Задачи аэромеханики ограничены рассмотрением одиночно го бесконтактного движения подвижного состава в горизонтал* ных и вертикальных участках пути, по переломному профилю I в кривых и проблемами, обусловленными боковым ветром, встречным движением и возникающими дополнительными нагрузками на динамические связи БЭПС (см. рис. 6.3) от аэродинамических сил.
Суть проблемы одиночного бесконтактного движения по переломному профилю заключается в том, что положение подвижного состава относительно набегающего потока (а) и путевой конструкции (к) непостоянны. Аэродинамические процессы при одиночном движении по вертикальным кривым, нестационарны. Только изменение угла атаки приводит к следующему:
росту сил лобового сопротивления для симметричных экипажей- симметрично оси а = 0, а для несимметричных — несимметрично относительно ТОЧКИ Схт[п— Приращение определяется особенностью формы экипажа и различно для +а и -а;
увеличению подъемной силы с ростом положительного угла атаки, причем почти линейно при его малых значениях. Точка пересечения Су (а) с осью а характеризует нулевой угол атаки, значения которого могут быть как положительными, так и отрицательными в зависимости от форм экипажа. Приращение дСу/да зависит от геометрических параметров экипажа;
изменению момента тангажа и аэродинамического качества, подобно изменению подъемной силы, сил СУ(СХ) и моментов тг(Су), действующих на экипаж и показывающих направления и величину вектора аэродинамической силы, продольную устойчивость экипажа;
смещению центра давления, что создает перераспределение аэродинамического нагружения динамических связей экипажа ¦ и влияет на момент тангажа.
Изменения аэродинамических характеристик экипажа с изменением угла атаки а и относительно расстояния к (относительная высота движения) имеют достаточно сложный характер. Он отражается как в трансформировании структуры обтекания, так и на аэродинамических нагрузках. Данные изменения характеризуются ростом момента тангажа до некоторого критического значения; подъемной силы с уменьшением расстояния к на положительных углах атаки и падением ее на отрицательных углах.
Разграничением этих изменений является некоторый критический угол атаки, при котором изменения подъемной силы не существенны; лобовая сила сопротивления также зависит от угла атаки, причем для очень малых расстояний к может и снижаться. Дополнительно будет наблюдаться смещение нулевого угла атаки cto в сторону отрицательных значений а с уменьшением расстояния h и изменение положений Сх и тг~0. На штенсивность всех рассмотренных изменений и значений кри-яческих углов атаки и расстояния влияет форма головной и шостовой частей экипажа, а также его геометрические параметры.
Особенностью движения подвижного состава в кривом участке пути является повторение им геометрии кривой в плане, в результате чего профиль состава получит вогнутость радиуса кривой и будет испытывать при ветре дополнительное действие боковой силы и момента рысканья, могущих привести к потере боковой устойчивости. В связи с этим целесообразно отметить следующее.
1. Сила лобового сопротивления с изменением угла скольжения имеет минимум коэффициента С* 1п-1,1 ПРИ а=12°. Значение С*т(п до этого минимума снижается, а после него растет.
Ниже приведена зависимость коэффициентов аэродинамического сопротивления сх и подъемной Су от угла атаки а° (н«>= = 28 м/с, Sm=10~4‘m).
