一种高速列车升力翼安装布置及协同控制方法技术

本发明专利技术公开了一种高速列车升力翼安装布置及协同控制方法，以车顶布置工作高度、工作偏转角度及横向伸缩长度可无级调控的高速列车升力翼为操作对象，应用流体力学仿真软件，以满足高速列车行车安全及减阻降耗为主要目标，通过计算流体动力学的方法确定高速列车升力翼设置位置及布置规模的选择，给出最优布设方案。在此基础上，采用主要包括数据信息采集模块、数据模型构建及处理模块、升力翼动力学行为可视化模块及升力翼实时智能调控模块的升力翼协同控制系统，实现高速列车升力翼智能调控及有效应对复杂风环境所引起的列车行车安全问题。满足新一代高速列车升力翼装置安装布置小型化、轻量化、绿色节能化、运行安全性及稳定性的要求。稳定性的要求。稳定性的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种高速列车升力翼安装布置及协同控制方法


[0001]本专利技术涉及轨道交通装备制造及列车空气动力学领域，具体涉及一种高速列车升力翼安装布置及协同控制方法。

技术介绍

[0002]随着运营时速的提升，轮轨列车的车轮磨耗将进一步加剧，此过程中势必缩短车轮的镟修周期和使用寿命。为了在更高速度下降低列车全寿命周期成本，研究提出了带有升力翼的高速列车概念，突破传统高速列车气动外形设计理念，结合高速列车和飞行器各自优势，希望通过增加列车气动升力，实现高速列车整体节能降耗。
[0003]20世纪末，日本东北大学最早提出了“气动悬浮列车”设计概念，通过在地面附近布置地效翼，利用地面效应增升，给列车提供升力。同时对气动悬浮列车所用翼型进行了初步设计研究，认为其运载经济效率要高于磁浮列车和高速民航客机，并制作出了气动悬浮列车实验车型，提出了一种添加升力翼的概念设计方案，在车顶和车底侧面布置“仿机翼”，并指出了一些可供选择的翼型。上述研究表明，设计出具备良好气动特性的升力翼是升力翼列车技术的关键。
[0004]截止目前，围绕这一目标，研究提出了多种设计方案，比如授权公告号为CN113602299B，专利技术名称为高速列车气动力调控的伸缩翼装置、高速列车及控制方法，授权公告号为CN210133111U，专利技术名称为高速轨道交通列车侧翼升力控制机构的中国专利，授权公告号为CN202175052U和CN202175053U公开的一种高速列车车翼装置等，但总体来看并未充分与高速列车的发展实际相结合，尤其表现在升力翼结构设计方案、安装布置形式、控制方式及实车应用等方面基本处于空白状态。
[0005]基于此，在现阶段我国围绕高速智能绿色铁路装备大发展的背景下，研发布置一种增升效果明显、阻力系数小、气动噪声小、安装空间小、针对现有高速列车适用性高、可智能调控及有效应对复杂风环境的高速列车升力翼装置，是目前高速列车提速运行及贯彻节能降耗发展绿色铁路装备亟待解决的问题之一。

