面向可持续运行的高速列车设计方法

李付星

(1.齐鲁工业大学(山东省科学院) 机械工程学院,济南 250353,E-mail:Saintlyboy@163.com;2.山东省机械设计研究院,济南 250031)

从人类社会起源至今,人们的出行方式就在不断更替变换,由早期的人力工具发展到现在的高速列车、飞机等,并且对于运行效率的提高还在不断追求。此外,随着社会经济的快速发展,人们的生活和工作节奏明显加快,时间观念也在不断增强,对于出行质量有了更高的要求,缩短在途旅行时间成为人们的强烈愿望[1]。高速列车作为现代社会重要的交通工具之一,其运行效率的高低对于增强铁路运输市场的竞争力,促进生产要素跨区域间的重新布局,以及加强区域间经济互补起着决定性作用[2]。为此,文章将从设计学的角度出发,围绕高速列车的运行速度、停站时长等因素展开研究,并对高速列车的可持续运行方式及具体结构进行创新,从而达到提高其运行效率,增强人性化水平的目的。

1 早期提高运行效率的措施

在众多影响高速列车运行效率的因素中,由于运行速度能够发挥最直接的作用。为此,相关国家已从不同层面对提高列车运行速度的措施进行了大量研究[3],这为后续高速列车的发展奠定了重要基础。

1.1 德国“齐柏林号”高速列车

“高速列车”这个概念并不是现代产物,早在第二次世界大战之前,德国飞机工程师弗兰茨·克鲁肯伯格就发明了世界上第一台“齐柏林号”高速列车。该列车外观是类似于“齐柏林飞艇”的试验性轨道车,其设计理念与后来美、苏等国的高速列车一样,都是通过加大马力的方式来实现提速:直接将一台活塞螺旋桨发动机安装在列车上,并通过位于后部的驱动推进器提供动力源[4]。“齐柏林号”高速列车在1931年6月的运行试验中,以230.2 km/h的速度刷新了当时汽油动力轨道车的行驶纪录,也是世界上首台时速突破200 km的列车。此外,该车还是世界上第一款采用流线造型的高速列车,这对于后来高速列车的造型设计产生重要影响,并被认为是现代子弹头高速列车的原型,如图1所示。

图1 德国“齐柏林号”高速列车

1.2 美国“M-497黑甲虫”高速列车

上个世纪60年代,纽约中央铁道公司率先采用喷气式发动机提供动力,研发了“M-497黑甲虫”高速列车。该列车使用两台GE J47-19喷气式发动机,在试验专用轨道上驶出了295.60 km/h的速度,在当时该运行速度震惊了整个世界[5]。此外,“M-497黑甲虫”高速列车的顶部设计了两个圆柱状发动机,并在车头部分进行了流线型处理,外观上充满着蒸汽朋克的夸张感,科幻效果超越“齐柏林号”高速列车,如图2(a)所示。

图2 美、苏两国早期的高速列车

1.3 苏联“SVL”高速列车

20世纪70年代左右,苏联是可以与美国匹敌的“超级大国”,这个浮夸的称号不仅体现在两国庞大的军事实力方面,更体现在美、苏两国的科技实力上。当美国研发出涡轮喷气式“M-497黑甲虫”高速列车之后,苏联方面也加快了研发进程,在苏联雅科夫列夫飞机设计局与苏联加里宁车辆制造厂的联合攻关下,1970年苏联“SVL”高速试验列车正式下线。苏联人在“SVL”高速列车的设计上延续了“战斗民族”的风格,不太注重过多的外界各种因素,完全用马力来解决速度问题[6]。在“SVL”高速列车的顶部设计有两台伊夫琴科AN25喷气式发动机,其产生的推力可达14.7 kN,能够为高速列车提供足够的动力源。“SVL”高速列车1971年驶出了190 km/h的速度,在经过改进后于1972年运行速度达到了250 km/h,相较于美国“M-497黑甲虫”高速列车在试验轨道上的速度,苏联的“SVL”已成为真正意义上的高速列车了,如图2(b)所示。