|
а°…. |
.. 0 |
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
|
ся…. |
.. 3,58 |
3,28 |
2,91 |
2,41 |
1,86 |
1,37 |
|
Су * • • • |
.. -4,28 |
-4,3 |
-4,35 |
-4,15 |
-3,8 |
-3,35 |
|
а°…. |
26 |
28 |
30 |
32 |
34 |
|
|
сх…. |
.. 2,41 |
2,58 |
2,88 |
3,38 |
3,7 |
4,3 |
|
Су…. |
1,75 |
2,88 |
3,54 |
3,4 |
3,81 |
4,36 |
|
а°,… |
.. 12 |
14 |
16 |
18 |
20 |
22 |
|
Сх…. |
.. 1,10 |
1,43 |
1,54 |
1,75 |
2,10 |
2,29 |
|
Су…. |
.. -2,85 |
-2,35 |
-1,8 |
-1,16 |
-0,5 |
0.7 |
|
а°… — |
.. 36 |
38 |
40 |
42 |
44 |
|
|
Сх…. |
5,62 |
6,15 |
6,85 |
7,46 |
||
|
Су…. |
5,54 |
6,12 |
6,55 |
7,85 |
2. Боковая сила при углах скольжения, близких к нулю, действует на состав от центра кривой. Ее коэффициент Св = = -4,35 при а = 4°. Дальнейшее возрастание угла а приводит к падению Су до нуля при нулевом угле, в нашем случае ао — = 21°. Далее значение Су увеличивается с ростом а.
3. Всесторонний анализ соотношений Сх и Су, связанных между собой зависимостью СХ(СУ), может быть выполнен по данным, приведенным выше. К этому следует добавить, что от угла а выше 30° Сх и Су увеличиваются почти пропорционально силе і?а. По направлению ветра задачи подразделяют для неподвижного состояния поезда и поезда, находящегося в движении. В первом случае действие бокового ветра возможно под углом грт(р) от 0 до 360°, а во втором — в диапазоне 0°^фа,<С <С90°. Причем максимум ф не зависит от формы экипажа, а определяется скоростью т н направлением фи, ветра и скоростью движения экипажа. В связи с этим при практическом решении задачи необходимо рассчитать истинные углы набегающего воздушного потока фо, И его скорость Уист-
Экспериментальные исследования по изучению влияния изменения угла скольжения р ("ф«,) на аэродинамические характеристики высокоскоростного экипажа массой 40 т бесконтактного наземного движения со скоростями до 500 км/ч позволили установить, что коэффициент силы лобового сопротивления Сх с увеличением угла скольжения р изменяется. При р = 90° Сх равен коэффициенту силы лобового сопротивления при поперечном обтекании по’движного состава. С изменением коэффициента боковой силы С.~а осесимметричных экипажей он имеет максимум при р = 45°. Коэффициент момента рысканья изменяется аналогично изменению коэффициента Сга—Г
Дополнительное влияние основных конструктивных особенностей подвижного состава и путевой структуры на его аэроме-ханические параметры при движении с боковым ветром объясняется следующим. Пропорционально увеличению длины экипажа растут аэродинамические силы и моменты при всех значениях углов скольжения. При большей высоте экипажа пропорционально ее росту возрастают поперечная и продольная силы. С увеличением ширины экипажа пропорциональность роста аэродинамических сил и моментов нарушается. Значения С2а и ту при Т-образном пути меньше, чем в и-образном во всем диапазоне р. При 0°^р^35° силы лобового сопротивления и продольная меньше в случае применения Т-образного пути, чем при (-/-образном, а при р>35° — наоборот. В Т-образном пути при 15° <С р < 45° поперечная сила меньше, чем в ы-образном; при р<15° форма пути несущественно влияет на изменение поперечной силы. Продольная сила увеличивается с уменьшением длины тележек, а поперечная сила уменьшается. Для удобообтекаемости головных частей небольшие изменения силы лобового сопротивления имеют место при углах скольжения {3^45° и зависят от формы его хвостовой части. Плохообтекаемая головная часть создает более высокую силу лобового сопротивления при 0о^р<30°. чем удобообтекаемая. Коэффициент силы лобового сопротивления при р=0° и р=90°, а также Сгъ и ту при р=90° однозначно характеризуют форму экипажа. Сочетание форм головной и хвостовой частей экипажа определяют максимумы Сг& и ту, а также их приращения по углу скольжения до и после этих максимумов, причем форма оказывает наибольшее влияние на дту/др при р>>45°.
В реальных условиях эксплуатации скоростного наземного бесконтактного подвижного состава угол скольжения р(фо,)<§; <С90° и составляет не более 15-30°. Наиболее существенными являются аэродинамические коэффициенты и приращения их по углу скольжения при р=0°.
