Основы аэродинамики и выбора геометрической формы БЭПС и пути для наземного движения

К задачам, связанным с одиночным движением подвижного состава, относится: установление форм подвижного состава по минимуму аэродинамического сопротивления с учетом требований эргономики, технологии и технической эстетики; оценка влияния элементов конструкции подвижного состава на аэродинамические параметры; определение аэромеханики экипажа в горизонтальных и вертикальных кривых участках пути; решение проблемы бокового ветра; выявление аэродинамики и динамики транспортной системы такого движения; определение взаимодействия подвижного состава и путевой структуры.

Проблема определения формы одно- и многосекционного высокоскоростного подвижного состава бесконтактного движения потребовала специальных экспериментальных и теоретических исследований, а также расчетных формул, в том числе для определения аэродинамического сопротивления:

Ха -+ тС^,.в] (69)

где — коэффициент, учитывающий особенности метода установления Сху, &2— коэффициент, учитывающий влияние на лобовое сопротивление внешних факторов; Сх — коэффициент аэродинамического сопротивления:

Сх = С*г.в + ^х.в + («ЭК — 1) Схтп + тСхп_ в = (?-Гф.г.в + С,„ в) +

+ (Ч,в + С^.х.в) + ~ 1} С*ф.м.п + тСх?.т1.в’

Здесь С.Гф= С,фгв +С,фхвХфмл(п-1)-коэффициент формы (давления); Схх^^-Сх^ха~-тСхл^ пв-коэффициент трения;С*ф г СЖф х — коэффициенты сопротивления формы головного и хвостового экипажей; С* ; Сх ; Сх -коэф-

Т*Г’В г»и» н фициенты сопротивления трения головного, хвостового и промежуточного вагонов (экипажей); СХг „; Схх в; СХп в-коэффициенты силы лобового сопротивления головного, хвостового и промежуточного вагонов; т„ = пэк=2 — число промежуточных вагонов в составе; пэк — число вагонов в составе; СХ -коэффициент сопротивления (давления) межвагонного промежутка; рв, V, Зм — см. зависимости (6.6) и (6.7).

Результаты расчетов по формуле (6.9) при а=0=140 м/с; =0,007 = 0,8; С, = 0,0Э7-ь0,8; Сх =0,1- 0,2; С =

= 0=0,025; пэк= 1 = 10; 5М=9=12 м2; &1 = 1,2; 62 = 1 приведены в табл. 6.1 и на рис. 6.4-6.8. Из данных табл. 6.1 и рис. 6.4—6.7 можно сделать следующий вывод: увеличение числа экипажей в составе приводит к росту аэродинамического сопротивления Х&. При ЭТОМ ДХа = А’а/АГа *• Форма головного и хвостового экипажей существенное влияние на аэродинамическое сопротивление оказывает только для коротких составов. С увеличением длины составов Ха резко уменьшается и возрастает за счет обтекаемости промежуточных экипажей и наличия межэкипажных промежутков.

Уменьшение поперечного сечения экипажа ведет к снижению Ха пропорционально его площади.

На основании рассмотренного целесообразно для многоэкипажного подвижного состава больше внимания уделять достижению лучших аэродинамических форм промежуточных экипажей и промежутков между ними, а для односекционного экипажа- добиваться минимума сопротивления давления улучше-

6.1. Зависимость аэродинамического сопротивления Хх от числа экипажей в составе при скорости V = 500 км/ч и коэффициента аэродинамического сопротивления Сх

Коэффициент

103-кН,

при числе экипажей, шт.

мического

I

сопротиа-

I

2

3

4

5

6

7

8

9

10

ЛЄНИЯ Сх

0,007 ¦

0,1

2

16

32

45

60

78

89

103

118

0,2917

40

83

100

116/

128

143

157

172

186

200

0,3120

45

92

105

120

‘ 135

150

163

177

193

208

0,3323

48

98

112

125

140

155

170

184

197

212

0,3527

51

103

118

132

146

161

175

190

203

218

0,3730

54

• 108

122

138

152

166

180

196

215

223

0,3933

57

115

130

143

159

172

186

201

217

229

0,4137

60

120

136

150

163

178

192

207

222

234

0,4340

63

‘ 125

141

156

168

184

199

213

227

241

0,4543

66

130

146

160

174

190

204

218

232

246

0,4747

69

138

152

166

181

145

210

225

239

251

0,4950

72

144

159

172

187

215

217

231

245

256

ниєм формы головной и особенно хвостовой поверхностей вагонов.