1.4 法国“气悬浮列车”

1963年,法国工程师Jean Bertin根据气垫船原理,提出了“气悬浮列车”的构想[7]。在经过大量的研究和验证后,终于在1974年制造出了全尺寸原型车,该列车在试验中的平均速度为416km/h,最高运行速度能够达到430 km/h,如图3所示。

图3 早期法国“气悬浮列车”

尽管不同国家对于提高列车运行效率的措施进行了大量研究,但由于科技发展水平的制约,美国、苏联等国家研发的各种高速列车,最终并没能推广应用,其主要原因是研发过程中缺少系统性考虑,忽略了人、高速列车与环境所构成的人机系统。

首先,喷气式发动机在运转过程中会散发出巨大的热量,这将导致其尾焰温度非常高,并由于列车头部的高温环境而使驾驶员备受煎熬。为此,高速列车的车身需采用能够阻隔热量的材料,以减轻高温环境对驾驶区域的不利影响;其次,喷气式蜗轮发动机在运转过程中会产生分贝较高的噪音,这将严重影响乘客及铁路沿线居民的身心健康[8]。另外,由于列车驾驶员无法佩戴隔音耳罩,需承受强烈的噪音干扰,从而导致喷气式列车驾驶员易出现严重的听觉问题;最后,高速运行的列车对环境要求相对较高,以苏联2200万平方公里的自然环境为例,几乎涵盖了地球上所有的地质带和气候带,雨雪、大风、低温等天气条件将对列车的运行造成严重的不利影响。

因此,列车只是高速运行起来是不够的,必须充分体现以人为中心的设计思想,将人的生理因素、心理因素,以及人-高速列车所处的环境作为一个系统进行考虑,从而确保在满足人的生理、心理需求同时,并使高速列车安全、稳定的运行。

2 现代提高运行效率的措施

2.1 中国高速列车的发展

随着中国科技水平的提高和经济实力的不断增强,高速列车的研发水平得到飞速发展。从1997年到2007年的十年间,中国通过线路升级改造等措施先后对列车实施了六次大提速[9],并使列车的运行速度由140 km/h逐步提高到250 km/h。然而,对于高速列车提高运行效率措施的研究并没有止步。2011年CRH380B/BL型“和谐号”高速列车投入商业运营,其最高运行速度可达350 km/h;2012年“复兴号”高速列车正式启动研发,该列车的最高运行速度350 km/h,最高试验速度达到385 km/h;2016年,“复兴号”又以超过420 km/h的速度在郑、徐高铁上交汇,创造了高速列车交汇速度的世界新纪录,如图4所示。

图4 中国的高速列车

另外,随着磁悬浮技术的发展,高速列车的运行速度得到跨越式提高。2018年,由中车四方股份有限公司牵头承担的“600 km/h高速磁浮交通系统技术方案”通过专家评审。该高速磁悬浮列车主要利用电磁力技术,从而达到高速列车与轨道间无接触悬浮和导向的目的,并利用磁悬浮电机的电磁力牵引列车运行[10]。此外,根据高速磁悬浮列车的运行环境,提出了满足气动性能要求的新型列车头设计方案,从而更好地解决了超高速条件下的空气动力学问题。因此,600 km/h高速列车的研发,将填补高速铁路与航空运输之间的速度空白,如图5所示。

图5 中国高速磁悬浮列车

2.2 国外高速列车的发展

国外高速列车发展相对较早,技术也比较成熟,尤其以日本的高速列车为典型代表。上个世纪60年代,日本政府为了迎接东京奥运会的召开,建成了人类历史上第一条高速铁路-新干线,成为首个开通高铁运营且大规模应用的国家,并以210 km/h的运行速度开启了高速铁路商业运营的里程碑。此后,日本又依托先进的高速列车技术,陆续研发了E系列、T系列等高速列车,使最高运行速度达到320 km/h。另外,日本方面为增强高铁的市场竞争力,东日本铁路公司为新干线开发的下一代ALFA-X高速列车,计划于2030年以360 km/h的速度载客运营[11],如图6所示。

