本發(fā)明屬于電氣化鐵路技術(shù)領(lǐng)域，涉及的高速列車(chē)節(jié)能減阻方法和裝置。

背景技術(shù)：

高速列車(chē)以其運(yùn)行速度快、載客量高、輸送能力大、安全可靠性高、正點(diǎn)率高、舒適方便、能源消耗低、環(huán)境影響輕、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)勢(shì)，滿足今天社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求(列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)，中國(guó)鐵道出版社，2007，田紅旗；)。列車(chē)貼近地面運(yùn)行，長(zhǎng)徑比遠(yuǎn)大于其他交通工具，空氣阻力分布特性與汽車(chē)、卡車(chē)或飛機(jī)相比較更為復(fù)雜。列車(chē)的空氣阻力特性關(guān)系到列車(chē)的提速和列車(chē)的節(jié)能環(huán)保能力。

隨著列車(chē)的運(yùn)行速度的提高，列車(chē)運(yùn)行阻力主要與列車(chē)的氣動(dòng)性能和重量密切相關(guān)，由于氣動(dòng)阻力隨列車(chē)運(yùn)行速度的平方增長(zhǎng)，所需功率隨速度的立方增長(zhǎng)，導(dǎo)致降低高速列車(chē)運(yùn)行能耗主要集中于氣動(dòng)減阻技術(shù)和輕量化(高速列車(chē)氣動(dòng)阻力分布特性研究，鐵道學(xué)報(bào)，2012，姚拴寶，郭迪龍，楊國(guó)偉；)。我國(guó)和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組在整體減阻設(shè)計(jì)優(yōu)化嘗試很多種方法，但其節(jié)能提升空間依然巨大，在保證高速列車(chē)可用空間不變的條件下，利用等離子發(fā)生激勵(lì)裝置對(duì)氣流的主動(dòng)控制，可有效實(shí)現(xiàn)高速列車(chē)的節(jié)能減阻。

此外，氣動(dòng)升力對(duì)列車(chē)的安全運(yùn)行也造成了重要影響，列車(chē)受到豎直向上的升力減少了車(chē)輪與鋼軌間的正壓力。由于升力和速度的平方成正比，當(dāng)列車(chē)在高速運(yùn)行時(shí)，其操作性能將會(huì)降低，并使乘坐舒適性惡化。安全性是高速列車(chē)技術(shù)發(fā)展的決定性指標(biāo)，利用等離子體對(duì)氣流進(jìn)行主動(dòng)控制有助于高速列車(chē)的平穩(wěn)與運(yùn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)以上的不足和缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種的高速列車(chē)節(jié)能減阻方法和裝置，進(jìn)一步減小高速列車(chē)在行駛過(guò)程中所受的氣動(dòng)阻力。

為達(dá)到以上目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種高速列車(chē)節(jié)能減阻方法，在車(chē)頭迎風(fēng)面上誘導(dǎo)氣流變化改變氣流邊界層的分層狀況而減小車(chē)頭風(fēng)阻；利用激勵(lì)電源發(fā)生裝置對(duì)等離子發(fā)生裝置提供激勵(lì)電壓后，使用數(shù)字延遲發(fā)生器同步觸發(fā)激勵(lì)電源發(fā)生裝置開(kāi)關(guān)動(dòng)作，抑制高速列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中氣流邊界層分離現(xiàn)象，減少高速列車(chē)行駛過(guò)程中所受的氣動(dòng)阻力，改善其氣動(dòng)特性，包括以下主要步驟：

1)在高速列車(chē)實(shí)際運(yùn)行工況中，通過(guò)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋高速列車(chē)所受空氣阻力情況并輸入至pc端數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行判斷對(duì)比，判斷列車(chē)氣流邊界層分離情況；

2)若對(duì)比結(jié)果顯示邊界層流動(dòng)分離，則啟動(dòng)等離子體發(fā)生裝置；根據(jù)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)反饋高速列車(chē)所受氣動(dòng)阻力大小調(diào)節(jié)輸入電壓以及電極位置和幾何結(jié)構(gòu)；

