囊1中，使气囊1膨胀变形成所需形状，以达到工作状态。而横风结束后电控线路8传递信号控制电磁换向阀6切换至气囊1与消音器10连通，气囊1中的气体在气囊1自身的收缩力作用下通过消音器10排出，以减小排气噪音，提乘坐高舒适性。
[0047]
在车辆控制中心出现故障时，可通过电控紧急开关7控制电磁换向阀6断开与车辆控制中心的连接，且强制切换电磁换向阀6至气囊1排气状态，以停止气囊1工作。并且，在紧急情况下可在电控紧急开关7控制电磁换向阀6断开与车辆控制中心后，依靠手动控制手柄11控制气囊1切换工作与停止状态。手动控制手柄11作为电控紧急开关7的备份装置，可提高系统整体的可靠性。
[0048]
因此，整个气动控制系统均能够布置在车体2内部，仅气管9的末端与气囊1连接，能够保证气动控制系统在高速列车运行时的稳定可靠性。
[0049]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种高速列车横风稳定性的优化方法，其特征在于，在高速列车的车体侧壁布置气囊，当高速列车运行中遇到横风环境时，将车体背风侧的气囊快速充气打开，使气囊扩充为横截面呈扁圆形，改善列车背风侧气流涡结构以减小高速列车横向力，同时增加高速列车气动升力，最终减少高速列车的倾覆力矩。2.根据权利要求1所述的一种高速列车横风稳定性的优化方法，其特征在于，当高速列车运行中遇到横风环境时，车体迎风侧的气囊保持收缩状态。3.一种高速列车横风稳定性的优化装置，采用如权利要求1-2任意一项所述的高速列车横风稳定性的优化方法，其特征在于，包括气囊，所述气囊安装在高速列车的车体两侧，所述气囊在正压充气后能够扩展为横截面呈扁圆形。4.根据权利要求3所述的一种高速列车横风稳定性的优化装置，其特征在于，所述车体的侧面开设有安装槽，所述气囊的部分固定在所述安装槽内，所述气囊与气动控制系统连接，所述气动控制系统用于对所述气囊充气，以及使所述气囊排气。5.根据权利要求3所述的一种高速列车横风稳定性的优化装置，其特征在于，所述气囊直接安装在车体侧面。6.根据权利要求3所述的一种高速列车横风稳定性的优化装置，其特征在于，所述气囊包括一个固定面和一个变形面，所述固定面用于将所述气囊安装固定，所述变形面用于伸缩变形，改变所述气囊的形状。7.根据权利要求4所述的一种高速列车横风稳定性的优化装置，其特征在于，所述气动控制系统包括气泵、电磁换向阀、电控线路以及气管，所述气泵通过所述气管与所述电磁换向阀连通，所述电磁换向阀通过所述气管与所述气囊连通，所述电磁换向阀用于切换所述气泵与所述气囊的连通状态、以及所述气囊与外界的连通状态，所述电控线路用于所述电磁换向阀与车辆控制中心的连接。8.根据权利要求7所述的一种高速列车横风稳定性的优化装置，其特征在于，所述电控线路上还设置有电控紧急开关，所述电控紧急开关用于断开所述电磁换向阀与车辆控制中心的连接状态，并将电磁换向阀复位，使气囊迅速排气收缩回车体内部。9.根据权利要求7所述的一种高速列车横风稳定性的优化装置，其特征在于，所述电磁换向阀还设置有消音器和手动控制手柄，所述消音器用于使所述气囊中的空气消音排出，所述手动控制手柄用于手动切换所述电磁换向阀的连通状态。

技术总结
本发明提供了一种高速列车横风稳定性的优化方法，在高速列车的车体侧壁布置气囊，当高速列车运行中遇到横风时，将车体背风侧的气囊快速充气打开，使气囊扩充为横截面呈扁圆形，改善列车背风侧气流涡结构以减小高速列车横向力，同时通过气囊增加高速列车气动升力，最终减少高速列车的倾覆力矩。本发明突破了传统高速列车抗倾覆思路，通过快速形成一种刚-柔性能匹配的气囊方式，来改变车体背风侧流场结构，达到对列车气动横向力及升力的多级调控，实现高速列车抗倾覆效果。实现高速列车抗倾覆效果。实现高速列车抗倾覆效果。


技术研发人员：张洁 许澳 高广军 刘堂红 熊小慧 孙博 邓赞 黄凤仪
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2023.03.09
技术公布日：2023/6/27