列车风阻制动装置创新结构设计

滕世平 袁泉 王海棠

摘 要：风阻制动为列车传统的制动方式提供了一种辅助制动形式，在充分考虑限界情况下，创新设计出一套风阻制动装置，对称安装于列车车体两侧，不影响列车的正常运行，没有高压触电风险隐患，对钢轨、道床、桥梁等没有附加载荷，不仅结构简单，而且操纵方便。这种创新装置可为中高速列车或需要紧急制动的列车提供有效的辅助制动力，尤其当列车的运行速度较高时，更能体现其辅助制动效果的优势。

关键词：列车;风阻制动;结构设计

中图分类号： U271.91;TP203 文献标识码：A

0 引言

传统的列车制动形式是将基础制动装置产生的制动力传递到车轮轮周，在车轮踏面与钢轨表面接触区域，转换为车轮与钢轨之间的摩擦力，从而产生制动力使列车减速、停车或阻止其运动。车轮与钢轨之间的作用力与列车运行方向平行反向相反，其最大值为黏着力值。而黏着力与轮轨之间垂直载荷的比值为黏着系数。随着列车速度的提高，在列车动能呈平方关系增加的同时，车轮和钢轨之间的黏着系数反而下降，轮轨之间的制动力受限于下降的黏着系数，导致列车高速运动时制动力不足。传统的摩擦制动、动力制动等均属于黏着制动范畴，纯粹的黏着制动已经不能满足速度日益提高的动车组列车和高速机车制动需要。风阻制动装置作为一种不依赖于轮轨间黏着系数的制动方式，与磁轨制动、钢轨涡流制动等均属于非黏着制动范畴，因此研究风阻制动对未来高速列车制动具有重要意义。

1 风阻制动的工作原理

在我国高速铁路大发展的背景下，由于动车组列车的速度越来越高，其动能也越来越大，随之而来的是对列车制动能力的要求也逐步提高。而传统的制动方法，即依靠车轮和钢轨之间产生的黏着力进行制动的方式已经无法满足要求。因此相比于摩擦制动和动力制动产生的黏着制动，列车采用风阻制动装置，可以节省黏着资源，减少轮轨磨耗，降低动车组列车全生命周期维护成本。

列车运行空气阻力的计算公式如下：

其中：Fw为空气阻力，N;

v为列车速度，m/s;

A为迎风面积，m2;

Cw为风阻系数。

由此公式可以看出，空气阻力是关于列车速度和迎风面积的函数，在列车速度一定的情况下，适当增大迎风面积，可以增加空气阻力，从而对列车的黏着制动起到有效的辅助制动的作用。

2 风阻制动装置创新设计的布局及使用

当前国内外对高速列车风阻制动装置研究已有多年，大多数处于理论研究阶段，其中日本新干线FASTECH360Z型动车组列车及国内少数高速动车组有過试验安装，取得了一定成果。国内外一般的高速列车风阻制动装置安装于车体顶部，以伸缩式、折叠式为最为常见。现代高速动车组列车一般为采用接触网供电的电力动车组，接触网一般架设于电气化铁路区段钢轨上方，动车组通过安装于车顶的受电弓将接触网供电线的高压电能引入车内。伸缩式、折叠式两种风阻制动安装方式在制动时都需将制动板向上升起，容易侵入接触网限界，严重时会产生拉孤、闪络等破坏性放电，威胁动车组设备安全、乘客人身安全和运营生产安全;折叠式安装方式在制动时会对车体产生附加的向下压力，该附加压力通过车体向钢轨、道床、桥梁等产生附加载荷，对线路设备产生不利影响。为避免以上缺点，本文所述风阻制动装置对称安装在列车两侧，折叠后藏于车体侧墙内部，装置外表面与侧墙表面平齐。考虑到动车组列车可以双向运行的情况，将装置成对安装两个方向，即向前和向后，如图1所示。以此图为例，当列车行进中需要制动时，将隐藏于动车组车体左右两侧侧墙内的两对向前的风阻制动装置制动板打开，按照车速350 km/h、风阻系数为0.4、迎风面积为2 m*0.5 m、风阻装置与车体成45°夹角，根据列车运行空气阻力计算公式，可计算出每个风阻制动装置可提供的辅助制动力为668 N。

当动车组列车正常运行中或者低速状态下施加制动时，风阻制动装置是隐藏于车体两侧侧墙内部，只有当动车组列车在高速时需要施加制动并且需要提供辅助制动（如紧急制动）时，才有选择地打开部分或者全部数量的风阻装置的制动板进行辅助制动，当车速降低到风阻制动作用力不明显时，可将制动板收回后藏于车体侧墙内，恢复车体侧墙平整外观。

3 风阻制动装置的创新结构设计

风阻制动装置的创新结构方案可设计为单杆支撑方案（如图1）和双杆支撑方案（如图2），两种方案主要由风阻制动板、制动板座、气缸、支杆座等组成，区别在于对风阻制动板的支撑方式不同，图1为单气缸单杆支撑，图2为单气缸双杆支撑。通过操控气缸充排气产生活塞杆的伸缩动作，将风阻制动板打开或关闭，图2、图3均为装置闭合非工作状态。

图2中的气缸单杆支撑方案在工作时的状态如图4所示，此时风阻制动板打开的角度为45°，一节车厢按照对称安装四个风阻制动板计算，可为车体提供4 m2的风阻面积。

风阻制动板的尺寸要充分考虑车体尺寸及运行环境，尤其是进入隧道时的情况，参考机车车辆限界，可将长宽尺寸设计为2 m*0.5 m。

考虑到风阻影响，无论采用哪种方案，都要在支杆座内沿着风阻制动板宽度方向设计为上、下两个气缸同时动作，这样可以减少高速运行状态下采用风阻制动时制动板的晃动，增加其工作时的平稳性。

4 创新设计风阻制动装置的性能特点

本文所述创新设计的风阻制动装置与其它制动方式相比具有显著优点。首先，该风阻制动装置不存在黏着制动方式中的摩擦副，减少了对钢轨的摩擦损伤，延长了钢轨寿命，并且不会产生金属碎屑污染，减少了对轨道电路及轨旁设备的短路影响;其次，该风阻制动装置结构简单，使用中维护较少，全寿命周期成本LCC低;第三，该风阻制动装置与磁轨制动、涡流制动等其它类型的非黏着辅助制动形式相比，装置总重低，不会过多增加高速动车组列车附加重量;第四，该风阻制动装置工作时以压缩空气（或液压油）作为源动力，采用气缸（或液压缸）装置驱动，无电无磁，节能环保，并且对轨旁信号设备没有电磁干扰;第五，该风阻制动装置对称安装于车体两侧，由于制动时打开的制动板向车体两侧伸出，没有侵入车顶接触网限界风险，杜绝了高压触电安全隐患;第六，该风阻制动装置的制动板只产生向车体中心方向的附加水平分力，因没有垂向分力，对钢轨、道床、桥梁等没有附加载荷，不会影响线路平顺性，减少了高速铁路工务部门养护成本。

5 结语

综上所述，作为传统黏着制动的一种辅助制动方式，本文创新设计的风阻制动装置可以为需要紧急制动的高速动车组列车或高速机车提供有效的辅助制动力，在充分考虑限界情况下，将装置设置于车体两侧，不影响列车的正常运行。

该风阻制动装置结构简单，操纵方便，尤其当动车组列车的运行速度超过200 km/h时更能体现其辅助制动的效果优势，是值得未来高速轨道交通领域广泛采用的一种制动方式。

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