В статье рассматривается система аэродинамического торможения, применяемая на высокоскоростных поездах с целью повышения эффективности тормозных систем и снижения износа механических компонентов. Исследуются принципы аэродинамического сопротивления, потенциальные конструктивные решения для интеграции данного способа торможения в современные железнодорожные системы. На основе математического моделирования и данных экспериментальных исследований оценивается эффективность аэродинамического торможения в сравнении с традиционными методами торможения.
Ключевые слова: высокоскоростные поезда, сопротивление воздуха, железнодорожный транспорт, аэродинамическое торможение, безопасность движения, аэродинамический тормоз.
Актуальность темы исследования.
Повышение скоростей движения предъявляет особые требования к надёжности и эффективности тормозной системы. Тормозная система является как средством обеспечения безопасности движения поездов, так и механизмом, позволяющим увеличить скорость движения и уменьшить межпоездные интервал.
Высокоскоростной подвижной состав (ВСПС) оборудован механическим, электродинамическим и магниторельсовым тормозом, при этом тормозной путь со скорости 360 км/ч составляет несколько километров при замедлении 1 м/с 2 … 1,5 м/с 2 . Одним из путей сокращения тормозного пути является применение более эффективных тормозных средств. К таким средствам, применяемым на ВСПС относится аэродинамический тормоз.
От чего зависит тормозной путь
На тормозной путь влияет:
̶тормозная сила:
- конструкция тормозов;
- сила сцепления колеса и рельса;
̶сила сопротивления движения.
Сила сопротивления движения поезда существенно зависит от скорости движения поезда и влияет на ускорение и замедление. Существенной составляющей силы сопротивления движения является аэродинамическое сопротивление, достигающее при высоких скоростях 70…80 % и более от величины основного сопротивления. Обычно аэродинамическое сопротивление пытаются минимизировать, чтобы уменьшить расход электроэнергии и развивать большие скорости.
Проблематика исследования аэродинамики поезда
При анализе аэродинамики поезда очень часто делают отсылку на аэродинамику самолёта, но условия эксплуатации поездов отличаются:
– поезда двигаются приближённо к земле;
– поезда проезжают очень близко друг к другу и к элементам инфраструктуры;
– у поезда гораздо большее отношение длины к площади поперечного сечения, чем у самолёта, из-за чего очень сильное влияние начинает оказывать боковой ветер, а также оказывает влияние сопротивление вязкого трения.
Основы аэродинамики
Аэродинамическое сопротивление тела, помещённого в поток вязкой жидкости [1], Н
где С х — коэффициент аэродинамического сопротивления, определяется экспериментальным путем с мощью обдувки моделей подвижного состава в аэродинамических трубах. Зависит от сплошности поперечного сечения поезда;
ρ — плотность воздуха, ρ = 1,29 кг/м 3 ;
V — скорость движения электропоезда, м/с;
S — наибольшее поперечное сечение поезда, м 2 .
Как можно заметить, с увеличением скорости движения, сопротивление движению квадратично возрастает. Как отмечалось ранее при скоростях выше 250 км/ч аэродинамическое сопротивление будет составлять 75–80 % от общего сопротивления движению.
Как видно из формулы (1), можно намеренно увеличить сопротивление движению поезда на высоких скоростях, увеличивая площадь поперечного сечения S и коэффициент аэродинамического сопротивления С х .
Методы исследования аэродинамики
Коэффициент аэродинамического сопротивления зависит от множества факторов: форма головной и хвостовой частей поезда, наличие и размеры межвагонных промежутков, токоприёмников, расположение подвагонного оборудования, шероховатость поверхности поезда. Часто его определяют экспериментально на натурном образце подвижного состава или на физических моделях в аэродинамической трубе, также эту величину можно определить расчётом с использованием методов вычислительной гидродинамики.
Испытания, полученные на натурных образцах, являются наиболее достоверными, но получение результатов сопряжено с большими материальными затратами, а также организационно-техническими сложностями.
Из-за возникающих проблем аэродинамические испытания поезда производят в лабораторных условиях. Для испытаний изготавливают модель поезда в масштабе не меньше 1:10, чтобы учитывать такие факторы, как межвагонные переходы, влияние пантографа и тележек, однако ряд факторов, влияющих на аэродинамическое сопротивление в условиях лаборатории невозможно реализовать (завихрение воздуха от колёсных пар).
Вычислительные методы позволяют определить с минимальными материальными затратами целый ряд аэродинамических параметров, однако для таких методов также свойственен ряд недостатков, связанных с учётом взаимных перемещений поезда и его элементов друг относительно друга, поверхности земли и инфраструктуры, а также характеристики поверхностей.
Понятие аэродинамического торможения
Аэродинамический тормоз находит применение на ряде подвижного состава, производимых и эксплуатируемых за рубежом, в частности для Японии это поезда Fastech 360 [2] (рисунок 2) и Alfa X [3] (рисунок 3).