图6 日本高速列车

法国是世界上第二个运营高铁的国家,1989年TGV高速列车的最高运行速度为300 km/h,1991年则创下了515.3 km/h的试验速度,从而开创了欧洲高速铁路应用的新局面;德国的ICE作为第一代高速旅客列车,1991年投入商业运行时速度已达320 km/h,其白色车身和红色丝带涂装设计是其典型的标志[12]。此外,ICE3的衍生型号都被归为西门子旗下Velaro系列,其中,最具典型代表性的是“欧洲之星E320”高速列车,其在2016年运行时速度已达330 km/h,如图7、图8所示。

图7 德国ICE1高速列车

图8 “欧洲之星E320”高速列车

2.3 未来发展趋势

随着科学技术的迅猛发展,面向未来的高速列车,已采用颠覆性技术以追求更高的运行速度,如:日本的超导磁悬浮列车、美国的超级高铁等。2014年日本政府正式批准建设“磁悬浮中央新干线”,计划2027年以500 km/h的速度运营。由此,超导磁悬浮列车将成为(400～800)km/h区间高速列车发展的主流方向。但是,由于其巨大的耗电量已成为制约其发展的重要因素,如图9所示。

图9 日本新型高速列车

此外,欧洲许多国家也正在进行未来超高速列车的研发,如:德国航空航天中心开展的NGT新一代高速列车项目,其设计最高运行速度为440 km/h;英国计划在未来15年内研发出新型“水星号”高速列车,该车的整体造型设计具有很强的未来感,并且其流线型的车身设计完美符合空气动力学要求,可以保证高速列车以380 km/h的速度安全运行;法国初创公司SPACETRAN正在研发气垫悬浮高速列车,主要利用动力强劲的航空发动机在轨道上喷射压缩空气,并通过地面管道效应使列车底部与轨道之间形成气垫,列车在气垫的作用下悬浮在轨道上,再用安装在列车后部的涡轮发动机推动前进,这样就消除了传统列车轮轨间的摩擦阻力,从而提高列车的运行速度。该气垫悬浮高速列车预计2025年将以540 km/h的平均速度运行,最高运行速度可达720 km/h,如图10所示。

图10 欧洲新型高速列车

2013年“科技狂人”马斯克提出时速可达1 220 km超级高铁(Hyper loop)的设计方案,从而引发全球新一轮超级高铁的竞逐热潮;中国航天科工集团则在2017年的“商业航天高峰论坛”上对外宣布,将利用超导磁悬浮技术和真空管道技术,建设4 000 km/h的“高速飞行列车”项目,以提高列车的运行效率和增强市场竞争力。由此可知,高速列车采用超高的运行速度,将使运行效率得到极大地提高,但由此也将造成制约其方案实施的各种因素,如图11所示。

图11 未来超级高铁

3 提高运行效率的约束因素

目前,尽管已有各种提高列车运行速度的措施,但试验速度与实际运行速度间存在较大的差距。如:法国研发的高速列车在测试阶段的最高运行速度可达575 km/h,但由于高速铁路建设标准等的限制,其实际最高运行速度仅为(250～350)km/h;德国研发的磁悬浮列车Trans rapid,在试验阶段的运行速度为(450～500)km/h,但出于节约能源消耗等原因,其实际的运行速度仅为300 km/h。此外,2003年日本MLX01磁悬浮列车创造了581 km/h的试验纪录,由于成本等原因并未投入运营。因此,对于超高速列车在运行过程中存在以下约束性因素:

(1) 乘客运量少。高速列车为了保证其运行速度,就需要大幅减少乘客数量,以减轻整个车体的重量。以美国超级高铁(Hyper loop)为例,其容量仅为常规运输系统的3%～5%;

(2) 线路标准高。高速列车较高的运行速度要求线路竖曲线半径非常平缓,以保证其运行的安全性和舒适性,这除了加大线路的施工难度外,还将导致建设成本的增加;

(3) 安全性较差。高速列车在突发状况下紧急制动时,极易发生车毁人亡的情况,并且在其运行管道上仅设置少量的紧急出口,缺少完备的安全和应急措施;

