李付星

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 機械工程學(xué)院,濟南 250353,E-mail:Saintlyboy@163.com;2.山東省機械設(shè)計研究院,濟南 250031)

從人類社會起源至今,人們的出行方式就在不斷更替變換,由早期的人力工具發(fā)展到現(xiàn)在的高速列車、飛機等,并且對于運行效率的提高還在不斷追求。此外,隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,人們的生活和工作節(jié)奏明顯加快,時間觀念也在不斷增強,對于出行質(zhì)量有了更高的要求,縮短在途旅行時間成為人們的強烈愿望[1]。高速列車作為現(xiàn)代社會重要的交通工具之一,其運行效率的高低對于增強鐵路運輸市場的競爭力,促進生產(chǎn)要素跨區(qū)域間的重新布局,以及加強區(qū)域間經(jīng)濟互補起著決定性作用[2]。為此,文章將從設(shè)計學(xué)的角度出發(fā),圍繞高速列車的運行速度、停站時長等因素展開研究,并對高速列車的可持續(xù)運行方式及具體結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新,從而達到提高其運行效率,增強人性化水平的目的。

1 早期提高運行效率的措施

在眾多影響高速列車運行效率的因素中,由于運行速度能夠發(fā)揮最直接的作用。為此,相關(guān)國家已從不同層面對提高列車運行速度的措施進行了大量研究[3],這為后續(xù)高速列車的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。

1.1 德國“齊柏林號”高速列車

“高速列車”這個概念并不是現(xiàn)代產(chǎn)物,早在第二次世界大戰(zhàn)之前,德國飛機工程師弗蘭茨·克魯肯伯格就發(fā)明了世界上第一臺“齊柏林號”高速列車。該列車外觀是類似于“齊柏林飛艇”的試驗性軌道車,其設(shè)計理念與后來美、蘇等國的高速列車一樣,都是通過加大馬力的方式來實現(xiàn)提速:直接將一臺活塞螺旋槳發(fā)動機安裝在列車上,并通過位于后部的驅(qū)動推進器提供動力源[4]?！褒R柏林號”高速列車在1931年6月的運行試驗中,以230.2 km/h的速度刷新了當(dāng)時汽油動力軌道車的行駛紀(jì)錄,也是世界上首臺時速突破200 km的列車。此外,該車還是世界上第一款采用流線造型的高速列車,這對于后來高速列車的造型設(shè)計產(chǎn)生重要影響,并被認為是現(xiàn)代子彈頭高速列車的原型,如圖1所示。

圖1 德國“齊柏林號”高速列車

1.2 美國“M-497黑甲蟲”高速列車

上個世紀(jì)60年代,紐約中央鐵道公司率先采用噴氣式發(fā)動機提供動力,研發(fā)了“M-497黑甲蟲”高速列車。該列車使用兩臺GE J47-19噴氣式發(fā)動機,在試驗專用軌道上駛出了295.60 km/h的速度,在當(dāng)時該運行速度震驚了整個世界[5]。此外,“M-497黑甲蟲”高速列車的頂部設(shè)計了兩個圓柱狀發(fā)動機,并在車頭部分進行了流線型處理,外觀上充滿著蒸汽朋克的夸張感,科幻效果超越“齊柏林號”高速列車,如圖2(a)所示。

圖2 美、蘇兩國早期的高速列車

1.3 蘇聯(lián)“SVL”高速列車

20世紀(jì)70年代左右,蘇聯(lián)是可以與美國匹敵的“超級大國”,這個浮夸的稱號不僅體現(xiàn)在兩國龐大的軍事實力方面,更體現(xiàn)在美、蘇兩國的科技實力上。當(dāng)美國研發(fā)出渦輪噴氣式“M-497黑甲蟲”高速列車之后,蘇聯(lián)方面也加快了研發(fā)進程,在蘇聯(lián)雅科夫列夫飛機設(shè)計局與蘇聯(lián)加里寧車輛制造廠的聯(lián)合攻關(guān)下,1970年蘇聯(lián)“SVL”高速試驗列車正式下線。蘇聯(lián)人在“SVL”高速列車的設(shè)計上延續(xù)了“戰(zhàn)斗民族”的風(fēng)格,不太注重過多的外界各種因素,完全用馬力來解決速度問題[6]。在“SVL”高速列車的頂部設(shè)計有兩臺伊夫琴科AN25噴氣式發(fā)動機,其產(chǎn)生的推力可達14.7 kN,能夠為高速列車提供足夠的動力源。“SVL”高速列車1971年駛出了190 km/h的速度,在經(jīng)過改進后于1972年運行速度達到了250 km/h,相較于美國“M-497黑甲蟲”高速列車在試驗軌道上的速度,蘇聯(lián)的“SVL”已成為真正意義上的高速列車了,如圖2(b)所示。