技术实现思路

[0006]为能够实现高速列车在实际运行过程中增升效果明显且升力可控、升力翼装置阻力系数小、气动噪声小、安装空间小、针对现有高速列车适用性高、可智能调控同时能够有效应对复杂风环境，发展整体能耗和全寿命周期成本下降的创新型高速列车的要求。本专利技术提出一种高速列车升力翼安装布置及协同控制方法。
[0007]为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案予以实现：一种高速列车升力翼安装布置方法，所述方法以车顶布置工作高度、工作偏转角度及横向伸缩长度可无级调控的高速列车升力翼为操作对象，应用流体力学仿真软件，以满足高速列车行车安全及减阻降耗为主要目标，通过计算流体动力学的方法确定高速列车升力翼设置位置及布置规模的选择，具体位置优化及选择的确定方法包括以下步骤：
1）根据铁路建筑限界、桥隧限界条件及具体适用车型车辆限界条件，确定高速列车升力翼装置限界内车顶上部最大安装空间；2）根据步骤1）所确定的最大安装空间，结合高速列车升力翼工作最大空间需求，确定适用于应用车型及开行线路的升力翼工作最大起升高度、最大偏转角度及横向最大伸缩长度，并将该技术信息存储于升力翼实时智能调控模块；3）通过计算机辅助设计技术创建某一比例的固定编组高速列车及等比例的满足双向制动高速列车升力翼装置三维计算模型；4）高速列车整车升力不平衡动力学行为及姿态表征范围：41）以应用的固定编组高速列车为研究对象，将步骤3）所述的某一比例的固定编组高速列车三维模型导入流体力学仿真软件中，给定控制方程，设定边界条件、计算流体参数、设定计算网格，创建计算流体力学模型；42）在步骤41）的基础上，在无风环境长大明线上高速列车以运营时速运行的工况条件下，以单独每个车体为研究对象，进行流体仿真计算，计算出每个车体及整车所受阻力、升力、横向力、滚转力矩、偏航力矩及俯仰力矩等；43）分析确定高速列车整车升力不平衡动力学行为及姿态表征范围，即由于高速列车运行时前后车气动升力不均衡而造成的整车俯仰现象，基于升力不平衡车体，确定主要影响不平衡表征范围（Sa0~Sb0），列车具备双向运行要求时，包括对称在尾侧的尾侧不平衡表征范围（Sa1~Sb1）；5）高速列车运营时速工况下克服整车升力不平衡升力翼布置方案：51）在步骤43）的基础上，结合高速列车司机室流线型设计、及车内设备布局、双向运行特点等，在所述不平衡表征范围（Sa0~Sb0）内，纵向逐次装配布置升力翼，并进行流体动力学仿真计算；52）通过在所述不平衡表征范围（Sa0~Sb0）内纵向逐次装配升力翼，分别根据流体仿真计算结果，分析判断并确定满足行车安全指标的第一最优布置点Pa0及尾侧对称位置的第二最优布置点Pa1；6）高速列车除克服整车升力不平衡升力翼后的单组升力翼协同布置方案：61）在步骤52）的基础上，满足行车安全指标的第一最优布置点Pa0及尾侧对称位置的第二最优布置点Pa1之间所限定的纵向中部有效长度为第一研究空间，空间范围内逐次装配布置升力翼，并进行流体动力学仿真计算；62）通过在所述第一研究空间内纵向逐次装配升力翼，分别根据流体仿真计算结果，分析判断并确定满足行车安全指标的第三最优布置点Pa2及尾侧对称位置的第四最优布置点Pa3；63）判断单组升力翼布置时是否满足行车安全及减阻降耗指标要求，如果不满足条件，则该型车在具体条件运行下升力翼安装位置优化及选择继续执行下述步骤；7）高速列车除克服整车升力不平衡升力翼后的2组升力翼协同布置方案：71）在步骤6）的基础上根据双向运行的特点，采用计算流体力学的方法，验证优化同时启用前后升力翼的高速列车气动特性，并确定2组升力翼协同布置方案；72）分析判断并确定满足行车安全指标，并判断2组升力翼布置时是否满足行车安全及减阻降耗指标要求，如果不满足条件，则该型车在具体条件运行下升力翼安装位置优
化及选择继续执行下述步骤；8）高速列车除克服整车升力不平衡升力翼后的多组升力翼协同布置方案：81）依次在上述步骤中所确定最优布置点的情况下，以高速列车车顶纵向中部空置有效长度空间为研究对象，逐次逐一装配升力翼进行流体动力学仿真计算，确定较优点；82）在较优点的基础上，分析判断并确定满足行车安全指标，并判断多组升力翼布置时是否满足减阻降耗指标要求，如果不满足条件，则继续增设升力翼重新计算确定。
[0008]作为优选地，所述升力翼纵向安装布设于高速列车车顶；结构设计方面：在双向双作用伸缩液压驱动装置2及联动连杆组件LG联动驱动下，实现多级升力翼同步左右横向伸缩运动；在双作用液压起升装置9的带动下实现所述升力翼上下运动，同时在所述旋转驱动组件的驱动控制下实现升力翼装置的转动和自锁。
[0009]作为优选地，所述的步骤1）中高速列车升力翼装置限界内车顶上部最大安装空间为高速列车车顶上部与铁路桥隧限界所形成的有效空间。
[0010]作为优选地，所述的步骤3）中固定编组高速列车及等比例的满足双向运行的高速列车升力翼装置三维计算模型比例为一比一。
