Аэродинамический тормоз высокоскоростного подвижного состава

 

Изобретение относится к наземному транспортному средству, более конкретно - к тормозным системам высокоскоростных подвижных составов в частности к аэродинамическому тормозу наземного железнодорожного транспорта. Тормоз содержит аэродинамический обтекатель клинообразной коробчатой формы, повторяющей форму передней части кузова транспортного средства. Обтекатель установлен на кузове и имеет возможность поворота относительно встречного воздушного потока посредством силовых элементов. Эти элементы соединены шарнирно одним концом с рамой кузова, а другим - с боковыми стенками обтекателя. Обтекатель снабжен в верхней части окнами для обзора дороги. Ввод в действие силовых элементов аэродинамического тормоза производится из кабины машиниста. При повороте обтекателя происходит торможение состава вследствие возросшего скоростного напора воздуха. При этом окна обзора обеспечивают наблюдение дороги. Изобретение повышает эффективность торможения высокоскоростного транспорта путем снижения затрат энергии, уменьшения износа мат. части и обеспечения плавного регулирования тормозного усилия. 6 ил.

Предлагаемое изобретение относится к наземному подвижному транспортному средству, а более конкретно, к тормозным системам высокоскоростных подвижных составов, а именно, к аэродинамическому тормозу наземного подвижного состава на железнодорожном транспорте.

Как известно, основным средством обеспечения безопасности движения поездов на маршруте и в аварийной ситуации, являются обычные колодочные фрикционно- механические тормоза, которые создают тормозные силы трения непосредственно на поверхности катания колес подвижного состава или на специальных дисках (барабанах), жестко установленных на осях колесных пар.

Такие тормоза представляют собой замкнутую механическую систему (т.е. колеса и тормозные колодки принадлежат к одной и той же несущей конструкции и не связаны с внешней неподвижной средой) и если даже блокировать (заклинить колесные пары) колеса тормозами, то при непогашенной кинетической энергии подвижного состава, колеса будут скользить юзом по рельсам (что при нормальной эксплуатации недопустимо), а подвижной состав не остановят.

Поэтому такой фрикционно-механический тормоз уже не может полностью удовлетворять требованиям высокоскоростных подвижных составов на железнодорожном транспорте (при скоростях, к примеру: в Швеции - 200 км/ч; в Италии и Англии - 250 км/ч; в Германии, поезд "Интерсити" - 250 км/ч; во Франции, поезд "ТЖВ- Атлантик" - 300 км/ч; проектируемый в России, поезд "Сокол" - 250....300 км/ч и даже до 350 км/ч) и может быть использован только в качестве вспомогательного средства торможения.

Исходя из изложенного в настоящее время происходит ломка и переосмысление старых норм и понятий.

Так, к примеру, аварийное экстренное торможение остается только теоретическим понятием, поскольку тормозной путь вышеуказанных высокоскоростных подвижных составов, при скоростях 250...300 км/ч, составляет около 2 км, а просматривается визуально впереди лежащий путь при движении всего лишь на 300....400 м.

Поэтому на практике движения высокоскоростного состава организовано так и система так налажена, что необходимость в аварийном торможении не возникает никогда.

Но, с другой стороны, очевидно, что и при высокоскоростном движении подвижного состава необходимо уменьшение (регулирование) скорости на маршруте: при въезде, к примеру в тоннель, при проходе мостов, на участках с некоторым отклонением пути от прямолинейного, при подходе к конечной станции и в др. случаях торможения на маршруте.

В таком случае необходим основной тормоз, взаимодействующий с неподвижной окружающей средой (к примеру, с землей или воздухом) в сочетании с известными вспомогательными колодочными фрикционно-механическими тормозами, что надежно обеспечивает в совокупности регулирование скорости подвижного состава на маршруте и в аварийной ситуации.

К известным аналогам в первую очередь нужно отнести электромагнитный тормоз (см. книгу "Автотормоза", автор: В.М. Казаринов, изд. "Транспорт", Москва, 1974 г., стр. 13, рис. 8, а), взаимодействующий с неподвижной внешней средой при торможении, а именно с рельсами железнодорожного пути.