1.4 法國“氣懸浮列車”

1963年,法國工程師Jean Bertin根據(jù)氣墊船原理,提出了“氣懸浮列車”的構(gòu)想[7]。在經(jīng)過大量的研究和驗證后,終于在1974年制造出了全尺寸原型車,該列車在試驗中的平均速度為416km/h,最高運行速度能夠達到430 km/h,如圖3所示。

圖3 早期法國“氣懸浮列車”

盡管不同國家對于提高列車運行效率的措施進行了大量研究,但由于科技發(fā)展水平的制約,美國、蘇聯(lián)等國家研發(fā)的各種高速列車,最終并沒能推廣應(yīng)用,其主要原因是研發(fā)過程中缺少系統(tǒng)性考慮,忽略了人、高速列車與環(huán)境所構(gòu)成的人機系統(tǒng)。

首先,噴氣式發(fā)動機在運轉(zhuǎn)過程中會散發(fā)出巨大的熱量,這將導(dǎo)致其尾焰溫度非常高,并由于列車頭部的高溫環(huán)境而使駕駛員備受煎熬。為此,高速列車的車身需采用能夠阻隔熱量的材料,以減輕高溫環(huán)境對駕駛區(qū)域的不利影響;其次,噴氣式蝸輪發(fā)動機在運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生分貝較高的噪音,這將嚴(yán)重影響乘客及鐵路沿線居民的身心健康[8]。另外,由于列車駕駛員無法佩戴隔音耳罩,需承受強烈的噪音干擾,從而導(dǎo)致噴氣式列車駕駛員易出現(xiàn)嚴(yán)重的聽覺問題;最后,高速運行的列車對環(huán)境要求相對較高,以蘇聯(lián)2200萬平方公里的自然環(huán)境為例,幾乎涵蓋了地球上所有的地質(zhì)帶和氣候帶,雨雪、大風(fēng)、低溫等天氣條件將對列車的運行造成嚴(yán)重的不利影響。

因此,列車只是高速運行起來是不夠的,必須充分體現(xiàn)以人為中心的設(shè)計思想,將人的生理因素、心理因素,以及人-高速列車所處的環(huán)境作為一個系統(tǒng)進行考慮,從而確保在滿足人的生理、心理需求同時,并使高速列車安全、穩(wěn)定的運行。

2 現(xiàn)代提高運行效率的措施

2.1 中國高速列車的發(fā)展

隨著中國科技水平的提高和經(jīng)濟實力的不斷增強,高速列車的研發(fā)水平得到飛速發(fā)展。從1997年到2007年的十年間,中國通過線路升級改造等措施先后對列車實施了六次大提速[9],并使列車的運行速度由140 km/h逐步提高到250 km/h。然而,對于高速列車提高運行效率措施的研究并沒有止步。2011年CRH380B/BL型“和諧號”高速列車投入商業(yè)運營,其最高運行速度可達350 km/h;2012年“復(fù)興號”高速列車正式啟動研發(fā),該列車的最高運行速度350 km/h,最高試驗速度達到385 km/h;2016年,“復(fù)興號”又以超過420 km/h的速度在鄭、徐高鐵上交匯,創(chuàng)造了高速列車交匯速度的世界新紀(jì)錄,如圖4所示。

圖4 中國的高速列車

另外,隨著磁懸浮技術(shù)的發(fā)展,高速列車的運行速度得到跨越式提高。2018年,由中車四方股份有限公司牽頭承擔(dān)的“600 km/h高速磁浮交通系統(tǒng)技術(shù)方案”通過專家評審。該高速磁懸浮列車主要利用電磁力技術(shù),從而達到高速列車與軌道間無接觸懸浮和導(dǎo)向的目的,并利用磁懸浮電機的電磁力牽引列車運行[10]。此外,根據(jù)高速磁懸浮列車的運行環(huán)境,提出了滿足氣動性能要求的新型列車頭設(shè)計方案,從而更好地解決了超高速條件下的空氣動力學(xué)問題。因此,600 km/h高速列車的研發(fā),將填補高速鐵路與航空運輸之間的速度空白,如圖5所示。

