湯勁松， 尹崇宏， 馬 飛， 楊 磊， 司志強， 畢海權

(1 中車青島四方車輛研究所有限公司, 山東青島 266031;2 中車唐山機車車輛有限公司, 河北唐山 064000;3 西南交通大學, 成都 610031)

目前高速列車的制動系統(tǒng)主要由牽引電機再生制動和利用機械摩擦作用的盤形制動構成。這些制動方式的基本思路都是將列車的動能轉(zhuǎn)換為電能或熱能，并將其吸收或逸散出去[1-2]。

當緊急制動發(fā)生時，列車應發(fā)揮全部的再生制動力，不足部分由空氣制動補充。在列車經(jīng)過無電區(qū)間或電制動發(fā)生故障時，空氣制動是最后的安全保障。因此，在純空氣制動工況下仍必須保證高速列車符合緊急制動距離的要求停車。

隨著列車運行速度提高，不依賴輪軌間黏著的非黏著制動方式越來越受到人們的重視。非黏著制動是指不依賴于車輛與鋼軌接觸而產(chǎn)生的黏著力而完成制動的方式，包括磁軌制動、渦流制動和風阻制動等。相對磁軌制動和渦流制動，風阻制動裝置質(zhì)量較輕，結構簡單，在高速段制動效果尤其明顯。因此，作為高速列車黏著制動的補充，風阻制動是一種非常合理的制動方式。

國外目前對于風阻制動技術的應用研究主要在日本的有關設計機構進行。吉春等[3]最早開發(fā)了應用于宮崎試驗線500 km/h速度MLU002N型磁浮列車的風阻制動裝置，該風阻制動裝置的打開利用了彈簧裝置，單向開啟且只能手動關閉，其從接到開啟指令電信號到制動板開至垂直位置的總時間為1.5 s。Masafumi等[4]通過空氣動力學計算和機構優(yōu)化，在山梨試驗線上設計了一型新的風阻制動裝置，其采用液壓開啟兩型不同的制動板，動作時間約為2 s，試驗結果表明，在500 km/h 工況下，當6套風阻制動裝置全開時可提供約0.2 m/s2的制動減速度。2005年JR東日本公司與川崎重工公司共同開發(fā)了安裝在 E954/E955系列試驗電動車上的“貓耳朵”型空氣動力制動裝置，并驗證了在原有的線路上運行時地面設備與列車走行穩(wěn)定性均無問題。該型風阻制動裝置在以360 km/h的初速開始進行高減速度緊急制動試驗時，達到了縮短停車距離300 m 的效果[5]。除了研究風阻制動對車輛穩(wěn)定性和地面設備的影響外，該型風阻制動裝置還在風洞進行了模擬飛鳥撞擊和翼板強度等試驗。近年來，日本鐵道總研(RTRI)高見創(chuàng)[6]又針對傳統(tǒng)風阻制動方式開啟慢、占用空間大、質(zhì)量重等缺點，開發(fā)了基于E954型試驗車的小型分散式風阻制動裝置。該裝置能做到雙向開啟，經(jīng)樣機實測開啟時間小于0.1 s，根據(jù)風洞實驗結果的估算表明，在300 km/h運行速度條件下，根據(jù)風阻制動裝置在車頂不同的布置情況，明線上能夠提供0.178～0.286 m/s2的制動減速度。此外，日本研制的實驗性超導磁懸浮列車(包括MLU001、MLU002N、MLX01型列車)亦設有風阻制動裝置，作為列車行駛時發(fā)生電源故障的非接觸式緊急制動。

國內(nèi)對于風阻制動的技術應用研究由同濟大學聯(lián)合中車青島四方機車車輛股份有限公司、上海龐豐交通設備科技有限公司共同展開，研制了采用液壓驅(qū)動的多檔位高速列車風阻制動裝置。吳萌嶺，田春等[7-12]進一步對風阻制動的基本原理、翼型、車頂布置等進行大量的仿真計算分析。2012年6月該型風阻制動裝置在我國更高速度試驗列車上裝車，并于2014年在滬昆線南昌段完成了速度350 km/h等多種工況的線路運行試驗。