Такой тормоз относиться к электропневматическим и представляет собой тормозной электромагнитный башмак, с тормозными колодками, укрепленный на нижней раме кузова над рельсом, который под воздействием сжатого воздуха, подаваемого в пневмоцилиндры, может опускаться на рельсы и в результате прохождения в этот момент через электромагниты электротока от аккумуляторов подвижного состава, притягивается к рельсам, осуществляя торможение.

Электробашмаки выполняются обычно со съемными тормозными колодками, которые заменяются по мере износа.

В России такое электромагнитное рельсовое торможение используется на высокоскоростном подвижном составе ЭР-200 (скорость 200 км/ч).

К недостаткам такого тормоза относятся: - большой износ тормозных съемных колодок, работающих в тяжелом режиме; - происходит засорение окружающего пространства продуктами износа колодок; - при торможении тормозные колодки скользят по "грязному" рельсу, покрытому смазкой, пылью, влагой и пр. (т. е. рельсы практически не бывают "чистыми"), что снижает сцепление колодок подвижного состава с неподвижной средой (т. е. рельсами) и следовательно, эффективность торможения; - электромагнитное рельсовое торможение является "пассивным", т. е. оно не создает сил, направленных против движения подвижного состава, а только как бы "удерживает" его, переводя кинетическую энергию подвижного состава постепенно, за счет интенсивного трения, в тепло; - при электромагнитном торможении весьма значительно расходуется энергия аккумуляторов подвижного состава, т. е. они практически разряжаются полностью.

Известен еще тормоз, взаимодействующий с неподвижной окружающей средой (по патенту России N 2006402, кл. B 61 H 11/00, 1993 г.), который содержит тормозные элементы, установленные под нижней рамой кузова вагона и снабжен, установленным перед задней тележкой (по ходу состава) воздушным резервуаром со сжатым воздухом и связанным с ним пневматически через электровоздухораспределители жидкостным резервуаром с жидкостью, который через электрогидрораспределители связан патрубками с рабочими камерами, причем рабочие камеры выполнены в виде полого основания на поворотном шарнире с крышками, содержащими съемные сопла, которые направлены в сторону движения подвижного состава, и винтовых шарнирных устройств для регулирования угла наклона указанных сопел, а все элементы устройства соединены между собой в единый узел с помощью крепежных элементов и закрыты снизу защитным кожухом (экраном).

Кроме вышеописанных элементов, устройство содержит элементы контроля, регулирования и управления.

Управление тормозом производится из кабины машиниста.

При торможении скоростного подвижного состава жидкостно-реактивные струи из сопел, направленные по движению подвижного состава под углом к полотну железной дороги, создают мощную реактивную тормозную силу, направленную против движения подвижного состава, которая не зависит от силы сцепления колес с рельсами, а взаимодействует с внешней неподвижной средой, т. е. полотном железной дороги.

Необходимо отметить, что наличие аварийного тормоза скоростного подвижного состава не исключает использования известных колодочных фрикционно-механических тормозов, а обеспечивает в совокупности с ними совместную согласованную работу.

К недостаткам этого известного устройства относятся следующие: - устройство содержит строго определенный объем жидкости и сжатого воздуха и для последующей подготовки для аварийного торможения необходима их дозаправка и время; - необходим постоянный контроль за уровнем жидкости и давлением воздуха и при необходимости дозаправка до исходного состояния; - для обеспечения нормального функционирования взаимосвязанных узлов и деталей устройства необходимы в большом количестве элементы контроля и управления: манометры давления, датчики уровня жидкости, термометры, электрогидро- и воздухораспределители, предохранительные клапаны, реле и пр.; - при торможении жидкостно-реактивные струи неизбежно размывают балласт между шпалами полотна железной дороги.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по своей технической сути и достигаемому эффекту является аэродинамический тормоз по патенту ФРГ N 2851973, кл. B 60 T 1/16, 1980 г., который при работе (торможении) взаимодействует с неподвижной окружающей средой т. е. воздухом.

Указанный аэродинамический тормоз (см. фиг. 1 и фиг. 2 патента) представляет собой, установленный над крышей 5 кабины 3 грузовика 1, перед фургоном 6 (грузовым сооружением), который возвышается за кабиной 3 грузовика 1, поворотный управляемый обтекатель (экран) 7 на поперечной оси 10, между опорных стенок 9, установленных на боковых стойках 13 жестко связанных с рамой 2 грузовика 1 и управляемый поворотным силовым элементом 11.