圖5 中國高速磁懸浮列車

2.2 國外高速列車的發(fā)展

國外高速列車發(fā)展相對較早,技術(shù)也比較成熟,尤其以日本的高速列車為典型代表。上個世紀(jì)60年代,日本政府為了迎接?xùn)|京奧運會的召開,建成了人類歷史上第一條高速鐵路-新干線,成為首個開通高鐵運營且大規(guī)模應(yīng)用的國家,并以210 km/h的運行速度開啟了高速鐵路商業(yè)運營的里程碑。此后,日本又依托先進的高速列車技術(shù),陸續(xù)研發(fā)了E系列、T系列等高速列車,使最高運行速度達到320 km/h。另外,日本方面為增強高鐵的市場競爭力,東日本鐵路公司為新干線開發(fā)的下一代ALFA-X高速列車,計劃于2030年以360 km/h的速度載客運營[11],如圖6所示。

圖6 日本高速列車

法國是世界上第二個運營高鐵的國家,1989年TGV高速列車的最高運行速度為300 km/h,1991年則創(chuàng)下了515.3 km/h的試驗速度,從而開創(chuàng)了歐洲高速鐵路應(yīng)用的新局面;德國的ICE作為第一代高速旅客列車,1991年投入商業(yè)運行時速度已達320 km/h,其白色車身和紅色絲帶涂裝設(shè)計是其典型的標(biāo)志[12]。此外,ICE3的衍生型號都被歸為西門子旗下Velaro系列,其中,最具典型代表性的是“歐洲之星E320”高速列車,其在2016年運行時速度已達330 km/h,如圖7、圖8所示。

圖7 德國ICE1高速列車

圖8 “歐洲之星E320”高速列車

2.3 未來發(fā)展趨勢

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,面向未來的高速列車,已采用顛覆性技術(shù)以追求更高的運行速度,如:日本的超導(dǎo)磁懸浮列車、美國的超級高鐵等。2014年日本政府正式批準(zhǔn)建設(shè)“磁懸浮中央新干線”,計劃2027年以500 km/h的速度運營。由此,超導(dǎo)磁懸浮列車將成為(400～800)km/h區(qū)間高速列車發(fā)展的主流方向。但是,由于其巨大的耗電量已成為制約其發(fā)展的重要因素,如圖9所示。

圖9 日本新型高速列車

此外,歐洲許多國家也正在進行未來超高速列車的研發(fā),如:德國航空航天中心開展的NGT新一代高速列車項目,其設(shè)計最高運行速度為440 km/h;英國計劃在未來15年內(nèi)研發(fā)出新型“水星號”高速列車,該車的整體造型設(shè)計具有很強的未來感,并且其流線型的車身設(shè)計完美符合空氣動力學(xué)要求,可以保證高速列車以380 km/h的速度安全運行;法國初創(chuàng)公司SPACETRAN正在研發(fā)氣墊懸浮高速列車,主要利用動力強勁的航空發(fā)動機在軌道上噴射壓縮空氣,并通過地面管道效應(yīng)使列車底部與軌道之間形成氣墊,列車在氣墊的作用下懸浮在軌道上,再用安裝在列車后部的渦輪發(fā)動機推動前進,這樣就消除了傳統(tǒng)列車輪軌間的摩擦阻力,從而提高列車的運行速度。該氣墊懸浮高速列車預(yù)計2025年將以540 km/h的平均速度運行,最高運行速度可達720 km/h,如圖10所示。

圖10 歐洲新型高速列車

2013年“科技狂人”馬斯克提出時速可達1 220 km超級高鐵(Hyper loop)的設(shè)計方案,從而引發(fā)全球新一輪超級高鐵的競逐熱潮;中國航天科工集團則在2017年的“商業(yè)航天高峰論壇”上對外宣布,將利用超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)和真空管道技術(shù),建設(shè)4 000 km/h的“高速飛行列車”項目,以提高列車的運行效率和增強市場競爭力。由此可知,高速列車采用超高的運行速度,將使運行效率得到極大地提高,但由此也將造成制約其方案實施的各種因素,如圖11所示。