3)調(diào)節(jié)激勵(lì)電源發(fā)生裝置，通過(guò)輸入電壓的改變以控制等離子發(fā)生裝置產(chǎn)生誘導(dǎo)氣流的速度大??；同時(shí)調(diào)節(jié)等離子發(fā)生裝置，改變其電極的幾何結(jié)構(gòu)和位置，調(diào)整產(chǎn)生誘導(dǎo)氣流的速度和方向，獲得能夠達(dá)到高速列車(chē)最佳減阻所需的誘導(dǎo)氣流；

4)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋列車(chē)所受氣動(dòng)阻力情況至pc端比較器比較判斷，以氣流在高速狀態(tài)下不產(chǎn)生邊界層為控制目標(biāo)，從而達(dá)到高速列車(chē)最佳減阻效果。

本發(fā)明的目的還在于為如上方法的實(shí)施提供實(shí)現(xiàn)裝置，其主要手段為：

一種高速列車(chē)節(jié)能減阻裝置，包括激勵(lì)電源發(fā)生裝置1、等離子體發(fā)生裝置2、電氣參數(shù)測(cè)量裝置3、數(shù)字延遲發(fā)生器4、以及壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)5。

其中，壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)5連接于pc端，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并反饋高速列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中所受的空氣阻力大??；激勵(lì)電源發(fā)生裝置由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器與升壓變壓器組成，信號(hào)發(fā)生器由車(chē)載電源供電；經(jīng)升壓變壓器后的輸出電壓向等離子發(fā)生裝置2供電；等離子發(fā)生裝置2由置于車(chē)頭迎風(fēng)面絕緣介質(zhì)203外側(cè)的暴露電極201、置于車(chē)頭迎風(fēng)面絕緣介質(zhì)203內(nèi)側(cè)的封裝電極202構(gòu)成；激勵(lì)電源發(fā)生裝置由數(shù)字延遲發(fā)生器4進(jìn)行觸發(fā)；數(shù)字延遲發(fā)生器4輸出一路信號(hào)于數(shù)字pc，作為觸發(fā)動(dòng)作的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。

所述裸露電極201和封裝電極202由絕緣介質(zhì)20間隔，電極201和封裝電極202可平行設(shè)置，也可以呈一定交角設(shè)置。

進(jìn)一步地，所述裸露電極201和封裝電極202可具有如下的幾何結(jié)構(gòu)：線型、三角型、矩型和曲型。

高速列車(chē)實(shí)際運(yùn)行工況中，通過(guò)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋高速列車(chē)所受空氣阻力的大小與pc端數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比，判斷列車(chē)氣流邊界層分離情況；若對(duì)比結(jié)果顯示邊界層流動(dòng)分離造成高速列車(chē)所受氣動(dòng)阻力大大增加，則啟動(dòng)等離子體發(fā)生裝置；調(diào)節(jié)激勵(lì)電源發(fā)生裝置，通過(guò)輸入電壓的改變以控制等離子發(fā)生裝置產(chǎn)生誘導(dǎo)氣流的速度大小。調(diào)節(jié)等離子發(fā)生裝置，改變其電極位置和幾何結(jié)構(gòu)，調(diào)整產(chǎn)生誘導(dǎo)氣流的速度和方向；通過(guò)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋列車(chē)所受氣動(dòng)阻力的大小選擇激勵(lì)條件和電極結(jié)構(gòu)，以達(dá)到高速列車(chē)最佳減阻效果并記錄不同工況下等離子體裝置電氣參數(shù)數(shù)據(jù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明提供的一種的高速列車(chē)節(jié)能減阻方法和裝置，通過(guò)等離子發(fā)生裝置對(duì)氣流邊界層的主動(dòng)控制，并選擇合適的激勵(lì)電壓和電極位置與結(jié)構(gòu)，能夠有效減少高速列車(chē)行駛過(guò)程中所受的氣動(dòng)阻力，改善列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的氣動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能與提高運(yùn)營(yíng)安全性的目的。此外，本發(fā)明中利用電氣測(cè)量裝置記錄激勵(lì)電壓和電流波形，及產(chǎn)生誘導(dǎo)氣流速度，有利于為深入而全面的了解高速列車(chē)減阻過(guò)程提供科學(xué)依據(jù)與技術(shù)參考。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的高速列車(chē)節(jié)能減阻方法的流程示意圖；