При движении (ездовое положение) грузовика 1. Управляемый обтекатель (экран) 7 расположен под углом (≈ 45^o) к направлению набегающего воздушного потока 8 и служит в качестве обтекателя для фургона 6 (грузового сооружения).

При торможении грузовика 1, управляемый обтекатель (экран) 7 поворачивается (по часовой стрелке, примерно, на 75^oC) силовым элементом 11 на оси 10 так, что передний, нижний край щита (экрана) 7 поднимается выше горизонтального уровня крыши фургона 6 (грузового сооружения), навстречу потоку набегающего воздуха 8 и создает аэродинамические тормозные усилия.

Недостатками известного решения являются следующие:
а) обтекатель (экран) аэродинамического тормоза установлен на крыше кабины перед кузовом (грузовым сооружением), который расположен выше кабины и, следовательно, может быть использован только с такой лобовой формой подвижного средства, что снижает его применяемость;
б) обтекатель (экран) имеет незначительные размеры по своей площади, что создает при взаимодействии с воздушным потоком весьма незначительную величину тормозного усилия т. е. такая конструкция аэродинамического тормоза недостаточна эффективна в работе;
в) передача тормозных усилий на раму подвижного средства, через промежуточные боковые стойки с ребрами жесткости, этим значительно усложняет, удорожает и утяжеляет все устройство;
г) тормозные усилия аэродинамического тормоза прилагаются к верхней части кабины, на большом расстоянии (высоте) от опоры колес, что при торможении создает неустойчивое положение транспортного средства, а учитывая скорость движения это может создавать опасную ситуацию и вызвать аварию;
д) обтекатель (экран) при работе не имеет промежуточных фиксированных положений (т.е. только крайние). Поэтому момент торможения возникает дискретно, резко, в виде удара.

Задачей предполагаемого изобретения является создание эффективного аэродинамического тормоза для высокоскоростного наземного подвижного состава, связанного при торможении непосредственно с неподвижной средой (воздухом) и позволяющего без значительных энергетических затрат плавно производить регулирование скорости подвижного состава на маршруте.

Задача решается тем, что аэродинамический тормоз высокоскоростного наземного подвижного состава, содержит аэродинамический обтекатель, установленный на кузове на поперечной оси с возможностью углового поворота относительно встречного воздушного потока посредством силовых элементов, причем аэродинамический обтекатель выполнен клинообразной коробчатой формы, повторяющей форму передней части кузова с П-образным поперечным сечением, для охвата лобовой и боковых частей кузова, а поперечная ось поворота обтекателя установлена в угловой зоне обтекателя и на нижней части рамы кузова, силовые элементы соединены шарнирно одним концом с рамой кузова, а другим - с боковыми стенками аэродинамического обтекателя.

Кроме этого, аэродинамический обтекатель тормоза высокоскоростного наземного подвижного состава снабжен в своей верхней лобовой части смотровыми окнами для обзора дороги.

Известно, что с целью снижения потерь на преодоление аэродинамического сопротивления окружающей воздушной среды, переднюю лобовую часть кузова высокоскоростного наземного подвижного состава делают максимально возможной аэродинамической, клиновой обтекаемой формы, к примеру (высокоскоростной подвижной состав Франции "ТЖВ-Атлантик", см. книгу: "Железная дорога от А до Я", автор: Л.П. Чарноцкая, изд. "Транспорт", Москва, 1990 г., стр. 198, верхний рисунок, или см. газету "Рабочая трибуна", N 220 (520), за 1991 г., статья: "Суперпоезда полюбились французам" и др.), поскольку аэродинамическое сопротивление движению возрастает, примерно, пропорционально квадрату скорости движения и является весьма значительным.

Новизна предполагаемого изобретения состоит в применении, с целью торможения высокоскоростного наземного подвижного состава на маршруте, изменения геометрии формы передней лобовой обтекаемой части кузова подвижного состава, в результате чего будет изменяться и аэродинамическое сопротивление движению, а, следовательно, и скорость.

Общеизвестно, что аэродинамическая сила сопротивления движению подвижного состава равна:
Q = C_w·F·q₀,
где Q - полная сила аэродинамического сопротивления в кГ;
C_w - коэффициент лобового сопротивления тела;
F - площадь (мидельное сечение) в м² (т. е. это площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную к направлению движения тела);
q₀ - скоростной напор набегающего потока воздуха в кГ/м², который зависит от квадрата скорости подвижного состава (тела).