Как показали исследования Ленинградского института инженеров железнодорожного транспорта (ЛИИЖТ), создание оптимального по Ха экипажа на магнитном подвесе возможно лишь теоретически. Практическое воплощение такого экипажа является затруднительным и нецелесообразным из-за чрезмерной длины головного и хвостового обтекателей, нереверсивно-сти экипажа и высокой стоимости его изготовления.

Основными элементами поверхностей реально выполнимых экипажей являются плоскости и сферы в таких сочетаниях, когда: головная часть и кузов состоят из плоских поверхностей; головная часть — из сферических поверхностей, а кузов — из плоских; головная часть — из плоских поверхностей, а кузов—из сферических; обе части состоят из сферических поверхностей. Кабина управления либо выделяется в очертании головной части, либо выполняется заподлицо с основными образующими ее поверхностями при достаточно близких для обоих вариантов значениях Сх. В общем случае схожие по методу образования формы головных частей экипажей могут иметь различные значения Сх и, наоборот, одинаковые Сх обеспечиваются принципиально различными формами.

Например, для головной и хвостовой частей десятиэкипажного состава высокоскоростного наземного транспорта бесконтактного движения были рекомендованы плоские поверхности, а для кузова — сферические. При этом следует стремиться головную часть составить из наименьшего числа поверхностей

Рис. 6.8. Форма головной части высокоскоростного экипажа:

/, 2 •- лобовая часть; 3 — крыша; 4 — днище (7? і — 680. /?2 — 305, І?з = 170 мм; варианты

Трансформирования формы: А — а=3бв,

*=63°; Б — 0=45°, 0-65°; В -а«30°; 0=5(Г;

Г — а=55°, &=70®

(рис. 6.8) с поднятием передней кромки ее профиля не более 1/3 высоты кузова от днищевой поверхности 4. На рис. 6.8 показано возможное трансформирование формы для конкретных вариантов экипажей при сохранении достигнутых высоких аэродинамических показателей, ее универсальности, унифицированности, удовлетворения требованиям технологии изготовления и эргономики. В плане форма (рис. 6.8)-открытый прямоугольник, образованный боковыми и лобовыми поверхностями, плавно сопряженными по радиусам /?=370 мм.

Для такого подвижного состава наряду с минимумом аэродинамического сопротивления не менее важны аэромеханиче-ские взаимодействия, возникающие при движении. Достижение этого потребовало первоначальную модель по рис. 6.8 в плане выполнить в виде параболы как с сохранением по величине углов аир, так и с их уменьшением. Цель также достигается при выполнении кузова на основе фюзеляжа самолета цилиндрической формы с головной и хвостовой частью в виде параболоидов (ИЛ-18).

Аэродинамические нагрузки, на рассматриваемые профили приведены на рис. 6.9. Для подвижного состава бесконтактного наземного движения наряду с минимумом аэродинамического сопротивления, достигаемого за счет формы его концевых экипажей, важную роль играют силовые аэромеханические взаимодействия, возникающие в процессе движения. Характер аэродинамического взаимодействия подвижного состава и пути при большой скорости движения в значительной степени определяет параметры динамических связей в подвешивании.

Если для контактного железнодорожного транспорта форма профиля пути не является дискуссионной, то для рассматриваемого здесь вида транспорта с магнитным подвешиванием подвижного состава пока нет однозначной рекомендации по форме путевой структуры. В то же время совершенно ясно, что на характер рассматриваемого взаимодействия определяющее влияние оказывает форма конструкции пути.

Рис. 6.9. Аэродинамические нагрузки на профили экипажей:

1 — Уа (см. рис. 6.2) и 2 — Му (см. рис. 6.3) для варианта В (см. рис. 6.8); 3 — Му для варианта А; 4, 5 — Мг для вариантов Б и В; 6, 7 — Хг для вариантов А и В; 8, 9 — Мх для вариантов А и В; 10 — Мг (со знаком минус) для варианта А

Рис. 6.10. Геометрические модели экипажей: а — кузов и ходовая часть для бесконтактного движения с позиций аэродинамического взаимодействия; б — расположение путевой конструкции в нижией части подвижного состава, вариант й2=0; В=ВХЧ в -то же. вариант *1=0; А2=0; # ВХЧ; г — расположение экипажа в путевой конструкции, вариант В<ВХЧ; д — то же, вариант В<ВХЧ, /ц-0; е — экипажи с плоской путевой структурой, вариант В>Вхч1 ак- то же, вариант *1=0; В>ВХЧ