圖11 未來超級高鐵

3 提高運行效率的約束因素

目前,盡管已有各種提高列車運行速度的措施,但試驗速度與實際運行速度間存在較大的差距。如:法國研發(fā)的高速列車在測試階段的最高運行速度可達575 km/h,但由于高速鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)等的限制,其實際最高運行速度僅為(250～350)km/h;德國研發(fā)的磁懸浮列車Trans rapid,在試驗階段的運行速度為(450～500)km/h,但出于節(jié)約能源消耗等原因,其實際的運行速度僅為300 km/h。此外,2003年日本MLX01磁懸浮列車創(chuàng)造了581 km/h的試驗紀(jì)錄,由于成本等原因并未投入運營。因此,對于超高速列車在運行過程中存在以下約束性因素:

(1) 乘客運量少。高速列車為了保證其運行速度,就需要大幅減少乘客數(shù)量,以減輕整個車體的重量。以美國超級高鐵(Hyper loop)為例,其容量僅為常規(guī)運輸系統(tǒng)的3%～5%;

(2) 線路標(biāo)準(zhǔn)高。高速列車較高的運行速度要求線路豎曲線半徑非常平緩,以保證其運行的安全性和舒適性,這除了加大線路的施工難度外,還將導(dǎo)致建設(shè)成本的增加;

(3) 安全性較差。高速列車在突發(fā)狀況下緊急制動時,極易發(fā)生車毀人亡的情況,并且在其運行管道上僅設(shè)置少量的緊急出口,缺少完備的安全和應(yīng)急措施;

(4) 體驗性不佳。高速列車極大的運行加速度和制動減速度,對于未經(jīng)專門訓(xùn)練的乘客將產(chǎn)生較差的乘坐體驗,尤其對于老年人、嬰幼兒等弱勢群體,將由于較高的加/減速度而發(fā)生意外;

(5) 能量消耗多。高速列車由于受制于空氣阻力、輪軌黏著和蛇行失穩(wěn)等因素的影響,能量消耗和機械磨損將隨著速度的提高而顯著增大,即:列車運行速度越快,所消耗的能量就越多。當(dāng)高速列車以400 km/h運行時,每百公里人均能量消耗較350 km/h運行時增加約30%左右,從而導(dǎo)致其運行速度很難經(jīng)濟性的大幅提高。

總之,對于超級高鐵而言,由于其空氣壓縮機的作用,膠囊和管道中積聚的熱量會導(dǎo)致其它舒適性、安全性等問題。因此,要實現(xiàn)真空超高速磁懸浮列車,需攻關(guān)眾多關(guān)鍵的技術(shù),如:乘客換乘車站內(nèi)真空與常壓的轉(zhuǎn)換;真空管道環(huán)境中乘客應(yīng)急疏散與救援;真空管道散熱的安全、舒適環(huán)境等,如圖12所示。

圖12 乘客量少等局限

4 TRIZ理論體系及應(yīng)用流程

4.1 TRIZ理論體系構(gòu)成

在對產(chǎn)品進行創(chuàng)新設(shè)計時,理想功能的提出,將導(dǎo)致產(chǎn)品構(gòu)成系統(tǒng)的惡化,具體表現(xiàn)為系統(tǒng)中兩/多種產(chǎn)品構(gòu)成要素間的沖突。對此,將基于TRIZ理論的沖突解決原理,進行產(chǎn)品功能的創(chuàng)新設(shè)計。TRIZ理論是綜合多學(xué)科領(lǐng)域的原理和法則所形成的理論體系,其核心思想為:通過對產(chǎn)品改進過程中各種技術(shù)沖突和矛盾的解決,實現(xiàn)產(chǎn)品功能的不斷優(yōu)化。因此,利用TRIZ理論的沖突解決原理進行產(chǎn)品創(chuàng)新時,需通過對產(chǎn)品功能的分析,先指出所改進產(chǎn)品的理想功能和不利因素,即確定出存在的技術(shù)沖突,再進行產(chǎn)品的設(shè)計[13]。

