列車風阻制動裝置創新結構設計

滕世平 袁泉 王海棠

摘 要：風阻制動為列車傳統的制動方式提供了一種輔助制動形式，在充分考慮限界情況下，創新設計出一套風阻制動裝置，對稱安裝于列車車體兩側，不影響列車的正常運行，沒有高壓觸電風險隱患，對鋼軌、道床、橋梁等沒有附加載荷，不僅結構簡單，而且操縱方便。這種創新裝置可為中高速列車或需要緊急制動的列車提供有效的輔助制動力，尤其當列車的運行速度較高時，更能體現其輔助制動效果的優勢。

關鍵詞：列車;風阻制動;結構設計

中圖分類號： U271.91;TP203 文獻標識碼：A

0 引言

傳統的列車制動形式是將基礎制動裝置產生的制動力傳遞到車輪輪周，在車輪踏面與鋼軌表面接觸區域，轉換為車輪與鋼軌之間的摩擦力，從而產生制動力使列車減速、停車或阻止其運動。車輪與鋼軌之間的作用力與列車運行方向平行反向相反，其最大值為黏著力值。而黏著力與輪軌之間垂直載荷的比值為黏著系數。隨著列車速度的提高，在列車動能呈平方關系增加的同時，車輪和鋼軌之間的黏著系數反而下降，輪軌之間的制動力受限于下降的黏著系數，導致列車高速運動時制動力不足。傳統的摩擦制動、動力制動等均屬于黏著制動范疇，純粹的黏著制動已經不能滿足速度日益提高的動車組列車和高速機車制動需要。風阻制動裝置作為一種不依賴于輪軌間黏著系數的制動方式，與磁軌制動、鋼軌渦流制動等均屬于非黏著制動范疇，因此研究風阻制動對未來高速列車制動具有重要意義。

1 風阻制動的工作原理

在我國高速鐵路大發展的背景下，由于動車組列車的速度越來越高，其動能也越來越大，隨之而來的是對列車制動能力的要求也逐步提高。而傳統的制動方法，即依靠車輪和鋼軌之間產生的黏著力進行制動的方式已經無法滿足要求。因此相比于摩擦制動和動力制動產生的黏著制動，列車采用風阻制動裝置，可以節省黏著資源，減少輪軌磨耗，降低動車組列車全生命周期維護成本。

列車運行空氣阻力的計算公式如下：

其中：Fw為空氣阻力，N;

v為列車速度，m/s;

A為迎風面積，m2;

Cw為風阻系數。

由此公式可以看出，空氣阻力是關于列車速度和迎風面積的函數，在列車速度一定的情況下，適當增大迎風面積，可以增加空氣阻力，從而對列車的黏著制動起到有效的輔助制動的作用。

2 風阻制動裝置創新設計的布局及使用

當前國內外對高速列車風阻制動裝置研究已有多年，大多數處于理論研究階段，其中日本新干線FASTECH360Z型動車組列車及國內少數高速動車組有過試驗安裝，取得了一定成果。國內外一般的高速列車風阻制動裝置安裝于車體頂部，以伸縮式、折疊式為最為常見。現代高速動車組列車一般為采用接觸網供電的電力動車組，接觸網一般架設于電氣化鐵路區段鋼軌上方，動車組通過安裝于車頂的受電弓將接觸網供電線的高壓電能引入車內。伸縮式、折疊式兩種風阻制動安裝方式在制動時都需將制動板向上升起，容易侵入接觸網限界，嚴重時會產生拉孤、閃絡等破壞性放電，威脅動車組設備安全、乘客人身安全和運營生產安全;折疊式安裝方式在制動時會對車體產生附加的向下壓力，該附加壓力通過車體向鋼軌、道床、橋梁等產生附加載荷，對線路設備產生不利影響。為避免以上缺點，本文所述風阻制動裝置對稱安裝在列車兩側，折疊后藏于車體側墻內部，裝置外表面與側墻表面平齊。考慮到動車組列車可以雙向運行的情況，將裝置成對安裝兩個方向，即向前和向后，如圖1所示。以此圖為例，當列車行進中需要制動時，將隱藏于動車組車體左右兩側側墻內的兩對向前的風阻制動裝置制動板打開，按照車速350 km/h、風阻系數為0.4、迎風面積為2 m*0.5 m、風阻裝置與車體成45°夾角，根據列車運行空氣阻力計算公式，可計算出每個風阻制動裝置可提供的輔助制動力為668 N。

