一种高速列车节能减阻方法和装置与流程

本发明属于电气化铁路技术领域，涉及的高速列车节能减阻方法和装置。

背景技术：

高速列车以其运行速度快、载客量高、输送能力大、安全可靠性高、正点率高、舒适方便、能源消耗低、环境影响轻、经济效益好等优势，满足今天社会经济发展的要求(列车空气动力学，中国铁道出版社，2007，田红旗；)。列车贴近地面运行，长径比远大于其他交通工具，空气阻力分布特性与汽车、卡车或飞机相比较更为复杂。列车的空气阻力特性关系到列车的提速和列车的节能环保能力。

随着列车的运行速度的提高，列车运行阻力主要与列车的气动性能和重量密切相关，由于气动阻力随列车运行速度的平方增长，所需功率随速度的立方增长，导致降低高速列车运行能耗主要集中于气动减阻技术和轻量化(高速列车气动阻力分布特性研究，铁道学报，2012，姚拴宝，郭迪龙，杨国伟；)。我国和谐号动车组在整体减阻设计优化尝试很多种方法，但其节能提升空间依然巨大，在保证高速列车可用空间不变的条件下，利用等离子发生激励装置对气流的主动控制，可有效实现高速列车的节能减阻。

此外，气动升力对列车的安全运行也造成了重要影响，列车受到竖直向上的升力减少了车轮与钢轨间的正压力。由于升力和速度的平方成正比，当列车在高速运行时，其操作性能将会降低，并使乘坐舒适性恶化。安全性是高速列车技术发展的决定性指标，利用等离子体对气流进行主动控制有助于高速列车的平稳与运行。

技术实现要素：

针对以上的不足和缺陷，本发明的目的在于提供一种的高速列车节能减阻方法和装置，进一步减小高速列车在行驶过程中所受的气动阻力。

为达到以上目的，本发明的技术方案为：

一种高速列车节能减阻方法，在车头迎风面上诱导气流变化改变气流边界层的分层状况而减小车头风阻；利用激励电源发生装置对等离子发生装置提供激励电压后，使用数字延迟发生器同步触发激励电源发生装置开关动作，抑制高速列车在运行过程中气流边界层分离现象，减少高速列车行驶过程中所受的气动阻力，改善其气动特性，包括以下主要步骤：

1)在高速列车实际运行工况中，通过压力监测系统实时监测和反馈高速列车所受空气阻力情况并输入至pc端数据库进行判断对比，判断列车气流边界层分离情况；

2)若对比结果显示边界层流动分离，则启动等离子体发生装置；根据压力监测系统反馈高速列车所受气动阻力大小调节输入电压以及电极位置和几何结构；

3)调节激励电源发生装置，通过输入电压的改变以控制等离子发生装置产生诱导气流的速度大小；同时调节等离子发生装置，改变其电极的几何结构和位置，调整产生诱导气流的速度和方向，获得能够达到高速列车最佳减阻所需的诱导气流；

4)压力监测系统实时反馈列车所受气动阻力情况至pc端比较器比较判断，以气流在高速状态下不产生边界层为控制目标，从而达到高速列车最佳减阻效果。

本发明的目的还在于为如上方法的实施提供实现装置，其主要手段为：

一种高速列车节能减阻装置，包括激励电源发生装置1、等离子体发生装置2、电气参数测量装置3、数字延迟发生器4、以及压力监测系统5。

其中，压力监测系统5连接于pc端，实时监测并反馈高速列车运行过程中所受的空气阻力大小；激励电源发生装置由信号发生器、功率放大器与升压变压器组成，信号发生器由车载电源供电；经升压变压器后的输出电压向等离子发生装置2供电；等离子发生装置2由置于车头迎风面绝缘介质203外侧的暴露电极201、置于车头迎风面绝缘介质203内侧的封装电极202构成；激励电源发生装置由数字延迟发生器4进行触发；数字延迟发生器4输出一路信号于数字pc，作为触发动作的时间基准信号。

所述裸露电极201和封装电极202由绝缘介质20间隔，电极201和封装电极202可平行设置，也可以呈一定交角设置。

进一步地，所述裸露电极201和封装电极202可具有如下的几何结构：线型、三角型、矩型和曲型。

高速列车实际运行工况中，通过压力监测系统实时监测和反馈高速列车所受空气阻力的大小与pc端数据库对比，判断列车气流边界层分离情况；若对比结果显示边界层流动分离造成高速列车所受气动阻力大大增加，则启动等离子体发生装置；调节激励电源发生装置，通过输入电压的改变以控制等离子发生装置产生诱导气流的速度大小。调节等离子发生装置，改变其电极位置和几何结构，调整产生诱导气流的速度和方向；通过压力监测系统实时监测和反馈列车所受气动阻力的大小选择激励条件和电极结构，以达到高速列车最佳减阻效果并记录不同工况下等离子体装置电气参数数据。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种的高速列车节能减阻方法和装置，通过等离子发生装置对气流边界层的主动控制，并选择合适的激励电压和电极位置与结构，能够有效减少高速列车行驶过程中所受的气动阻力，改善列车运行过程中的气动特性，实现节能与提高运营安全性的目的。此外，本发明中利用电气测量装置记录激励电压和电流波形，及产生诱导气流速度，有利于为深入而全面的了解高速列车减阻过程提供科学依据与技术参考。