基于TRIZ創(chuàng)新理論進行技術(shù)沖突的解決過程,主要包括:產(chǎn)品功能的分析、技術(shù)沖突的確定、矛盾沖突解決矩陣的構(gòu)建、創(chuàng)新原理的確定等過程。首先,在提出產(chǎn)品改進后理想功能的同時,需分析由此所產(chǎn)生的不利因素,從而確定出其存在的技術(shù)沖突;其次,將確定出的技術(shù)沖突轉(zhuǎn)化為TRIZ理論中對應(yīng)的工程參數(shù),將改善參數(shù)與惡化參數(shù)構(gòu)成矛盾沖突解決矩陣,并從中選擇相應(yīng)的發(fā)明原理[14];最后,根據(jù)發(fā)明原理所體現(xiàn)出的創(chuàng)新思路,利用已積累的知識和以往的實踐經(jīng)驗,提出技術(shù)沖突的最佳解決方案。如果按照上述過程無法得到相應(yīng)的發(fā)明原理,說明前期對于產(chǎn)品功能的分析不客觀,導(dǎo)致確定出的技術(shù)沖突不合理[15]。對此,需轉(zhuǎn)換角度重新進行技術(shù)沖突的確定,以構(gòu)成新的矛盾沖突解決矩陣,如圖13所示。

圖13 TRIZ創(chuàng)新理論應(yīng)用流程

4.2 TRIZ理論的實踐應(yīng)用

(1) 高速列車運行過程分析

高速列車提高運行效率能夠帶來明顯的經(jīng)濟和社會效益,推動著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展。但是,由于常規(guī)運行的高速列車需要不斷地停車靠站,車速將從幾百千米每小時逐步減至零;當(dāng)列車開動時,車速又需從零起步逐漸加速,整個過程將耗費大量的時間,使得經(jīng)過努力提高的列車速度無形之中打了折扣。此外,在始發(fā)站與終點站距離一定的情況下,由于列車停站前后的一系列操作:打開/關(guān)閉氣閘、列車駛進站臺、打開/關(guān)閉密封車門、乘客上/下車等,將導(dǎo)致列車的運行時間大幅增加;另外,由于高速線路提速的限制,列車?？康恼军c不能布局太近,沿線站點的數(shù)量也就無法設(shè)置過多,這就造成了高鐵沿線線路資源的浪費。對于乘客而言,需要從各分散的地點集中到達高速列車?？空?并且下車后需再分散回到各自目的地。因此,整個的乘車與下車之后過程給乘客造成諸多的不便,如圖14所示。

圖14 當(dāng)前列車的局限性

(2) 技術(shù)沖突的確定

通過對國內(nèi)外高速列車提高運行效率措施的分析可知,其主要通過采取優(yōu)化車頭造型、增大馬力、真空磁懸浮等措施來不斷提高列車的運行速度。上述措施除了能造成前面提到的各種局限性外,還將導(dǎo)致高速列車在運行過程中面對逐步增大的壓力和壓強,并造成運行的可靠性降低等問題,存在嚴(yán)重的安全隱患,一旦發(fā)生事故將造成毀滅性的后果。因此,針對高速列車運行過程中存在的問題,就構(gòu)成了“列車運行速度的提高”與“壓力和壓強增大”、“運行的可靠性降低”等技術(shù)沖突,將其轉(zhuǎn)化為TRIZ理論中對應(yīng)的39個通用工程參數(shù),即:

15.運動物體的作用時間:物體完成規(guī)定動作的時間、服務(wù)期等。(改善的通用工程參數(shù))

11.壓力和壓強:指單位面積上的作用力;

27.可靠性:系統(tǒng)在規(guī)定的方法和狀態(tài)下完成設(shè)定功能的能力[16]。(惡化的通用工程參數(shù))

(3) 發(fā)明原理的確定

對改進高速列車運行方式過程中所構(gòu)成的技術(shù)沖突,利用TRIZ理論提供的矛盾沖突解決矩陣,將得到解決技術(shù)沖突對應(yīng)的發(fā)明原理,如表1所示。

表1 矛盾沖突解決矩陣(部分)

根據(jù)改善工程參數(shù)與惡化工程參數(shù)所構(gòu)成的矛盾沖突解決矩陣,得到對應(yīng)的發(fā)明原理:2號、3號、11號、13號、19號、27號。

2號 抽取/分離原理:從整個系統(tǒng)中抽出不利或有益的部分、屬性。

3號 局部質(zhì)量原理:將物體或外部介質(zhì)、作用的一致性過渡到不一致;物體的各部分處于各自動作的最佳狀態(tài);物體的不同部分應(yīng)當(dāng)具有不同功能。

11號 預(yù)置防范原理:采用事先準(zhǔn)備好的應(yīng)急措施,對系統(tǒng)進行相應(yīng)的補償,以提高其可靠性。

13號 反向作用原理:采用與原先相反的方式達到相同的效果;