(4) 体验性不佳。高速列车极大的运行加速度和制动减速度,对于未经专门训练的乘客将产生较差的乘坐体验,尤其对于老年人、婴幼儿等弱势群体,将由于较高的加/减速度而发生意外;

(5) 能量消耗多。高速列车由于受制于空气阻力、轮轨黏着和蛇行失稳等因素的影响,能量消耗和机械磨损将随着速度的提高而显著增大,即:列车运行速度越快,所消耗的能量就越多。当高速列车以400 km/h运行时,每百公里人均能量消耗较350 km/h运行时增加约30%左右,从而导致其运行速度很难经济性的大幅提高。

总之,对于超级高铁而言,由于其空气压缩机的作用,胶囊和管道中积聚的热量会导致其它舒适性、安全性等问题。因此,要实现真空超高速磁悬浮列车,需攻关众多关键的技术,如:乘客换乘车站内真空与常压的转换;真空管道环境中乘客应急疏散与救援;真空管道散热的安全、舒适环境等,如图12所示。

图12 乘客量少等局限

4 TRIZ理论体系及应用流程

4.1 TRIZ理论体系构成

在对产品进行创新设计时,理想功能的提出,将导致产品构成系统的恶化,具体表现为系统中两/多种产品构成要素间的冲突。对此,将基于TRIZ理论的冲突解决原理,进行产品功能的创新设计。TRIZ理论是综合多学科领域的原理和法则所形成的理论体系,其核心思想为:通过对产品改进过程中各种技术冲突和矛盾的解决,实现产品功能的不断优化。因此,利用TRIZ理论的冲突解决原理进行产品创新时,需通过对产品功能的分析,先指出所改进产品的理想功能和不利因素,即确定出存在的技术冲突,再进行产品的设计[13]。

基于TRIZ创新理论进行技术冲突的解决过程,主要包括:产品功能的分析、技术冲突的确定、矛盾冲突解决矩阵的构建、创新原理的确定等过程。首先,在提出产品改进后理想功能的同时,需分析由此所产生的不利因素,从而确定出其存在的技术冲突;其次,将确定出的技术冲突转化为TRIZ理论中对应的工程参数,将改善参数与恶化参数构成矛盾冲突解决矩阵,并从中选择相应的发明原理[14];最后,根据发明原理所体现出的创新思路,利用已积累的知识和以往的实践经验,提出技术冲突的最佳解决方案。如果按照上述过程无法得到相应的发明原理,说明前期对于产品功能的分析不客观,导致确定出的技术冲突不合理[15]。对此,需转换角度重新进行技术冲突的确定,以构成新的矛盾冲突解决矩阵,如图13所示。

图13 TRIZ创新理论应用流程

4.2 TRIZ理论的实践应用

(1) 高速列车运行过程分析

高速列车提高运行效率能够带来明显的经济和社会效益,推动着经济社会的快速发展。但是,由于常规运行的高速列车需要不断地停车靠站,车速将从几百千米每小时逐步减至零;当列车开动时,车速又需从零起步逐渐加速,整个过程将耗费大量的时间,使得经过努力提高的列车速度无形之中打了折扣。此外,在始发站与终点站距离一定的情况下,由于列车停站前后的一系列操作:打开/关闭气闸、列车驶进站台、打开/关闭密封车门、乘客上/下车等,将导致列车的运行时间大幅增加;另外,由于高速线路提速的限制,列车停靠的站点不能布局太近,沿线站点的数量也就无法设置过多,这就造成了高铁沿线线路资源的浪费。对于乘客而言,需要从各分散的地点集中到达高速列车停靠站,并且下车后需再分散回到各自目的地。因此,整个的乘车与下车之后过程给乘客造成诸多的不便,如图14所示。