Отсюда очевидно, что при F=Const (для конструкции данного подвижного состава) и q₀=Const (при данной скорости) сила аэродинамического сопротивления будет зависеть исключительно только от C_w - коэффициента лобового сопротивления тела.

Так для плохообтекаемых тел, типа товарного или обычного пассажирского поезда и т. п., коэффициент лобового сопротивления составляет: C_w = 0,9... 1,0; а для высокоскоростных обтекаемых электровозов: C_w = 0,3...0,4.

Максимальный коэффициент лобового сопротивления тела: C_max = 1,3.

Таким образом, только за счет изменения геометрической формы передней лобовой части кузова скоростного подвижного состава, величина среднего значения коэффициента лобового сопротивления тела будет изменяться в диапазоне: C_w = 0,35...0,95 т.е., примерно, в 3 раза.

Существенность отличий заключается в том, что благодаря наличию поворотного управляемого аэродинамического обтекателя, с возможностью плавного изменения геометрической формы лобовой части высокоскоростного подвижного состава, появляется новое свойство - активная аэродинамическая тормозящая сила, которая действует непосредственно между подвижным составом и окружающей неподвижной средой, в данном случае - воздухом (плотность воздуха в среднем ρ = 0,125 кг/м³) в диапазоне от Q_win до Q_max.

Указанные свойства позволяют производить плавное торможение высокоскоростного наземного подвижного состава на маршруте, практически без энергетических затрат.

К технико-экономическим преимуществам предлагаемого решения относятся следующие:
а) аэродинамический обтекатель тормоза и его силовые элементы установлены на нижней части подвижного состава, непосредственно на раме кузова, что способствует устойчивости подвижного состава при торможении;
б) клинообразная форма аэродинамического обтекателя повторяет (в исходном положении на маршруте) форму лобовой части кузова, в результате чего он прижимается колесами к рельсам под воздействием потока набегающего воздуха (см. фиг. 1 заявки), что способствует надежности сцепления колес с рельсами и большей устойчивости.

в) площадь аэродинамического обтекателя относительно значительна (см. фиг. 4 и 6 заявки), что создает при взаимодействии с набегающим воздушным потоком весьма значительную величину тормозного усилия;
г) аэродинамический обтекатель может быть (с помощью силовых элементов) установлен в любом промежуточном положении, что позволяет плавно регулировать величину тормозных усилий на маршруте;
д) торможение на маршруте производится практически без затрат дополнительной энергии;
е) аэродинамический обтекатель имеет застекленные окна для визуального обзора дороги;
ж) простота конструкции аэродинамического тормоза.

Сущность предполагаемого изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 - показано расположение аэродинамического тормоза высокоскоростного наземного подвижного состава на виде сбоку при движении на маршруте;
на фиг. 2 - показано расположение аэродинамического тормоза на виде сверху при движении на маршруте;
на фиг. 3 - показан вид справа фиг. 1 при движении на маршруте;
на фиг. 4 - показано расположение аэродинамического тормоза при торможении на маршруте;
на фиг. 5 - показано расположение аэродинамического тормоза на виде сверху при торможении на маршруте;
на фиг. 6 - показан вид справа фиг. 4 при торможении на маршруте.

На чертеже буквами обозначены:
A - направление движения высокоскоростного наземного подвижного состава;
B - направление встречного набегающего воздушного потока;
α - угол поворота между неподвижной лобовой стенкой аэродинамического обтекателя;
β между наружной поверхностью аэродинамического обтекателя и полотном (рельсами) железной дороги.

Предлагаемый аэродинамический тормоз высокоскоростного наземного подвижного состава (см. фиг. 1; 2; 3; 4; 5 и 6) содержит обычные колодочные или электромагнитные тормоза 1, расположенные под рамой кузова 2, который выполнен аэродинамической, клинообразной, обтекаемой формы и состоит из передней наклонной лобовой стенки 3, жестко укрепленной и связанной механически воедино с кузовом 2 и поворотного обтекателя 4 над ней, который имеет возможность поворачиваться вокруг своей нижней поперечной оси 5 на α угол, (т. е. угол, между передней наклонной лобовой стенкой 3 и подвижным поворотным обтекателем 4, равный, к примеру, от 0 до 60 ).