19號 周期性作用原理:以周期性動作代替連續(xù)性的動作;

27號 替代原理:用廉價的物體代替昂貴物體,降低某些屬性要求,仍可實現(xiàn)相同功能。

針對高速列車要解決的運行效率問題,對得到的發(fā)明原理進行篩選,最終選擇出2號、19號發(fā)明原理作為創(chuàng)新的依據(jù),并根據(jù)發(fā)明原理所提供的思路,對高速列車進行設(shè)計實踐,如表2所示。

表2 發(fā)明原理的確定

2號抽取/分離原理:為了方便某站點的乘客上、下車,可根據(jù)乘客的數(shù)量,將相關(guān)人員提前集中于某幾節(jié)車廂中,并將該車廂從列車中單獨分離出來;

19號周期性作用原理:根據(jù)列車不同的?？空军c,將上下乘客的車廂周期性的與列車主體進行分離、接合,從而提高列車運行的高效性與乘客上下車的便捷性。

(4) 高速列車方案的構(gòu)思

針對高速列車停車靠站耽誤時間的問題,提出了高速列車可持續(xù)運行的模式,以減少在高鐵沿線中間站點停靠的時間耗費。然而,上述過程將導(dǎo)致乘客無法上下列車,滿足不了出行的要求。對此,通過引入接送車的方式,以確保乘客在沿線站點的上下車過程。針對高速列車一直處于持續(xù)運行的狀態(tài),這就要求接送車能夠沿著軌道運行,并通過與高速列車在相應(yīng)站點對接、分離的動態(tài)調(diào)整,從而實現(xiàn)對乘客的接送任務(wù)。此外,考慮到接送車需在軌道與地面不同的環(huán)境中運行,為增強其復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性,則對其車輪結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計。為了實現(xiàn)對高速列車與接送車在對接、分離過程中的控制,確保人員和列車的安全,對其組合、分離結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計,高速列車相應(yīng)的構(gòu)思方案,如圖15所示。

圖15 高速列車創(chuàng)新構(gòu)思

4.3 具體設(shè)計方案

(1) 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了能夠在短時間內(nèi),快速有效達到提高列車運行效率的目的,同時又避免給乘客造成不必要的麻煩,并減少對社會交通資源造成浪費。根據(jù)經(jīng)綜合分析提出的創(chuàng)新思路,設(shè)計出了可持續(xù)運行的高速列車,從而達到從始發(fā)站到終點站不間斷運行的目的。具體結(jié)構(gòu)包括:1.高速列車道;2.高速列車;2-1.高速列車車門;2-2.高速列車對接口;3.接送車;3-1.接送車車門;3-2.接送車對接口;4.接送車道;4-1.接送車道道床;5.地面行駛車輪;6.道軌行駛車輪;7.高速列車道支撐梁柱;7-1.接送車道支撐梁柱;8.接送車道道軌,如圖16所示。

圖16 整體結(jié)構(gòu)示意圖

(2) 兩車的對接口結(jié)構(gòu)

為了使高速列車與接送車能夠安全、可靠的進行對接,在兩列車體的側(cè)面分別對應(yīng)設(shè)計有車門和對接口;高速列車對接口內(nèi)部設(shè)計有一個直筒式的2-3.定位銷孔;接送車的對接口則由3-3.安全鎖定銷、3-4.止動裝置、3-5.定位銷彈簧和3-6.回撤把等組成。

高速列車與接送車的具體對接過程為:①當(dāng)高速列車到達停靠站點附近時,接送車便駛上與高速列車車道等高的接送車道道軌,在保持與高速列車等高的同時,并確保運行速度同步一致;②接送車將止動裝置的安全定位銷插入到高速列車對接口的定位銷孔內(nèi),從而使接送車與高速列車?yán)喂痰逆i定后并繼續(xù)同步運行;③同步打開高速列車與接送車的車門,即可進行兩車乘客上、下車的雙向活動,等乘客完成在兩車內(nèi)的位置互換后,接送車再通過回撤把將安全定位銷縮回到止動裝置上,從而實現(xiàn)高速列車與接送車車體的分離;④高速列車?yán)^續(xù)向前運行,而接送車則減速運行直至脫離接送車車道,到達乘客目的地?？空军c,如圖17所示。

圖17 兩車對接過程

(3) 接送車的車輪結(jié)構(gòu)