Аэродинамическое торможение осуществляется за счет увеличения воздушного сопротивления движению созданием дополнительной турбулентности потока воздуха, обтекающего движущийся поезд. Это достигается применением аэродинамических элементов, создающих дополнительное сопротивление. Для этого на крыше вагонов размещают аэродинамические системы в виде лопастей или выдвигающихся из кузова вагона специальных закрылок. (рисунок 1).
Рис. 1. Принцип работы аэродинамического тормоза
Рис. 2. Закрылка аэродинамического тормоза японского электропоезда Fastech 360
Согласно зарубежному опыту, аэродинамические тормоза позволяют сократить тормозной путь до 5 % [4].
Аэродинамические тормоза устанавливаются на крыше высокоскоростного поезда, при необходимости торможения тормоз активируется и его элементы выдвигаются, увеличивая аэродинамическое сопротивление. Выдвижной механизм имеет пневматический или электрический привод и позволяет регулировать угол выдвижения закрылок для преднамеренного увеличения сопротивления движению контролируемым образом. Механизм спроектирован таким образом, что он всегда будет работать в пределах габарита подвижного состава.
Рис. 3. Аэродинамический тормоз электропоезда Alfa X
Методика испытаний модели
Расчёты производились для экспериментального высокоскоростного поезда (рисунок 4, 5), который имеет следующие технические характеристики:
– Сопротивление движению поезда в режиме выбега по формуле ВННИЖТ, Н/кН
– Удельная тормозная сила, Н/кН
̶Расчётный коэффициент трения
Рис. 4. Модель поезда с активным аэродинамическим тормозом
Рис. 5. Модуль аэродинамического тормоза в состоянии открытия на 30º
– Расчётный тормозной коэффициент
где
– Вес поезда: 1120 т;
– Площадь поперечного сечения вагона: 8,229854 м 2 ;
– Коэффициент аэродинамического сопротивления 0,18 по результатам зарубежных испытаний [4].
Приняты следующие основные параметры закрылок аэродинамического тормоза:
– Высота закрылка 456 мм;
– Ширина закрылка 1120 мм;
– Площадь поперечного сечения поезда с аэродинамическим тормозом в рабочем состоянии: 9,762 м 2 ;
– Коэффициент лобового сопротивления воздуху: 0,3 по результатам зарубежных испытаний [4].
При выполнении расчётов не были учтены тележки и крышевое оборудование.
Интерпретация и анализ полученных значений
Для анализа эффективности аэродинамического тормоза, необходимо провести расчёты тормозного пути со скорости 360 км/ч с применением аэродинамического тормоза и без него.
Согласно ПТР 2016 [6] тормозной путь рассчитывается по формуле:
где
Как видим, из расчётов (рисунок 6) тормозной путь при торможении с 360 км/ч имеет следующие значения:
– С применением аэродинамического тормоза 7800 м.
– Без применения аэродинамического тормоза 8301 м.
Эффективность применения аэродинамического тормоза при служебном торможении
Рис. 6. Тормозной путь
Рис. 7. Удельная замедляющая сила
На основе полученных значений делаем следующие выводы:
– Наиболее рациональным становится применение аэродинамического тормоза при торможении со скоростей выше 200 км/ч. По графику отчётливо видно, что удельная замедляющая сила при высоких скоростях выше для поезда с аэродинамическим тормозом;
– Применение аэродинамического тормоза позволяет сократить тормозной путь высокоскоростного поезда особенно при служебном торможении.
Литература:
- Joseph A Schetz. Aerodynamics of High-Speed Trains. Aerospace and Ocean Engineering Department, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, 2001.
- FASTECH 360 High-Speed Shinkansen Test Train to Debut [Электронный ресурс]. — 2005. — URL: https://www.jreast.co.jp/e/press/20050302 (дата обращения 21.04.2025).
- 次世代新幹線開発プラットフォーム「ALFA-X」. [Электронный ресурс]. — 2018. — URL: https://kurukura.jp/article/181015/ (дата обращения 21.04.2025)
- Joseph A Schetz. Aerodynamics of High-Speed Trains. Aerospace and Ocean Engineering Department, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, 2001.
- MinKyo Lee and Binayak Bhandari. The application of aerodynamic brake for high-speed trains // Department of Railroad Integrated System Engineering, Woosong University, 171 Dongdaejeon-ro, Dong-gu, Daejeon, Korea. Accepted September 30, 2018
- Нормативное производственно-практическое издание. — М.: ОАО «РЖД», 2016. — 515 с. — Утверждены распоряжением ОАО «РЖД» № 867р от 12.05.2016 г.
- H. Takami, H. Maekawa. Characteristics of a wind-actuated aerodynamic braking device for high-speed trains // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 822 (2017) 012061
- Теория электрической тяги / В. Е. Розенфельд, И. П. Исаев, Н. Н. Сидоров, М. И. Озёров; Под ред. И. П. Исаева. — М.: Транспорт, 1995, — 294 с.