圖1 新干線風阻制動安裝實例[6]

介紹了一種新型高速列車“蝶形”風阻制動裝置，適用于設計中的400 km/h高速列車緊急制動工況。該風阻制動裝置利用連桿和鉸接結構將風板的動作與軌道上滑塊的運動結合起來，通過風阻力將風板快速完全打開，并能依靠自身電機將風阻板回收關閉?！暗健憋L阻制動裝置充分利用風阻，除輔助電機外，整個驅(qū)動裝置多為機械結構，安全可靠且方便更換維修。

下文將首先闡釋風阻制動技術的基本原理，然后從基本機構、強度模態(tài)和制動力評估等3個方面對“蝶式”風阻制動裝置進行分析介紹。

1 基本原理

風阻制動裝置有很多種形式，但其基本原理均是利用列車高速運行時產(chǎn)生的空氣阻力提供制動力。

當物體與周圍的空氣產(chǎn)生相對速度時，滿足空氣阻力公式：

(1)

式中：C為空氣阻力系數(shù)，其數(shù)值大小和物體的迎風面積、表面粗糙度和形狀相關，通常由試驗測得；ρ為空氣密度；S為迎風面積；v為物體與空氣的相對運動速度。

根據(jù)式(1)進行拓展，可以得到列車風阻制動能實現(xiàn)的減速度β，m/s2：

(2)

其中，C0為單塊風阻制動板設置在車頂時的阻力系數(shù)；n為列車車頂布置的阻力板總數(shù)；Cd1(i)為迎風向從前往后第i塊阻力板的直接干涉系數(shù)；Cd2為隧道系數(shù)；M為列車質(zhì)量。

由式(2)可知，列車運行速度越高，其產(chǎn)生的制動減速度越大，且與速度成二次方指數(shù)增長。

根據(jù)日本鐵道總研相關技術人員的評估，在速度400 km/h時，風阻制動提供的減速度和盤形制動提供的制動減速度已經(jīng)非常接近。

圖2 高速列車緊急制動減速度[6]

在評估影響風阻制動效果的因素時，除了式(2)中的各個參數(shù)外，還必須考慮列車邊界層厚度和風阻制動板后方卡門渦街等因素對制動力的影響。

邊界層厚度δ是指從邊界層壁面開始，到沿著壁面切向的流動速度達到自由來流速度的99%的位置的垂直于壁面的高度，即由式(3)定義：

u(δ)=0.99u0

(3)

其中，u0為流體在不受黏滯力影響的自由速度。假設列車運行過程中外流場不可壓縮，則依據(jù)邊界層理論積分可得列車邊界層厚度δ如式(4)：

(4)

當列車高速運行時，從車頭開始會產(chǎn)生沿車長方向逐漸增厚的邊界層。通常情況下，最大邊界層厚度出現(xiàn)在中間車附近，保持在1 m左右的量級[6]。在風阻制動裝置的實際設計中，由于裝置的高度主要受到列車限界的影響，制動板起作用的區(qū)域主要在列車邊界層厚度內(nèi)，因此其產(chǎn)生的阻力較自由氣流中放置時要有所減小。

此外，風阻板的設計還需要考慮卡門渦街產(chǎn)生的交替瀉渦影響。在風阻制動裝置的設計中，風阻板迎風面的長寬比l/h應至少大于1。

在風阻制動裝置整車布局的設計中，雖然增加風阻板面積和數(shù)量可提高風阻制動的制動力，但同時也會受到車輛限界和車內(nèi)空間的制約，且由于風阻板之間互相存在干擾，增加數(shù)量帶來的邊際效用會發(fā)生遞減，這也是風阻制動在設計上需要考慮到的問題。