為了使接送車既能在普通道路上行駛,又可以在接送車車道上運行。因此,對接送車的車輪結(jié)構(gòu)進行了創(chuàng)新,主要的設(shè)計內(nèi)容為:該接送車的車輪由安裝在同一傳動軸上大、小兩種直徑的行駛車輪組成,其中大直徑的車輪適用于常規(guī)地面行駛,而小直徑的車輪則適合于道軌上運行。當(dāng)接送車?yán)么笾睆杰囕喸诘孛嫔闲旭倳r,其小直徑道軌行駛車輪的外徑便與地面形成高度差,保持與地面適當(dāng)?shù)木嚯x,并且僅伴隨著傳動軸空轉(zhuǎn);當(dāng)接送車?yán)眯≈睆杰囕喸诘儡壣线\行時,由于接送車道道軌高于地面,因而能夠?qū)⒋笾睆杰囕啈铱斩慌c車道接觸。通過上述過程,接送車便可實現(xiàn)利用大、小兩種直徑的行駛車輪,在地面與接送車道道軌上進行運行狀態(tài)的自如轉(zhuǎn)換,如圖18、圖19所示。

圖18 輪軌結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖19 地面/軌道環(huán)境中運行狀態(tài)

(4) 高速列車的道軌結(jié)構(gòu)

可持續(xù)運行高速列車系統(tǒng)由以下部分構(gòu)成:在高速列車軌道的旁邊,平行鋪設(shè)有一條接送車道;接送車道設(shè)置有從地面開始緩坡上升的接送車道道軌與接送車道道床,上升到與高速列車軌道等高且平行;接送車道的另一端,則從與高速列車軌道相等的高度,緩坡下降至與地面平齊。首先,當(dāng)旅客需要乘坐高速列車或到達站點時,可根據(jù)站點上、下車乘客的數(shù)量,提前將相關(guān)人員集中于某節(jié)/幾節(jié)車廂中,并在高鐵沿線設(shè)置的?？空军c附近登上接送車;其次,接送車再經(jīng)設(shè)定好的時間沿著斜坡運行至接送車車道,在與高速列車等高、等速且平行時,進而完成高速列車與接送車的對接;打開高速列車與接送車對應(yīng)的車門后,實現(xiàn)兩車中乘客上、下車的雙向活動;最后,利用對接結(jié)構(gòu)實現(xiàn)兩車的分離,遠行的旅客乘坐高速列車?yán)^續(xù)前行,而終點站旅客則乘坐接送車沿著斜坡回到地面?？空军c,以此來提高列車運行的高效性與乘客上、下車的便捷性。此外,可利用大數(shù)據(jù)技術(shù),系統(tǒng)分析不同站點在不同時間段上、下車乘客的數(shù)量,并有針對性的增加或減少接送車車廂數(shù)量,以提高高速列車的運行效率,如圖20所示。

圖20 高速列車持續(xù)運行過程

5 模擬仿真分析

為了驗證可持續(xù)運行高速列車的可行性,將基于ANSYS仿真軟件進行氣動特性的研究。設(shè)定的仿真模擬條件為:高速列車在平直軌道、明線、非會車工況下,以及靜止風(fēng)環(huán)境、周圍空曠等特定條件下單向勻速行駛;接送車將先沿著接送車道高速追趕高速列車,其后兩車以相同的速度平行運行,其它運行環(huán)境與高速列車基本一致[17]。通過仿真計算兩車接合后的氣動阻力分布情況,從而為可持續(xù)運行高速列車的設(shè)計迭代提供參考依據(jù)。

5.1 列車的氣動阻力仿真計算

(1) 模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)列車氣動特性數(shù)值研究背景,以所設(shè)計的可持續(xù)運行高速列車為研究對象,建立了數(shù)值計算物理模型,高速列車長約123 m,頭尾車長約41.27 m,寬約3.4 m,高約3.2 m;接送車長約75 m,頭尾車長約25 m,寬約3.4 m,高約3.2 m。利用數(shù)值計算前處理軟件對列車模型進行離散處理,共得到985.72萬體網(wǎng)格為六面體結(jié)構(gòu)和四面體結(jié)構(gòu)組成的混合網(wǎng)格[18],如圖21所示。