Известно много предложений по форме путевой конструкции, которые с позиций аэромеханического взаимодействия приведены к обобщенным геометрическим моделям и представлены на рис. 6.10, 6.11. С точки зрения распределения воздушного потока вокруг экипажа вблизи пути возможны три разновидности системы «экипаж — путь»:

с расположением путевой конструкции в нижней части подвижного состава (охватываемая Т-образная, характеризуемая меньшим влиянием пути на характер обтекания экипажа);

экипаж расположен в путевой конструкции (охватывающая ГИ-образная). В этом случае для процесса обтекания экипажа не безразличны параметры путевой конструкции;

Рис. 6.11. Геометрические модели ходовой части экипажа: а — обобщенной Т-образной формы; б — то же, вариант 61 — 0; 62-=0; Л, =-0; й2-0; в — то же, вариант 6,=0; 6»=0; 6,=0; /11=0; й3=0; г — то же, вариант 6,-0; 6«=0, йз-0; о -то же,, вариант й^<Я; е -то же, вариант Л);<Я; ж — _ -образной формы; з —

то же, вариант 62-6,«0; й2-0; й3=0; и — то же, вариант 62=6,-0; Л3=0; й2-0; К — то же, вариант 63-0; 6,=0; й3=0; л — то же. вариант й ^ > Я; м — то же, вариант йя<

<Н; в — плоской формы, вариант 6,-6,=0; /и-й3=0; о -то же, вариант V-

-0; л -то же, вариант й^-Я; /{=0

средняя — плоская.

Аэродинамическое взаимодействие экипажа и пути определяется их конструкцией, расстоянием друг от друга и скоростью движения. Исследования ЛИИЖТ как в безграничном потоке воздуха, так и вблизи экрана, имитирующего путевую структуру корытообразного (и) и Т-образного профиля, позволяют сделать следующие выводы: форма путевой структуры существенно влияет на аэродинамические характеристики экипажа; возможно достижение значения Сх односекционного экипажа на уровне 0,3-0,4; высокая вероятность у экипажей различных исполнений коэффициентов подъемной силы С{,=0,1-г-0,5 и пикирующего (отрицательного) момента тангажа в пределах ягг=0,05-^-0,12; на смещение положения центра давления дгц.д в хвостовую часть экипажа в сильной мере влияют формы экипажа и пути.

Качественное сопоставление всех трех систем «путь — экипаж» выявляет при равных условиях предпочтительность Т-образного исполнения, поскольку для него сравнительно С ш-об-разной конструкцией: подъемная сила примерно в 2 раза больше; сила лобового сопротивления выше на 20-30% (из-за увеличения боковой поверхности трения меньшей площади перекрытия подэкииажного пространства и более высокого индуктивного сопротивления); динамическое качество более чем в 2 раза выше (на экипаж действует пикирующий момент тангажа, больший в среднем на 5-15%, а центр давления при этом смещается на 5-10%).

Важной аэродинамической характеристикой высокоскоростного бесконтактного движения является аэродинамическое качество (К), представляющее собой отношение полезной работы, совершаемой воздушным потоком, к вредной работе по преодолению сопротивления его движению. Следовательно, форма должна обладать высоким аэродинамическим качеством. На аэродинамическое качество оказывает влияние также конструкция пути. Например, при цилиндрическом кузове на базе фюзеляжа самолета ИЛ-18 путь не оказывает существенного влияния на изменение аэродинамического качества, а при форме (см. рис. 6.8) с Т-образной путевой системой влияние заметно выше, чем при сопряжении с -образной путевой системой.

Численные значения аэродинамических сил и моментов натурных экипажей шириной 3,14 м приведены на рис. 6.12, где сила лобового сопротивления Ха в среднем составляет 40 кН, подъемная сила Уа — 50 кН, а момент Мг-более 160 кНм.

Исследования влияния на аэромехапические параметры отдельно головной и хвостовой частей экипажей в сочетании с теми же типами путевых структур показали, что Т-образный путь способствует росту Сх, Су и аэродинамического качества, а также уменьшению центра давления лгц.д по сравнению с ы-образной путевой структурой; форма кузова и хвостовой части определяет момент тангажа, влияние головной части невелико; изменение формы кузова и хвостовой части приводит к существенному изменению всех аэродинамических характеристик.