Поворотный обтекатель 4 (не должен превышать габаритных размеров подвижного состава в исходном положении) с боковыми ребрами жесткости 6 выполнен клинообразной коробчатой формы П-образного сечения, повторяющий форму передней части кузова 2, и на внутренних сторонах боковых ребер жесткости 6 установлены жестко полуоси 9, на которых шарнирно установлены силовые элементы 7 с помощью штоков 8 (к примеру, пневмо- или гидроцилиндры).

Причем противоположные концы силовых элементов 7 шарнирно соединены с рамой кузова 2, что позволяет, под их воздействием, поворачивать аэродинамический обтекатель 4 на угол α и фиксировать его в любом промежуточном положении.

На передней наклонной лобовой стенке 3, в верхней ее части 10, содержатся смотровые окна 11, которые совместно с боковыми стенками 12 составляет кузов 2 подвижного состава.

Поворотный обтекатель 4 имеет на уровне смотровых окон 11 кузова 2 т. е. на одной оси, в крайнем вертикальном положении аэродинамического обтекателя 4 при торможении (см. фиг. 4 заявки) смотровые окна 13 (застекленные), которые служат для визуального просмотра пути при торможении высокоскоростного наземного подвижного состава.

При работе (см. фиг. 4; 5 и 6), при маршрутном режиме, для регулирования скорости высокоскоростного наземного подвижного состава, кроме аэродинамического торможения, может использоваться фрикционно-механическое, электромагнитное, а при электротяге рекуперативное, реостатное, в зависимости от конкретной необходимости.

Применение же аэродинамического тормоза, работающего без затрат энергии при торможении, наряду с известными способами, является не только целесообразным и экономически выгодным, но и предпочтительным.

Включение аэродинамического тормоза производится из кабины машиниста путем подачи команды по проводам, в результате чего сжатый воздух или жидкость под давлением поступает в силовые элементы 7 (пневмо- или гидроцилиндры) и толкают штоки 8, которые через шарниры с полуосями 9, воздействуют на аэродинамический обтекатель 4 и поворачивает его (по часовой стрелке) вокруг нижней поперечной оси 5 на угол α и фиксируют его в этом положении (см. фиг. 4).

С момента начала поворота аэродинамического обтекателя 4 происходит плавное изменение аэродинамической клиновой обтекаемой формы кузова 2 на форму прямоугольного параллелепипеда за счет вертикально расположенного аэродинамического обтекателя 4, перпендикулярного направлению встречного набегающего воздушного потока (по стрелке B), что создает значительное увеличение аэродинамического сопротивления, в результате чего возникает аэродинамическая тормозная сила, препятствующая движению высокоскоростного подвижного состава по стрелке A.

При снижении скорости до необходимого значения, командой из кабины машиниста подается сигнал на возвращение штоков 8 силовых элементов 7 в исходное положение и аэродинамический обтекатель 4 также возвращается в исходное положение (см. фиг. 1; 2 и 3), придавая кузову 2 вновь исходную аэродинамическую клиновую обтекаемую форму.

При необходимости можно оставлять аэродинамический обтекатель 4 в любом промежуточном положении, а также возвращать его в исходное положение с любой скоростью.

Наиболее рационально использовать предлагаемое техническое решение при реализации создания высокоскоростного наземного электроподвижного состава при скоростях 160...300 км/ч, в частности, при подготовке в эксплуатацию высокоскоростной магистрали Санкт Петербург - Москва, что даст значительный технический и экономический эффект.

Формула изобретения

Аэродинамический тормоз высокоскоростного наземного подвижного состава, содержащий аэродинамический обтекатель, установленный на кузове на поперечной оси с возможностью углового поворота относительно встречного воздушного потока посредством силовых элементов, отличающийся тем, что аэродинамический обтекатель выполнен клинообразной коробчатой формы, повторяющей форму передней части кузова с П-образным поперечным сечением для охвата лобовой и боковых частей кузова, а поперечная ось поворота обтекателя установлена в угловой зоне обтекателя и на нижней части рамы кузова, силовые элементы соединены шарнирно одним концом с рамой кузова, а другим - с боковыми стенками аэродинамического обтекателя, причем аэродинамический обтекатель снабжен в своей верхней лобовой части смотровыми застекленными окнами для обзора дороги.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6