[0011]作为优选地，所述的步骤3）中计算流体力学模型中，列车运行速度为大本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高速列车升力翼安装布置方法，其特征在于：所述方法以车顶布置工作高度、工作偏转角度及横向伸缩长度可无级调控的高速列车升力翼为操作对象，应用流体力学仿真软件，以满足高速列车行车安全及减阻降耗为主要目标，通过计算流体动力学的方法确定高速列车升力翼设置位置及布置规模的选择，具体位置优化及选择的确定方法包括以下步骤：1）根据铁路建筑限界、桥隧限界条件及具体适用车型车辆限界条件，确定高速列车升力翼装置限界内车顶上部最大安装空间；2）根据步骤1）所确定的最大安装空间，结合高速列车升力翼工作最大空间需求，确定适用于应用车型及开行线路的升力翼工作最大起升高度、最大偏转角度及横向最大伸缩长度，并将该技术信息存储于升力翼实时智能调控模块；3）通过计算机辅助设计技术创建某一比例的固定编组高速列车及等比例的满足双向制动高速列车升力翼装置三维计算模型；4）高速列车整车升力不平衡动力学行为及姿态表征范围：41）以应用的固定编组高速列车为研究对象，将步骤3）所述的某一比例的固定编组高速列车三维模型导入流体力学仿真软件中，给定控制方程，设定边界条件、计算流体参数、设定计算网格，创建计算流体力学模型；42）在步骤41）的基础上，在无风环境长大明线上高速列车以运营时速运行的工况条件下，以单独每个车体为研究对象，进行流体仿真计算，计算出每个车体及整车所受阻力、升力、横向力、滚转力矩、偏航力矩及俯仰力矩等；43）分析确定高速列车整车升力不平衡动力学行为及姿态表征范围，即由于高速列车运行时前后车气动升力不均衡而造成的整车俯仰现象，基于升力不平衡车体，确定主要影响不平衡表征范围（Sa0~Sb0），列车具备双向运行要求时，包括对称在尾侧的尾侧不平衡表征范围（Sa1~Sb1）；5）高速列车运营时速工况下克服整车升力不平衡升力翼布置方案：51）在步骤43）的基础上，结合高速列车司机室流线型设计、及车内设备布局、双向运行特点等，在所述不平衡表征范围（Sa0~Sb0）内，纵向逐次装配布置升力翼，并进行流体动力学仿真计算；52）通过在所述不平衡表征范围（Sa0~Sb0）内纵向逐次装配升力翼，分别根据流体仿真计算结果，分析判断并确定满足行车安全指标的第一最优布置点（Pa0）及尾侧对称位置的第二最优布置点（Pa1）；6）高速列车除克服整车升力不平衡升力翼后的单组升力翼协同布置方案：61）在步骤52）的基础上，满足行车安全指标的第一最优布置点（Pa0）及尾侧对称位置的第二最优布置点（Pa1）之间所限定的纵向中部有效长度为第一研究空间，空间范围内逐次装配布置升力翼，并进行流体动力学仿真计算；62）通过在所述第一研究空间内纵向逐次装配升力翼，分别根据流体仿真计算结果，分析判断并确定满足行车安全指标的第三最优布置点（Pa2）及尾侧对称位置的第四最优布置点（Pa3）；63）判断单组升力翼布置时是否满足行车安全及减阻降耗指标要求，如果不满足条件，则该型车在具体条件运行下升力翼安装位置优化及选择继续执行下述步骤；
7）高速列车除克服整车升力不平衡升力翼后的2组升力翼协同布置方案：71）在步骤6）的基础上根据双向运行的特点，采用计算流体力学的方法，验证优化同时启用前后升力翼的高速列车气动特性，并确定2组升力翼协同布置方案；72）分析判断并确定满足行车安全指标，并判断2组升力翼布置时是否满足行车安全及减阻降耗指标要求，如果不满足条件，则该型车在具体条件运行下升力翼安装位置优化及选择继续执行下述步骤；8）高速列车除克服整车升力不平衡升力翼后的多组升力翼协同布置方案：81）依次在上述步骤中所确定最优布置点的情况下，以高速列车车顶纵向中部空置有效长度空间为研究对象，逐次逐一装配升力翼进行流体动力学仿真计算，确定较优点；82）在较优点的基础上，分析判断并确定满足行车安全指标，并判断多组升力翼布置时是否满足减阻降耗指标要求，如果不满足条件，则继续增设升力翼重新计算确定。2.根据权利要求1所述的一种高速列车升力翼安装布置方法，其特征在于：所述升力翼纵向安装布设于高速列车车顶；结构设计方面：在双向双作用伸缩液压驱动装置（2）及联动连杆组件（LG）联动驱动下，实现多级升力翼同步左右横向伸缩运动；在双作用液压起升装置（9）的带动下实现所述升力翼上下运动，同时在旋转驱动组件的驱动控制下实现升力翼装置的转动和自锁。3.根据权利要求1所述的一种高速列车升力翼安装布置方法，其特征在于：所述的步骤1）中高速列车升力翼装置限界内车顶上部最大安装空间为高速列车车顶上部与铁路桥隧限界所形成的有效空间。4.根据权利要求1所述的一种高速列车升力翼安装布置方法，其特征在于：所述的步骤3）中固定编组高速列车及等比例的满足双向运行的高速列车升力翼装置三维计算模型比例为一比一。5.根据权利要求1所述的一种高速列车升力翼安装布置方法，其特征在于：所述的步骤3）中计算流体力学模型中，列车运行速度为大于300km/h，计算流体特征长度等于列车车体高度，车体表面及制动风翼为无滑移壁面边界条件，外流场上表面和侧面设为无滑移光滑壁面边界条件。6.一种高速列车升力翼协同控制方法，其特征在于：采用根据权利要求1所述的一种高速列车升力翼安装布置方法而研究布设的装配升力翼的高速列车，其升力翼协同控制系统主要包括数据信息采集模块、数据模型构建及处理模块、升力翼动力学行为可视化模块及升力翼实时智能调控模块，具体协同控制方法包括以下步骤：601）升力翼系统数据实时采集：主要包括环境风速及行车速度在内的行车数据信息提取，及通过在多级升力翼板表面安装布设多个动态压力传感器来采集升力翼工...

【专利技术属性】
技术研发人员：王涛，谢红太，李宇翔，王伟，王红，
申请(专利权)人：兰州交通大学，
类型：发明
国别省市：