Рис. 6.12. Зависимости аэродинамических сил и моментов от скорости движения экипажей различного исполнения:

1, 2, 5, 6, 9, 10 — Т-образная форма ходовой части экипажей; 3. 4, 7, 8-“* -образная форма ходовой части экипажей

Если формы пути не оказывают влияние, то при удобообте-каемой головной части экипажа наблюдается сильное снижение силы лобового сопротивления. Такая же форма хвостовой части вызывает снижение этой силы на 15-30%.

Несимметричность профиля экипажа, обусловливаемая снижением передней кромки головной части или задней кромки хвостовой части к днищу, вызывает отклонение минимума Сх от а=0 и изменение приращения по углу атаки дСх/да. Плохообтекаемая симметричная форма имеет характерную зависимость Су, тг и К от угла атаки, проходящую при а = 0 через центр осей координат. Наличие головного обтекателя смещает эту характерную точку вправо, т. е. в сторону положительных значений угла атаки, а наличие хвостового обтекателя — влево. Момент тангажа определяется хвостовым обтекателем, что обусловливает более позднее по положительному углу атаки достижение им нулевого значения из-за смещения зависимости вправо вниз. Последнее наблюдается и для зависимости т2у). Плохообтекаемая головная часть вызывает низкое приращение аэродинамического качества К по углу атаки и смещение поляр вправо. Поляра плохообтекаемого симметричного тела симметрична относительно оси Сх- Хвостовой обтекатель вызывает смещение ее вверх, а головной—вниз. Симметричное плохообтекаемое тело имеет постоянное положение центра давления хц.д, не зависящее от угла атаки.

Изменение формы хвостовой части экипажа, предназначенного для высоких скоростей движения, оказывает более сильное влияние на его аэродинамические характеристики, чем изменение формы головной части. Для головного экипажа состава изменение формы головной части дает меньше возможностей в формировании требуемых аэродинамических характеристик. Характер их изменения в значительной мере связан также с положением передней и задней кромок профиля от днища экипажа. Исходя ИЗ системы оценочных критериев: С* ; С4,шах; /Игт(п;

/Стах! ^ц.д 1п—наилучшей формой односекционного экипажа с ЭМП для реверсивного движения со скоростями о=350-^ 400 км/ч является вариант по рис. 6.8 со сферическим и прямоугольным поперечным сечением.

На аэромеханические параметры большое влияние оказывают размеры подвижного состава. С увеличением длины экипажа до (где Взк — его ширина) сила лобового сопротивления возрастает. Рост ширины и высоты Я приводит соответственно к повышению подъемной и боковой сил. Характер их изменения довольно сложен из-за того, что основные размеры взаимосвязаны между собой. Так, с увеличением ТЭк при сохранении Язк и Вэк имеет место, с одной стороны, рост коэффициентов Су и Сг, а с другой — снижение удлинения Я = Вэк1 1ЭК сопровождается падением Су.

Изменение геометрических размеров приводит к нарушению первоначальной формы головных частей, а это сказывается на характере изменения аэродинамических параметров. Кроме того, с увеличением длины экипажа происходит смещение мини-„ „ дСх

мума Сх в сторону отрицательных значении, рост —-в сторону положительных углов атаки от точки Сх [п, но падение

— — в сторону отрицательных углов атаки от той же точки. да

Смещаются также нулевой угол атаки Цо(аС!1 = 0) и значения угла атаки, соответствующие т — 0, /(=0, в сторону отрицательных углов атаки, а также поляра и функция тгу) вправо вверх. Наконец, проявляются рост приращения подъемной силы дСц/да, момента тангажа дтх/да и аэродинамического качества дК/да по углу атаки; сужение функции хц.Д(а) по углу атаки; подъемной силы; кабрирующего момента тангажа и аэродинамического качества при а=0.

Все это позволяет при оптимизации формы подвижного состава использовать как профилирование головных частей, так и выбор значений Ьэк, Вэк и Яэк экипажа с учетом ограничения высоты по эргономическим требованиям.

Возмущения при наземном движении БЭПС | Транспорт с магнитным подвесом | Основы аэромеханики наземного движения БЭПС

Добавить комментарий