針對以上問題，在風阻制動裝置的設計過程中，文中基于商業(yè)軟件STAR-CCM+平臺，采用其中k-ε兩方程RANS模型，對風阻制動裝置設計過程中的尺寸、開啟角度、安裝位置、干擾效應等進行了計算流體力學仿真分析?？紤]到實尺度計算中邊界層較薄的情況，采用了相對較小的第一層網(wǎng)格厚度來捕捉黏性力。速度壓力耦合采用PISO算法[13]求解。

2 “蝶形”風阻制動裝置

2.1 基本結構

“蝶形”風阻制動裝置的基本尺寸由列車限界、列車橫截面布置、車內(nèi)空調(diào)風道等因素確定。風阻制動裝置的安裝基座凹入車體，最大厚度為100 mm。風阻板關閉時兩端邊緣處有輕微弧度，保持與車體上表面平齊，從而保證正常行駛時車頂按照的風阻制動裝置不帶來額外的阻力增加。風阻制動板尺寸為(1 272×378) mm，按照75°角打開時制動板迎風面高度為365 mm?！暗巍憋L阻制動裝置有兩塊對稱布置的風阻板和相應內(nèi)部機構，安裝在同一塊固定基座上。

“蝶形”風阻制動裝置基本尺寸如圖3所示。

圖3 “蝶形”風阻制動裝置基本尺寸

圖4 “蝶形”風阻制動裝置機構示意

“蝶形”風阻制動裝置的基本機構如圖4所示，其主要部件包含弧形制動板、底部框架、風板轉(zhuǎn)軸、拉桿、電機、制動器、減速器、安全離合器、液壓緩沖器、直線導軌、滑塊、電插鎖、限位開關等。

整個機構制動板起始位置為制動板與機身貼合位置如圖5(a)，極限位置為張開75°的位置如圖5(b)，根據(jù)三維建模的尺寸測繪與定位可知：導軌上滑塊的行程為122 mm。機構運動示意圖如圖5所示。

圖5 機構運動示意圖

2.2 強度模態(tài)分析

根據(jù)高速列車風阻制動裝置結構特點，主要采用二階四面體單元進行模擬，單元大小約為5 mm。銷軸采用梁單元模擬，螺栓連接處采用耦合約束進行簡化，電機質(zhì)量采用質(zhì)量單元模擬。整個有限元模型共有單元668 531個，節(jié)點173 168個，有限元模型見圖6(a)。

經(jīng)計算分析，各工況下結構的利用系數(shù)均小于1，利用系數(shù)最大點出現(xiàn)在滑塊中心軸根部區(qū)域，各工況利用系數(shù)較大的點主要出現(xiàn)在拉桿端部過渡區(qū)域、支撐轉(zhuǎn)軸座安裝螺栓孔與電機支座安裝孔區(qū)域。

2.3 制動力計算

為全面評估“蝶形”風阻制動裝置的制動力，對1∶1 尺度的單套風阻制動裝置和多套布置風阻制動裝置等工況進行了計算流體力學仿真分析。

單套風阻制動裝置的制動力評估目的是在考慮到基本結構設計的前提下，評估風阻板在制動時合理的開啟角度。在網(wǎng)格劃分時，根據(jù)制動板周圍流場特點，對制動板附近區(qū)域網(wǎng)格進行了加密處理，以確保網(wǎng)格尺寸大小足夠反應流場的變化。網(wǎng)格采用六面體網(wǎng)格，同時壁面設置邊界層網(wǎng)格，總網(wǎng)格量約為530萬。計算域入口設置為速度入口邊界條件，速度為350/380/400 km/h 3種工況，出口為壓力出口邊界條件，列車外表面設置為壁面，采用k-ε湍流模型。

圖6 “蝶形”風阻制動裝置強度模態(tài)分析

“蝶形”風阻制動裝置提供的氣動力如表1所示。從表中可見，隨著車速的增加，制動板提供的阻力和升力均增加；相同速度下開啟60°制動板提供的氣動阻力略大于開啟75°，但制動板開啟75°的氣動升力比開啟60°減少了54%左右。