图14 当前列车的局限性

(2) 技术冲突的确定

通过对国内外高速列车提高运行效率措施的分析可知,其主要通过采取优化车头造型、增大马力、真空磁悬浮等措施来不断提高列车的运行速度。上述措施除了能造成前面提到的各种局限性外,还将导致高速列车在运行过程中面对逐步增大的压力和压强,并造成运行的可靠性降低等问题,存在严重的安全隐患,一旦发生事故将造成毁灭性的后果。因此,针对高速列车运行过程中存在的问题,就构成了“列车运行速度的提高”与“压力和压强增大”、“运行的可靠性降低”等技术冲突,将其转化为TRIZ理论中对应的39个通用工程参数,即:

15.运动物体的作用时间:物体完成规定动作的时间、服务期等。(改善的通用工程参数)

11.压力和压强:指单位面积上的作用力;

27.可靠性:系统在规定的方法和状态下完成设定功能的能力[16]。(恶化的通用工程参数)

(3) 发明原理的确定

对改进高速列车运行方式过程中所构成的技术冲突,利用TRIZ理论提供的矛盾冲突解决矩阵,将得到解决技术冲突对应的发明原理,如表1所示。

表1 矛盾冲突解决矩阵(部分)

根据改善工程参数与恶化工程参数所构成的矛盾冲突解决矩阵,得到对应的发明原理:2号、3号、11号、13号、19号、27号。

2号 抽取/分离原理:从整个系统中抽出不利或有益的部分、属性。

3号 局部质量原理:将物体或外部介质、作用的一致性过渡到不一致;物体的各部分处于各自动作的最佳状态;物体的不同部分应当具有不同功能。

11号 预置防范原理:采用事先准备好的应急措施,对系统进行相应的补偿,以提高其可靠性。

13号 反向作用原理:采用与原先相反的方式达到相同的效果;

19号 周期性作用原理:以周期性动作代替连续性的动作;

27号 替代原理:用廉价的物体代替昂贵物体,降低某些属性要求,仍可实现相同功能。

针对高速列车要解决的运行效率问题,对得到的发明原理进行筛选,最终选择出2号、19号发明原理作为创新的依据,并根据发明原理所提供的思路,对高速列车进行设计实践,如表2所示。

表2 发明原理的确定

2号抽取/分离原理:为了方便某站点的乘客上、下车,可根据乘客的数量,将相关人员提前集中于某几节车厢中,并将该车厢从列车中单独分离出来;

19号周期性作用原理:根据列车不同的停靠站点,将上下乘客的车厢周期性的与列车主体进行分离、接合,从而提高列车运行的高效性与乘客上下车的便捷性。

(4) 高速列车方案的构思

针对高速列车停车靠站耽误时间的问题,提出了高速列车可持续运行的模式,以减少在高铁沿线中间站点停靠的时间耗费。然而,上述过程将导致乘客无法上下列车,满足不了出行的要求。对此,通过引入接送车的方式,以确保乘客在沿线站点的上下车过程。针对高速列车一直处于持续运行的状态,这就要求接送车能够沿着轨道运行,并通过与高速列车在相应站点对接、分离的动态调整,从而实现对乘客的接送任务。此外,考虑到接送车需在轨道与地面不同的环境中运行,为增强其复杂环境的适应性,则对其车轮结构进行了设计。为了实现对高速列车与接送车在对接、分离过程中的控制,确保人员和列车的安全,对其组合、分离结构进行了设计,高速列车相应的构思方案,如图15所示。

图15 高速列车创新构思

4.3 具体设计方案

(1) 整体结构设计

为了能够在短时间内,快速有效达到提高列车运行效率的目的,同时又避免给乘客造成不必要的麻烦,并减少对社会交通资源造成浪费。根据经综合分析提出的创新思路,设计出了可持续运行的高速列车,从而达到从始发站到终点站不间断运行的目的。具体结构包括:1.高速列车道;2.高速列车;2-1.高速列车车门;2-2.高速列车对接口;3.接送车;3-1.接送车车门;3-2.接送车对接口;4.接送车道;4-1.接送车道道床;5.地面行驶车轮;6.道轨行驶车轮;7.高速列车道支撑梁柱;7-1.接送车道支撑梁柱;8.接送车道道轨,如图16所示。