圖2是本發(fā)明的高速列車(chē)節(jié)能減阻裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是等離子發(fā)生裝置與壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)放置動(dòng)車(chē)上結(jié)構(gòu)圖；

圖4等離子發(fā)生裝置的局部放大圖，其中，圖(a)裸露電極201和封裝電極202呈交角；圖(b)裸露電極201和封裝電極202呈平行。

圖5是不同形狀的電極結(jié)構(gòu)，圖中(a)表示的是線型結(jié)構(gòu)；圖中(b)表示的是三角型結(jié)構(gòu)；圖中(c)表示的是矩型結(jié)構(gòu)；圖中(d)表示的是曲型結(jié)構(gòu)；

圖6是等離子發(fā)生裝置對(duì)氣流的主動(dòng)控制示意圖，圖(a)表示等離子發(fā)生裝置關(guān)，圖(b)表示等離子發(fā)生裝置開(kāi)；

圖中，1為激勵(lì)電源發(fā)生裝置，2為等離子發(fā)生裝置，3為電氣參數(shù)測(cè)量裝置，4為數(shù)字延遲發(fā)生器，5為壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體的實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。

參見(jiàn)圖1，一種的高速列車(chē)節(jié)能減阻裝置,包括：激勵(lì)電源發(fā)生裝置、等離子發(fā)生裝置、電氣參數(shù)測(cè)量裝置、數(shù)字延遲發(fā)生器以及壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；其中，激勵(lì)電源發(fā)生裝置中信號(hào)發(fā)生器和功率放大器相連，功率放大器和升壓變壓器相連；升壓變壓器兩端和等離子發(fā)生裝置相連；等離子發(fā)生裝置與電氣參數(shù)測(cè)量裝置相連；壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與pc端相連。

激勵(lì)電源發(fā)生裝置開(kāi)關(guān)晶閘管皆由數(shù)字延遲發(fā)生器進(jìn)行觸發(fā)；此外，數(shù)字延遲發(fā)生器輸出一路信號(hào)于pc，作為觸發(fā)動(dòng)作的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。

具體的，所述的激勵(lì)電源發(fā)生裝置由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器和升壓變壓器構(gòu)成，放電回路可以產(chǎn)生幅值1kv～100kv，頻寬1khz～100khz的輸出電壓。

所述的等離子發(fā)生裝置由裸露電極、封裝電極和絕緣介質(zhì)組成，電極具有不同位置和多種不同的幾何結(jié)構(gòu)。電氣參數(shù)測(cè)量裝置羅氏線圈、pc組成。

本發(fā)明提供的高速列車(chē)節(jié)能減阻方法，利用等離子發(fā)生裝置產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流對(duì)氣流的主動(dòng)控制，使氣流邊界層貼合。包括以下步驟：

1)高速列車(chē)實(shí)際運(yùn)行工況中，通過(guò)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋高速列車(chē)所受空氣阻力的大小與pc端數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比，判斷列車(chē)氣流邊界層分離情況；

2)若對(duì)比結(jié)果顯示邊界層流動(dòng)分離造成高速列車(chē)所受氣動(dòng)阻力大大增加，則啟動(dòng)等離子體發(fā)生裝置；

3)調(diào)節(jié)激勵(lì)電源發(fā)生裝置，通過(guò)輸入電壓的改變以控制等離子發(fā)生裝置產(chǎn)生誘導(dǎo)氣流的速度大小。

4)調(diào)節(jié)等離子發(fā)生裝置，改變其電極位置和幾何結(jié)構(gòu)，調(diào)整產(chǎn)生誘導(dǎo)氣流的速度和方向；