表1 “蝶形”風阻制動裝置制動板提供的氣動力

圖7顯示了列車中間截面(y=0)的速度矢量、速度和壓力云圖。從速度矢量圖可見，撞擊制動板前面的氣流在板的前和壁面間形成渦流并由側(cè)面順向流過，同時，氣流在制動板的上方躍起并加速，從制動板的端部順流形成分離剪切層。從速度云圖可見，順流制動板上部附近區(qū)域內(nèi)流體達到最大速度，從制動板四周端部的分離剪切層在制動板的后方形成渦流，隨后順向渦流崩潰、擴散并隨之在車頂壁面再附著，從而影響制動板后方很長距離內(nèi)的流場。因此，列車上布置多個風阻制動裝置時需要考慮制動板之間的串聯(lián)干涉。從壓力云圖可見，板上部區(qū)域的靜壓最大，制動板周圍的壓力場呈現(xiàn)由制動板向外輻射的特性，板前基本是正壓區(qū)，而板后近場區(qū)域為負壓區(qū)。

圖7 列車y=0截面

多套風阻制動裝置的制動力評估目的主要在評估風阻板之間的干涉作用。流場內(nèi)制動板附近粒子撞擊的流線圖和多套風阻制動裝置車頂布置時的速度云圖如圖8所示。從圖可見，由于制動板對空氣的阻擋作用，有的粒子撞擊制動板以后從板的側(cè)端經(jīng)過繞流到板的后方，有的粒子撞擊制動板以后則從板的上端經(jīng)過繞流到板的后方。無論粒子擾流路徑，氣流都在制動板后存在加速、減速、再加速的過程。從速度云圖可見，順流制動板上部附近區(qū)域內(nèi)流體達到最大速度，從制動板四周端部的分離剪切層在制動板的后方形成渦流，順向渦流的崩潰、擴散并隨之在車頂壁面再附著，制動板形成的渦流將影響制動板后方很長距離內(nèi)的流場。因此，速度云圖表明列車上布置多個風阻制動裝置制動板之間存在串聯(lián)干涉。

圖8 風阻制動裝置干涉計算

3 結束語

介紹了一種基于某型速度400 km/h高速列車開發(fā)的 “蝶形”風阻制動裝置， 綜合以上各部分分析的內(nèi)容，我們得到結論如下：

(1)相對傳統(tǒng)的風阻制動裝置，“蝶形”風阻制動裝置可以實現(xiàn)小型化、輕量化的設計目的，能夠較少的占用車體空間，且不會增加列車正常運行時的阻力。

(2)該型風阻制動裝置響應時間快，從接到制動指令到風阻板達到90%制動位角度的時間在1 s以內(nèi)，其響應時間小于空氣制動，可明顯減少列車空走距離。

(3)在速度350 km/h以上的工況，列車運行方向第一塊風阻板可產(chǎn)生2 kN以上的風阻制動力；在速度400 km/h時，列車運行方向第一塊風阻板可產(chǎn)生接近3 kN的風阻制動力。通過在車頂合理布置安裝多套風阻制動裝置，可以對列車緊急制動力給予可觀的補充。

(4)當車頂布置多套風阻制動裝置時，各制動板之間存在干涉現(xiàn)象，制動板之間距離越近，干涉現(xiàn)象越明顯，干涉作用越強。對于風阻制動裝置在高速列車運行流場中的布置方案和干涉問題，將在今后的工作中進一步深入研究。

綜上所述，文中提出的“蝶形”風阻制動裝置充分利用了高速列車行駛時的空氣制動力，質(zhì)量較輕，結構較簡單，通過在車頂合理布置，可將風阻制動力分散于整車，為列車緊急制動時提供可觀的制動力補充，從而達到減小緊急制動距離的目的。