图16 整体结构示意图

(2) 两车的对接口结构

为了使高速列车与接送车能够安全、可靠的进行对接,在两列车体的侧面分别对应设计有车门和对接口;高速列车对接口内部设计有一个直筒式的2-3.定位销孔;接送车的对接口则由3-3.安全锁定销、3-4.止动装置、3-5.定位销弹簧和3-6.回撤把等组成。

高速列车与接送车的具体对接过程为:①当高速列车到达停靠站点附近时,接送车便驶上与高速列车车道等高的接送车道道轨,在保持与高速列车等高的同时,并确保运行速度同步一致;②接送车将止动装置的安全定位销插入到高速列车对接口的定位销孔内,从而使接送车与高速列车牢固的锁定后并继续同步运行;③同步打开高速列车与接送车的车门,即可进行两车乘客上、下车的双向活动,等乘客完成在两车内的位置互换后,接送车再通过回撤把将安全定位销缩回到止动装置上,从而实现高速列车与接送车车体的分离;④高速列车继续向前运行,而接送车则减速运行直至脱离接送车车道,到达乘客目的地停靠站点,如图17所示。

图17 两车对接过程

(3) 接送车的车轮结构

为了使接送车既能在普通道路上行驶,又可以在接送车车道上运行。因此,对接送车的车轮结构进行了创新,主要的设计内容为:该接送车的车轮由安装在同一传动轴上大、小两种直径的行驶车轮组成,其中大直径的车轮适用于常规地面行驶,而小直径的车轮则适合于道轨上运行。当接送车利用大直径车轮在地面上行驶时,其小直径道轨行驶车轮的外径便与地面形成高度差,保持与地面适当的距离,并且仅伴随着传动轴空转;当接送车利用小直径车轮在道轨上运行时,由于接送车道道轨高于地面,因而能够将大直径车轮悬空而不与车道接触。通过上述过程,接送车便可实现利用大、小两种直径的行驶车轮,在地面与接送车道道轨上进行运行状态的自如转换,如图18、图19所示。

图18 轮轨结构设计

图19 地面/轨道环境中运行状态

(4) 高速列车的道轨结构

可持续运行高速列车系统由以下部分构成:在高速列车轨道的旁边,平行铺设有一条接送车道;接送车道设置有从地面开始缓坡上升的接送车道道轨与接送车道道床,上升到与高速列车轨道等高且平行;接送车道的另一端,则从与高速列车轨道相等的高度,缓坡下降至与地面平齐。首先,当旅客需要乘坐高速列车或到达站点时,可根据站点上、下车乘客的数量,提前将相关人员集中于某节/几节车厢中,并在高铁沿线设置的停靠站点附近登上接送车;其次,接送车再经设定好的时间沿着斜坡运行至接送车车道,在与高速列车等高、等速且平行时,进而完成高速列车与接送车的对接;打开高速列车与接送车对应的车门后,实现两车中乘客上、下车的双向活动;最后,利用对接结构实现两车的分离,远行的旅客乘坐高速列车继续前行,而终点站旅客则乘坐接送车沿着斜坡回到地面停靠站点,以此来提高列车运行的高效性与乘客上、下车的便捷性。此外,可利用大数据技术,系统分析不同站点在不同时间段上、下车乘客的数量,并有针对性的增加或减少接送车车厢数量,以提高高速列车的运行效率,如图20所示。

图20 高速列车持续运行过程

5 模拟仿真分析

为了验证可持续运行高速列车的可行性,将基于ANSYS仿真软件进行气动特性的研究。设定的仿真模拟条件为:高速列车在平直轨道、明线、非会车工况下,以及静止风环境、周围空旷等特定条件下单向匀速行驶;接送车将先沿着接送车道高速追赶高速列车,其后两车以相同的速度平行运行,其它运行环境与高速列车基本一致[17]。通过仿真计算两车接合后的气动阻力分布情况,从而为可持续运行高速列车的设计迭代提供参考依据。