附图说明

图1是本发明的高速列车节能减阻方法的流程示意图；

图2是本发明的高速列车节能减阻装置的结构示意图；

图3是等离子发生装置与压力监测系统放置动车上结构图；

图4等离子发生装置的局部放大图，其中，图(a)裸露电极201和封装电极202呈交角；图(b)裸露电极201和封装电极202呈平行。

图5是不同形状的电极结构，图中(a)表示的是线型结构；图中(b)表示的是三角型结构；图中(c)表示的是矩型结构；图中(d)表示的是曲型结构；

图6是等离子发生装置对气流的主动控制示意图，图(a)表示等离子发生装置关，图(b)表示等离子发生装置开；

图中，1为激励电源发生装置，2为等离子发生装置，3为电气参数测量装置，4为数字延迟发生器，5为压力监测系统。

具体实施方式

下面结合具体的实例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1，一种的高速列车节能减阻装置,包括：激励电源发生装置、等离子发生装置、电气参数测量装置、数字延迟发生器以及压力监测系统；其中，激励电源发生装置中信号发生器和功率放大器相连，功率放大器和升压变压器相连；升压变压器两端和等离子发生装置相连；等离子发生装置与电气参数测量装置相连；压力监测系统与pc端相连。

激励电源发生装置开关晶闸管皆由数字延迟发生器进行触发；此外，数字延迟发生器输出一路信号于pc，作为触发动作的时间基准信号。

具体的，所述的激励电源发生装置由信号发生器、功率放大器和升压变压器构成，放电回路可以产生幅值1kv～100kv，频宽1khz～100khz的输出电压。

所述的等离子发生装置由裸露电极、封装电极和绝缘介质组成，电极具有不同位置和多种不同的几何结构。电气参数测量装置罗氏线圈、pc组成。

本发明提供的高速列车节能减阻方法，利用等离子发生装置产生的诱导气流对气流的主动控制，使气流边界层贴合。包括以下步骤：

1)高速列车实际运行工况中，通过压力监测系统实时监测和反馈高速列车所受空气阻力的大小与pc端数据库对比，判断列车气流边界层分离情况；

2)若对比结果显示边界层流动分离造成高速列车所受气动阻力大大增加，则启动等离子体发生装置；

3)调节激励电源发生装置，通过输入电压的改变以控制等离子发生装置产生诱导气流的速度大小。

4)调节等离子发生装置，改变其电极位置和几何结构，调整产生诱导气流的速度和方向；

5)通过压力监测系统实时监测和反馈列车所受气动阻力的大小选择激励条件和电极结构，以达到高速列车最佳减阻效果；

利用激励电源发生装置对等离子发生装置提供激励电压后，根据压力监测系统反馈高速列车所受气动阻力大小调节输入电压以及电极位置和几何结构，产生能够达到高速列车最佳减阻所需的诱导气流；使用数字延迟发生器同步触发激励电源发生装置开关动作，抑制高速列车在运行过程中气流边界层分离现象，减少高速列车行驶过程中所受的气动阻力，改善其气动特性。同时电气参量装置记录电路电流。

本发明的工作过程为：

如图2所示连接电路，以及电气测量装置。罗氏线圈信号输出端连接pc。晶闸管输入端连接数字延迟发生器。此外数字延迟发生器输出一路信号于pc作为时间基准信号。如图3所示压力监测系统中，高速列车以不同的速度行驶在不同的路段，根据压力监测系统实时监测和反馈的高速列车所受空气阻力大小，与pc端数据库比较判断边界层流动分离情况，选择是否启动等离子体发生装置。当等离子体发生装置启用时，调节激励电源发生装置控制其输出电压和改变装置位置，进而调节诱导气流的速度和大小，通过压力监测系统实时反馈的空气阻力大小选择最佳减阻激励电压。如图4所示裸露电极201和封装电极202由绝缘介质20间隔，电极201和封装电极202可平行设置，也可以呈一定交角设置。

根据不同车型和不同行驶路段，可以选择不同的电极结构如图(5)所示，电极结构有线型，三角型，矩型，曲型。

高速列车实际运行工况中，通过压力监测系统实时监测和反馈高速列车所受空气阻力的大小与pc端数据库对比，判断列车气流边界层分离情况；若对比结果显示边界层流动分离造成高速列车所受气动阻力大大增加，则启动等离子体发生装置；调节激励电源发生装置，通过输入电压的改变以控制等离子发生装置产生诱导气流的速度大小。调节等离子发生装置，改变其电极位置和几何结构，调整产生诱导气流的速度和方向；通过压力监测系统实时监测和反馈列车所受气动阻力的大小选择激励条件和电极结构，以达到高速列车最佳减阻效果并记录不同工况下等离子体装置电气参数数据。

如上所述，本方法基于等离子体对边界层气流的控制能力，结合高速列车行驶过程中的气动特性，可以减小高速列车行驶过程所受的气动阻力，改善其气动特性，实现节能与提高运营安全性的目的。本发明适用于但不限于高速列车行驶过程中的减阻，也可应用于其他类似行驶装置测试中。