5)通過(guò)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋列車(chē)所受氣動(dòng)阻力的大小選擇激勵(lì)條件和電極結(jié)構(gòu)，以達(dá)到高速列車(chē)最佳減阻效果；

利用激勵(lì)電源發(fā)生裝置對(duì)等離子發(fā)生裝置提供激勵(lì)電壓后，根據(jù)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)反饋高速列車(chē)所受氣動(dòng)阻力大小調(diào)節(jié)輸入電壓以及電極位置和幾何結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生能夠達(dá)到高速列車(chē)最佳減阻所需的誘導(dǎo)氣流；使用數(shù)字延遲發(fā)生器同步觸發(fā)激勵(lì)電源發(fā)生裝置開(kāi)關(guān)動(dòng)作，抑制高速列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中氣流邊界層分離現(xiàn)象，減少高速列車(chē)行駛過(guò)程中所受的氣動(dòng)阻力，改善其氣動(dòng)特性。同時(shí)電氣參量裝置記錄電路電流。

本發(fā)明的工作過(guò)程為：

如圖2所示連接電路，以及電氣測(cè)量裝置。羅氏線圈信號(hào)輸出端連接pc。晶閘管輸入端連接數(shù)字延遲發(fā)生器。此外數(shù)字延遲發(fā)生器輸出一路信號(hào)于pc作為時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。如圖3所示壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，高速列車(chē)以不同的速度行駛在不同的路段，根據(jù)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋的高速列車(chē)所受空氣阻力大小，與pc端數(shù)據(jù)庫(kù)比較判斷邊界層流動(dòng)分離情況，選擇是否啟動(dòng)等離子體發(fā)生裝置。當(dāng)?shù)入x子體發(fā)生裝置啟用時(shí)，調(diào)節(jié)激勵(lì)電源發(fā)生裝置控制其輸出電壓和改變裝置位置，進(jìn)而調(diào)節(jié)誘導(dǎo)氣流的速度和大小，通過(guò)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋的空氣阻力大小選擇最佳減阻激勵(lì)電壓。如圖4所示裸露電極201和封裝電極202由絕緣介質(zhì)20間隔，電極201和封裝電極202可平行設(shè)置，也可以呈一定交角設(shè)置。

根據(jù)不同車(chē)型和不同行駛路段，可以選擇不同的電極結(jié)構(gòu)如圖(5)所示，電極結(jié)構(gòu)有線型，三角型，矩型，曲型。

高速列車(chē)實(shí)際運(yùn)行工況中，通過(guò)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋高速列車(chē)所受空氣阻力的大小與pc端數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比，判斷列車(chē)氣流邊界層分離情況；若對(duì)比結(jié)果顯示邊界層流動(dòng)分離造成高速列車(chē)所受氣動(dòng)阻力大大增加，則啟動(dòng)等離子體發(fā)生裝置；調(diào)節(jié)激勵(lì)電源發(fā)生裝置，通過(guò)輸入電壓的改變以控制等離子發(fā)生裝置產(chǎn)生誘導(dǎo)氣流的速度大小。調(diào)節(jié)等離子發(fā)生裝置，改變其電極位置和幾何結(jié)構(gòu)，調(diào)整產(chǎn)生誘導(dǎo)氣流的速度和方向；通過(guò)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋列車(chē)所受氣動(dòng)阻力的大小選擇激勵(lì)條件和電極結(jié)構(gòu)，以達(dá)到高速列車(chē)最佳減阻效果并記錄不同工況下等離子體裝置電氣參數(shù)數(shù)據(jù)。

如上所述，本方法基于等離子體對(duì)邊界層氣流的控制能力，結(jié)合高速列車(chē)行駛過(guò)程中的氣動(dòng)特性，可以減小高速列車(chē)行駛過(guò)程所受的氣動(dòng)阻力，改善其氣動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能與提高運(yùn)營(yíng)安全性的目的。本發(fā)明適用于但不限于高速列車(chē)行駛過(guò)程中的減阻，也可應(yīng)用于其他類似行駛裝置測(cè)試中。