基于动车组的鳃式风阻制动装置的设计

赵炳旭， 刘军， 丁艳平

（大连科技学院机械工程系，辽宁 大连 116052）

0 引言

随着我国铁路大提速的不断进行，现在火车的速度已经由最初的40 km/h上升到如今的350 km/h。并且随着日后动车组技术的不断改进，车辆的运行速度有望进一步提升。在不断提速的过程中，依靠列车原有的闸瓦制动或者盘形制动方式，在突发情况之下短时间内实现列车的制动变得愈发困难，于是利用列车在高速运行之下的空气阻力帮助列车制动成为了一种主要的研究方向。

1 鳃式风阻制动装置的设计

1.1 风阻

风阻是指空气对运动物体的阻碍力，是运动物体受到空气的阻碍而产生的。汽车、船舶、铁路机车等在运行时，由于前面的空气被压缩，两侧表面与空气的摩擦，以及尾部后面的空间成为部分真空，这些作用所引起的阻力。

1.2 鳃式风阻制动装置的结构设计

该风阻制动装置安装于高速动车组两侧墙内，在不超出铁路机车车辆限界的前提下，对称布置于高速动车组车体两侧，依靠风能消耗高速动车组的能量，从而使高速动车组实现制动。在风阻制动板撑开工作时形似鲨鱼的鳃，故名鳃式风阻制动装置。

鳃式风阻制动装置的结构主要由气缸、风阻制动板、轴承、连杆等部分组成。利用动车组内部的电控首先实现对气缸的控制。通过气缸的伸缩，将运动传递到活塞杆上，再利用连杆装置的工作原理，实现风阻制动板的开启与闭合。图1、图2所示即为沿着动车组纵向方向（车体向左方运行）的俯视情况，其中图1为气缸活塞杆完全收缩时，风阻制动板与车体无缝衔接，图2为气缸活塞杆完全伸展时，风阻制动板打开的状态。

同时为了保证风阻制动板在打开后不会由于空气的强大阻力而发生倾斜或晃动，在内腔里设计了两个完全平行的气缸活塞装置，使得风阻制动板在工作中更加平稳可靠，如图3所示。

图1 风阻制动板闭合时

图2 风阻制动板开启时

图3 双气缸风阻制动装置

1.3 鳃式风阻制动装置的安置

鳃式风阻制动装置位于列车的两侧，在每一节车厢均匀分布有6个风阻装置。在列车正常运行的过程中，风阻装置处于闭合状态，其与车身相平行，使车身整体保持流线型的状态。当列车需要进行制动或者遇到紧急情况要求制动的时候，通过电力控制气缸的伸缩，利用轴承的转向以及杆的传递作用，使得风阻制动装置打开，对车体两侧的空气产生阻碍，产生空气阻力，从而加速列车的制动过程，即减小制动行程并缩短制动时间。布置如图4所示。

图4 鳃式风阻制动装置的布置

2 鳃式风阻制动装置的受力分析

2.1 空气阻力

以现在动车组运行的标准速度300 km/h为例，空气阻力的计算公式为

式中：FW表示空气阻力；V表示风的速度；A表示物体与空气的接触面积；CW表示风阻系数。

由所设计的风阻制动装置的几何尺寸（长为2 m，宽为0.5 m）及当风阻装置张开到最大角度后与车体所成角度为30°，同时考虑到在车体运行过程中，车体和风阻制动装置的表面均比较光滑，选择风阻系数为0.4，将数据代入上式中，得×1×sin30°×0.4=86N。此即为单个鳃式风阻制动装置所带来的辅助制动力，至于整个动车车体所获得的总辅助制动力大小取决于该制动装置的数量。

2.2 轴及其他零部件的受力

1）轴。所设计的轴直径D=15mm，材料选用的是在机械领域中较为普遍应用的高速钢。在所有的支撑轴中，与风阻制动装置通过静压轴承直接相连的轴所受到的力最大，故对其受力情况进行分析如下：

由于轴在整体的运动过程中，承受的压应力为

式中：W为压缩载荷；A为轴的横截面积。又因为整个风阻制动装置是由两根相同的杆共同支撑，所以W=86 N，A=πD2/4=1.8×10-4m2。将数值代入上式中，求得 σ=4.8MPa≤［σb］=450 MPa。可见轴的强度完全满足风阻制动装置的开启与闭合动作。

2）轴承。为了支撑回转轴零部件，采用滑动轴承中的静压轴承。静压轴承的阻尼系数大，启动转矩较小，在各类不同的滑动轴承中，其使用寿命和旋转精度都很高，非常适合用于风阻制动装置的开启与关闭动作。其尺寸由相应的轴确定。

3 鳃式风阻制动装置的三维应力应变分析

将设计完成后的风阻制动装置进行三维建模，导入有限元分析软件中，进行有限元网格的划分，得到的应力应变分析结果如图5、图6所示。

由图5可以看出，在列车正常运行的情况下，整个制动装置中，挡板的最外部以及杆的外端的应变最大，但并没有超过应变的临界值，仍然属于安全范围。

由图6可以看出，与制动板相连的轴所受应力最大，板、气缸等部分所受到的应力均很小，每个构件所受的应力均在疲劳极限之下，属于安全范围。

从图中可以看出与上述计算较为接近，说明本制动装置的结构尺寸的设计和材料的选取，均可以满足动车组的正常运行制动情况，确保了设计的合理性和正确性。

图5 应变图

图6 应力图

图7 流场仿真

4 鳃式风阻制动装置的三维流场数值模拟

将该制动装置导入流体分析模块中，设置相应的边界条件，模仿列车进行制动，风阻制动装置打开后周围空气流动状态的变化情况如图7所示。

由图7可以看出，当动车组达到最大速度时，风阻制动装置对空气的流场变化情况影响较大，但是并没有达到风速的最大值，使得整体的风速仍然在安全可控的范围之内，对车身以及风阻装置本身并没有过大的阻碍作用。

5 结语

鳃式风阻制动装置的结构简单，维修方便，无摩擦。更重要的是，随着绿色社会，低碳出行的理念深入人心，新的发明设计的出现必须要实现环境友好、资源节约的要求。而鳃式风阻制动装置利用空气阻力，实现了无污染、无摩擦，使用风能这种清洁能源作为工作介质，在列车的运行速度超过350 km/h之后的制动效果更加明显，是一种新型的清洁环保的高速动车组辅助制动方式。

［1］ NAKAMURA Y，牛爱成.日本 FASTECH360 的技术开发［J］.国外铁道车辆，2013（4）：4-9.

［2］ 田春，吴萌岭，朱洋永，等.空气动力制动风翼在车上布置数值仿真研究［J］.中国铁道科学，2012（3）：98-101.

［3］ 田春，吴萌岭，费巍巍，等.空气动力制动制动风翼纵向位置制动力规律［J］.同济大学学报（自然科学版），2011（5）：705-709.

［4］ 张建柏，彭辉水，倪大成，等.高速列车制动技术综述［J］.机车电传动，2011（4）：1-4.

［5］ 吴宗泽.机械设计课程设计手册［M］．北京：高等教育出版社，2006.

［6］ RAISON J，缪根欣.新一代高速列车的制动装置［J］.电力牵引快报，1999（1）：13-17.