圖21 列車氣動特性計算模型

(2) 模擬仿真計算條件

設(shè)定高速列車行駛速度為280 km/h;接送車的運行速度則為300 km/h,隨后以280 km/h運行。除地面以外計算域邊界均為壓力入口和壓力出入口,所有地面設(shè)置為wall,計算模型選用雙精度、非穩(wěn)態(tài)進行迭代計算,非穩(wěn)態(tài)計算時間步長等于0.000 5 s,每個時間步長內(nèi)迭代20次。

(3) 模擬仿真計算結(jié)果

通過計算得到高速列車的阻力系數(shù)等于-5.08×104,接送車的阻力系數(shù)等于-7.82×104;高速列車與接送車組合后的阻力系數(shù)等于-1.29×105。由于設(shè)定高速列車長度為123 m,接送車的長度為75 m,根據(jù)阻力系數(shù)的結(jié)果可以得到,車體的大小和阻力系數(shù)成正比,車體越大阻力系數(shù)越大,高速列車與接送車組合后阻力系數(shù)為兩個車體阻力系數(shù)之和,從而滿足設(shè)定的兩車組合后穩(wěn)定性要求,如圖22所示。

圖22 兩車阻力變化曲線

5.2 運行列車車體壓力等的分布

為了獲得高速列車與接送車組合后的運行狀況,通過對兩車車體表面的壓力分布、速度分布等情況進行仿真,以驗證其運行的安全性、可靠性要求[19]。對此,分別設(shè)定0.1 s、0.3 s兩個時間節(jié)點進行模擬,從中得到各時刻車頭的壓力和風(fēng)速均最大,最大壓力值均超過3 500 Pa,空氣流速均大于50 m/s;不同時刻車體表面壓力分布均從車頭處向車身降低,車身壓力分布均勻,壓力大小在-200 Pa到200 Pa之間。另外,從兩種時刻車體截面速度分布云圖可以得到,隨著運行時間的增加車體外流場逐漸穩(wěn)定,尾波的影響區(qū)域也逐漸增大[20],當(dāng)車體連續(xù)運行0.3 s后,車體尾波逐漸發(fā)展成射流狀,氣流分布逐漸穩(wěn)定,符合穩(wěn)定性、安全性的要求,如圖23所示。

圖23 0.3 s后車體壓力、速度分布

總之,通過高速列車與接送車的對接口結(jié)構(gòu)、接送車的車輪及道軌結(jié)構(gòu)等的設(shè)計,將達到高速列車從始發(fā)站到終點站持續(xù)運行的目的,并且始終不需要?？咳魏握军c。所設(shè)計的可持續(xù)運行高速列車系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡單,其不僅能夠使乘客上、下車的站點數(shù)量大幅增加,甚至還可以實現(xiàn)隨時隨地的上、下車,這將極大地節(jié)省在途旅程時間,增強旅客乘坐高速列車時的便捷性。因此,針對所設(shè)計的可持續(xù)運行模式,將是高速列車提高運行效率的新開始,如圖24所示。

圖24 高速列車運行狀態(tài)

6 結(jié)論

該研究從設(shè)計學(xué)的角度出發(fā),以提高高速列車的運行效率為研究的切入點。通過分析現(xiàn)有高速列車在提高運行效率過程中存在的局限性,基于TRIZ創(chuàng)新理論提出了高速列車的可持續(xù)運行模式,對高速列車的對接結(jié)構(gòu)、車輪結(jié)構(gòu)及道軌結(jié)構(gòu)等進行了創(chuàng)新設(shè)計,并基于ANSYS軟件對可持續(xù)運行列車的氣動阻力與車體表面壓力等進行了模擬仿真,以驗證列車設(shè)計方案的可行性,從而使高速列車達到可持續(xù)運行不?？康哪康?這在增強高速列車運行效率的同時,并為旅客提供了便捷性。此外,所設(shè)計的可持續(xù)運行高速列車,將是基于現(xiàn)有成熟的高速列車技術(shù),能夠較好地解決運行過程中所產(chǎn)生的熱量、噪聲及各種復(fù)雜的自然環(huán)境等問題。另外,由于高速列車在運行過程中涉及的影響因素較多,該研究只是對高速列車的氣動阻力與車體表面壓力進行簡單的仿真分析,對于高速列車的頭部造型、空氣動力整流罩等將作為后續(xù)研究的內(nèi)容。因此,針對所設(shè)計的可持續(xù)運行高速列車,將來可向智能化方向繼續(xù)深入研究,以不斷提高其人性化水平。