Расчет аэродинамических сил и моментов, действующих на экипаж, для рассматриваемого движения при боковом ветре по одной из методик [8] показал, что они должны быть в 2- 4 раза выше действующих ныне. Характер аэродинамического взаимодействия бокового ветра на стоящий и движущийся экипаж различен. В последнем случае наиболее опасным по поперечной силе и моменту рысканья является направление ветра от 60 до 90°. Наиболее неблагоприятное направление ветра при скорости менее 20 м/с — встречное (р = 0°), а при скорости ветра более 20 м/с — под углом 40-60°.
Наличие второго пути или станционного развития вызывает случаи как встречного движения подвижного состава, так и движение одного мимо стоящего другого. Из экономических соображений расстояние между соседними путями должно быть наименьшим, а из аэродинамических, как’ это видно на рис. 6.13 и 6.14 — наибольшим. Наличие на соседнем пути в какой-то момент времени подвижного состава создает стеснение воздушного потока, неравномерность распределения давлений по боковым поверхностям и нестационарное аэродинамическое взаимодействие составов. Оценка этого явления должна производиться с позиций прочностной Целостности конструкции, комфортных условий в салонах экипажей, а также поперечной устойчивости подвижного состава.
Теоретические исследования данного вопроса чрезвычайно сложны, а накопленный материал по результатам ранее проведенных исследований обычного скоростного железнодорожного подвижного состава нельзя применить для бесконтактного еще более скоростного. На основании исследований ЛИИЖТ приведенных в работе [8] ниже даны обобщенные данные.
На рис. 6.13 показано изменение избыточного давления на внутренних поверхностях подвижных составов в момент их встречи при различной скорости движения.
Пиковые давления определяют знакопеременную поперечную аэродинамическую силу краткого действия, определяемую массой подвижного состава и прочностью отдельных элементов его конструкции.
Сужение воздушного пространства между поездами в момент их встречи, а также преобладание отрицательной составляющей импульса давлений от головной волны при высокой скорости ее перемещения относительно боковой поверхности подвижного состава приводит к появлению квазистационарной поперечной аэродинамической силы. Ее величина определяется средним избыточным давлением и характерной площадью подвижного состава. С учетом проработок конструкций ЭПС при построении за висимостей ка рис. 6.12 характерная площадь взята равной 75 м2.
Графики на рис. 6.14 характеризуют зависимость среднего избыточного давления от расстояния 2(I между боковыми поверхностями встречных поездов. Здесь показаны границы минимальных значений 2й по условию невозникновения между встречными поездами аэродинамического взаимодействия менее 40 кН. Так, при скорости 50 м/с это расстояние должно быть больше 0,36 м, при 100 м/с-0,61 м, а при 150 м/с-1,25 м. Когда поперечная сила равна 20 кН, указанные расстояния соответственно достигают 0,75; 1,25 и 1,96 м.
Исследования показали, что явления аэродинамического взаимодействия при встречном бесконтактном движении высокоскоростного подвижного состава на магнитном подвесе в более широком смысле практически еще не изучены. Здесь требуются
Рис. 6.13. Зависимость давлений на внутренних поверхностях БЭПС от скорости в момент встречи при различных расстояниях 2(1 между ними:
1-5 -пиковые давления соответственно при 2й, равном 0,86; 0,6 и 0.3; 4, 5 и 7 — то же при 2А, равном 0,3; 0,5 и 0,86; 6, 8, 9 —средние значения при 24, равном 0,3; 0,5 н 0,86
Рис. 6.14. Зависимость среднего давления, определяющего от расстояния между внутренними поверхностями подвижного состава в момент встречи при скоростях:
1 — 150 м/с; 2 — 100 м/с; 3 — 50 м/с; 4, 5 — верхняя и нижняя границы зо-ны ±#*ин при 7?"=4т; 6— 7 -гра-
НИЦЫ ЗОНЫ При соответственно равной 4 и 2 т; 8, 9 и 10 — средние давления на внешние поверхности при V, равной 150, 100 и 50 м/с как разносторонние планомерные исследования, так и разработка эффективных методов исследований.