5.1 列车的气动阻力仿真计算

(1) 模型及网格划分

根据列车气动特性数值研究背景,以所设计的可持续运行高速列车为研究对象,建立了数值计算物理模型,高速列车长约123 m,头尾车长约41.27 m,宽约3.4 m,高约3.2 m;接送车长约75 m,头尾车长约25 m,宽约3.4 m,高约3.2 m。利用数值计算前处理软件对列车模型进行离散处理,共得到985.72万体网格为六面体结构和四面体结构组成的混合网格[18],如图21所示。

图21 列车气动特性计算模型

(2) 模拟仿真计算条件

设定高速列车行驶速度为280 km/h;接送车的运行速度则为300 km/h,随后以280 km/h运行。除地面以外计算域边界均为压力入口和压力出入口,所有地面设置为wall,计算模型选用双精度、非稳态进行迭代计算,非稳态计算时间步长等于0.000 5 s,每个时间步长内迭代20次。

(3) 模拟仿真计算结果

通过计算得到高速列车的阻力系数等于-5.08×104,接送车的阻力系数等于-7.82×104;高速列车与接送车组合后的阻力系数等于-1.29×105。由于设定高速列车长度为123 m,接送车的长度为75 m,根据阻力系数的结果可以得到,车体的大小和阻力系数成正比,车体越大阻力系数越大,高速列车与接送车组合后阻力系数为两个车体阻力系数之和,从而满足设定的两车组合后稳定性要求,如图22所示。

图22 两车阻力变化曲线

5.2 运行列车车体压力等的分布

为了获得高速列车与接送车组合后的运行状况,通过对两车车体表面的压力分布、速度分布等情况进行仿真,以验证其运行的安全性、可靠性要求[19]。对此,分别设定0.1 s、0.3 s两个时间节点进行模拟,从中得到各时刻车头的压力和风速均最大,最大压力值均超过3 500 Pa,空气流速均大于50 m/s;不同时刻车体表面压力分布均从车头处向车身降低,车身压力分布均匀,压力大小在-200 Pa到200 Pa之间。另外,从两种时刻车体截面速度分布云图可以得到,随着运行时间的增加车体外流场逐渐稳定,尾波的影响区域也逐渐增大[20],当车体连续运行0.3 s后,车体尾波逐渐发展成射流状,气流分布逐渐稳定,符合稳定性、安全性的要求,如图23所示。

图23 0.3 s后车体压力、速度分布

总之,通过高速列车与接送车的对接口结构、接送车的车轮及道轨结构等的设计,将达到高速列车从始发站到终点站持续运行的目的,并且始终不需要停靠任何站点。所设计的可持续运行高速列车系统整体结构简单,其不仅能够使乘客上、下车的站点数量大幅增加,甚至还可以实现随时随地的上、下车,这将极大地节省在途旅程时间,增强旅客乘坐高速列车时的便捷性。因此,针对所设计的可持续运行模式,将是高速列车提高运行效率的新开始,如图24所示。

图24 高速列车运行状态

6 结论

该研究从设计学的角度出发,以提高高速列车的运行效率为研究的切入点。通过分析现有高速列车在提高运行效率过程中存在的局限性,基于TRIZ创新理论提出了高速列车的可持续运行模式,对高速列车的对接结构、车轮结构及道轨结构等进行了创新设计,并基于ANSYS软件对可持续运行列车的气动阻力与车体表面压力等进行了模拟仿真,以验证列车设计方案的可行性,从而使高速列车达到可持续运行不停靠的目的,这在增强高速列车运行效率的同时,并为旅客提供了便捷性。此外,所设计的可持续运行高速列车,将是基于现有成熟的高速列车技术,能够较好地解决运行过程中所产生的热量、噪声及各种复杂的自然环境等问题。另外,由于高速列车在运行过程中涉及的影响因素较多,该研究只是对高速列车的气动阻力与车体表面压力进行简单的仿真分析,对于高速列车的头部造型、空气动力整流罩等将作为后续研究的内容。因此,针对所设计的可持续运行高速列车,将来可向智能化方向继续深入研究,以不断提高其人性化水平。