當動車組列車正常運行中或者低速狀態下施加制動時，風阻制動裝置是隱藏于車體兩側側墻內部，只有當動車組列車在高速時需要施加制動并且需要提供輔助制動（如緊急制動）時，才有選擇地打開部分或者全部數量的風阻裝置的制動板進行輔助制動，當車速降低到風阻制動作用力不明顯時，可將制動板收回后藏于車體側墻內，恢復車體側墻平整外觀。

3 風阻制動裝置的創新結構設計

風阻制動裝置的創新結構方案可設計為單桿支撐方案（如圖1）和雙桿支撐方案（如圖2），兩種方案主要由風阻制動板、制動板座、氣缸、支桿座等組成，區別在于對風阻制動板的支撐方式不同，圖1為單氣缸單桿支撐，圖2為單氣缸雙桿支撐。通過操控氣缸充排氣產生活塞桿的伸縮動作，將風阻制動板打開或關閉，圖2、圖3均為裝置閉合非工作狀態。

圖2中的氣缸單桿支撐方案在工作時的狀態如圖4所示，此時風阻制動板打開的角度為45°，一節車廂按照對稱安裝四個風阻制動板計算，可為車體提供4 m2的風阻面積。

風阻制動板的尺寸要充分考慮車體尺寸及運行環境，尤其是進入隧道時的情況，參考機車車輛限界，可將長寬尺寸設計為2 m*0.5 m。

考慮到風阻影響，無論采用哪種方案，都要在支桿座內沿著風阻制動板寬度方向設計為上、下兩個氣缸同時動作，這樣可以減少高速運行狀態下采用風阻制動時制動板的晃動，增加其工作時的平穩性。

4 創新設計風阻制動裝置的性能特點

本文所述創新設計的風阻制動裝置與其它制動方式相比具有顯著優點。首先，該風阻制動裝置不存在黏著制動方式中的摩擦副，減少了對鋼軌的摩擦損傷，延長了鋼軌壽命，并且不會產生金屬碎屑污染，減少了對軌道電路及軌旁設備的短路影響;其次，該風阻制動裝置結構簡單，使用中維護較少，全壽命周期成本LCC低;第三，該風阻制動裝置與磁軌制動、渦流制動等其它類型的非黏著輔助制動形式相比，裝置總重低，不會過多增加高速動車組列車附加重量;第四，該風阻制動裝置工作時以壓縮空氣（或液壓油）作為源動力，采用氣缸（或液壓缸）裝置驅動，無電無磁，節能環保，并且對軌旁信號設備沒有電磁干擾;第五，該風阻制動裝置對稱安裝于車體兩側，由于制動時打開的制動板向車體兩側伸出，沒有侵入車頂接觸網限界風險，杜絕了高壓觸電安全隱患;第六，該風阻制動裝置的制動板只產生向車體中心方向的附加水平分力，因沒有垂向分力，對鋼軌、道床、橋梁等沒有附加載荷，不會影響線路平順性，減少了高速鐵路工務部門養護成本。

5 結語

綜上所述，作為傳統黏著制動的一種輔助制動方式，本文創新設計的風阻制動裝置可以為需要緊急制動的高速動車組列車或高速機車提供有效的輔助制動力，在充分考慮限界情況下，將裝置設置于車體兩側，不影響列車的正常運行。

該風阻制動裝置結構簡單，操縱方便，尤其當動車組列車的運行速度超過200 km/h時更能體現其輔助制動的效果優勢，是值得未來高速軌道交通領域廣泛采用的一種制動方式。

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