Рассмотрим дополнительные нагрузки на динамические связи подвижного состава от аэродинамических сил: от нормальной силы на элементы подвеса
Яу=У^9Л = КСудС‘,?и/МЭ‘П, (6.10)
где М,.п — число элементов подвеса; дс.п — поток (6.6); 5„ -характерная площадь; К = Уа/ха = 0,6 -г 1.0 — аэродинамическое качество: 0,6 — для экипажа в ьл-образной и 1,0 — для экипажа в Т-образной путевых структурах; Уа-кСуд8м— подъемная сила; ?- коэффициент, учитывающий особенности метода определения Та; С,=0,2ч-0,4- коэффициент подъемной силы: первое значение для экипажа с ЭМП для ш-образного, а второе — для Т-образного пути;
от поперечной силы на элементы боковой стабилизации
Pг=Zj^f<: = kCzgcмSJNc, (6.11)
где Nс — число элементов боковой стабилизации; Сг < 0,18- коэффициент боковой силы;
от продольной силы на соответствующие элементы подвеса
±-~^=±кСхд8м, (6.12)
где Лц.д — расстояние от линии действия продольной аэродинамической силы до плоскости подвеса; 21-база экипажа по элементам подвеса;
от момента крена на элементы подвеса
Qn^Xl2=±-~-==±kmigcлSu~ (6.13)
и на элементы боковой стабилизации
Ртх1Л= ±^= ±^с.А^-, (6.14)
где аэродинамический момент крена
Мх~ктхдСшП8 ; (6.15)
^^0,0005 — коэффициент аэродинамического момента крена, определяемый либо условиями стеснения воздушного потока, либо несимметричностью экипажа относительно вертикальной продольной плоскости симметрии; ?эк, 2Ь, 2ЬС — длина экипажа и расстояние между боковыми опорами соответственно элементов подвеса и стабилизации.
От момента рысканья на элементы боковой стабилизации
где аэродинамический момент рысканья
Му=ктудсл8мЬ; (6.16)
т»^0.05 — коэффициент аэродинамического момента рысканья; 2/с-база экипажа по элементам стабилизации; от момента тангажа на элементы подвешивания
^м21,2== -~2^== ^.к,ПгЯе..^-л -, (6.17)
где аэродинамический момент тангажа
Мг^=ктгдсм8ыЬ; ‘ (6.18)
ягг=^0,08 — коэффициент аэродинамического момента тангажа;
от суммарного аэродинамического воздействия подъемной силы и момента тангажа
Аэродинамические нагрузки конкретного г’-го элемента динамической связи экипажа определяются совокупностью всех Я; или в соответствии с динамической структурой экипажа и расчетной схемой, например, по рис. 6.3. Соотношение подъемной силы Уа и силы лобового сопротивления Х0 определяет аэродинамическое качество экипажа /Са- Точка приложения вектора аэродинамической силы Ка (центр давления) по углу атаки по углу скольжения
На основе анализа характеристик, полученных в процессе аэродинамических исследований, следует отметить, что: продольной статической устойчивостью по углу атаки подвижной состав на магнитном подвесе при реверсивном высокоскоростном бесконтактном движении (хц.т=0,5) ‘ не обладает, так как дті^0; на расстоянии /і<АКр рассматриваемый подвижной состав продольно устойчив по высоте движения (хц.т=0,5). а при /г>/гкр— неустойчив, так как при а>акр и дСу^>0 и при а<акр <0 и дСу<^0′, для обеспечения продольной статической устойчивости такого подвижного состава должны быть соответствующим образом выбраны его динамические связи [70].
⇐Основы аэродинамики и выбора геометрической формы БЭПС и пути для наземного движения | Транспорт с магнитным подвесом | Выбор и оценка динамических качеств экипажей с различными схемами ходовой части для движения БЭПС⇒