一种带自锁功能的列车升力提升装置及其工作方法

本发明涉及铁路车辆的空气动力学，具体而言，尤其涉及一种带自锁功能的列车升力提升装置及其工作方法。

背景技术：

1、常规高速列车是通过轮轨相互作用产生的牵引力和制动黏着摩擦力来实现列车的高速运行，利用车轮和钢轨之间的相互作用来解决支撑、导向和驱动这三大问题，但是随着运行速度的提高，车轮和钢轨之间的磨损增大，轮缘和钢轨的磨耗加剧，增大了机车车辆和线路的维护工作，并导致列车动力消耗增加，速度降低且列车平稳性下降。另外，由于列车在行驶中所受到的阻力(空气阻力和摩擦阻力)与速度的平方成正比，列车的速度越高，列车受到的阻力就越大，列车的牵引能耗约占列车总能耗的60％以上，其中气动阻力能耗占比最大。磁悬浮列车与传统的轮轨列车相比，列车与轨道之间没有接触，减少摩擦损耗，摆脱黏着限制，轨道使用寿命长；列车没有车轮，且齿轮、联轴器、车轴、轴承等机械传动结构与传统轮轨列车相比更少，因此质量较轻；基于轮轨的高速列车的阻力来源于三部分，分别是机械阻力、轮轨阻力和空气阻力，而磁悬浮只需要克服空气阻力。

2、为在提升运行速度的同时降低整体能耗和全生命周期成本，有学者提出采用升力翼的理念，即在高速列车安装串列升力翼，利用升力翼提升整车的升力，达到等效减重的目的，使列车的能耗降低。

3、目前升力翼装置鲜有实际投入应用的，现有设计存在如下主要问题：(1)现有的实验性列车升力提升装置基本上为固定在列车顶部，升力装置占用空间大，难以有效贴合列车车顶，影响列车的流线型外形，以至于风阻较大；(2)现有的实验性列车升力提升装置无法进行升力翼攻角调整，无法根据列车行驶路况改变攻角，提供恰当的升力；(3)现有实验性列车升力提升装置结构较复杂、自身重量较大、占用空间较大、操作不够简便、可靠性不高；(4)现有的实验性列车升力提升装置无法根据列车行驶方向进行调整，即提升升力方向较为单一，即只能在单向行驶时为列车提供升力；(5)现有的实验性列车升力提升装置的关键结构不够合理。翼型等参数是升力提升装置的关键参数，依靠翼展的上下表面压力差提供升力。翼型、展弦比，跟梢比，展长等需要进行优化设计。

技术实现思路

1、针对上述提出的技术问题，提供一种带自锁功能的列车升力提升装置及其工作方法。本发明主要利用电力驱动装置实现升力翼的升降、攻角以及作用方向的调整，从而可以提升高速磁悬浮列车的整车升力。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种带自锁功能的列车升力提升装置，安装在列车车顶，包括若干升力提升装置，所述升力提升装置包括升力翼单元，所述升力翼单元通过转轴与轴承结构连接，所述轴承结构的下端通过转轴与连杆机构相连，所述连杆机构的下端连接滑块，所述滑块设置在底座的滑轨内，滑块在滑轨内滑动，用于控制连杆机构的开合使升力翼单元实现升降，所述滑轨的凹槽内设置机械锁，对滑块进行机械锁挡。

4、进一步地，所述滑块为第一电力驱动装置，所述滑块与底座的滑轨为电磁接触，滑块通过电力驱动在底座的滑轨内的滑动，与所述滑块通过转轴相连接的连杆机构与滑块同时移动，实现两个所述连杆机构的开启和闭合。

5、进一步地，所述连杆机构为不锈钢材质，以减小锈蚀且能提供足够高的强度，所述连杆机构的截面为半椭圆形杆形状的连杆，闭合状态时，两个所述连杆机构密切接触，保持椭圆的截面形状，减小空气阻力，所述连杆机构为无动力装置，所述连杆机构跟随滑块移动的同时，与连杆机构通过转轴相连的轴承结构跟随连杆机构的开合实现升降。

6、进一步地，所述升力翼单元内设置第二电力驱动装置，所述第二驱动装置与轴承结构相连接，通过电力驱动装置控制升力翼单元绕转轴转动，实现升力翼单元的攻角调整。

7、进一步地，所述机械锁为第三电力驱动装置，所述机械锁的锁槽设置在滑轨的内部且与滑轨垂直，在升力提升装置工作状态下，机械锁开启，将滑块进行机械锁挡，保证升力提升装置工作状态下的结构稳定；在升力提升装置非工作状态下，所述机械锁收进锁槽内，不影响滑块在滑轨内滑动。

8、进一步地，所述轴承结构为第四电力驱动装置，电力驱动系统可带动升力翼单元在水平面内转动，所述轴承结构下端通过转轴与连杆机构连接，同时所述轴承结构在水平方向无相对移动，仅跟随连杆机构的开合实现竖直方向的升降。

9、进一步地，所述底座由铝合金制成，固定嵌入列车顶部，所述底座上的滑轨方向平行于铁轨方向，所述滑轨为滑块提供滑动轨道。

10、进一步地，升力提升装置在工作状态下，所述连杆机构与底座相互垂直，所述机械锁处于开启状态，将滑块完全锁挡；升力提升装置在非工作状态下，滑块处于开启状态，分别向底座的滑轨两侧相对滑动，连杆机构随着滑块的滑动进行移动，当连杆机构与底座平行时，滑块停止工作，此时升力提升装置贴合在车顶，不影响高速磁悬浮列车的流线型外形。

11、本发明还提供了一种带自锁功能的列车升力提升装置的工作方法，包括如下步骤：

12、在磁悬浮列车运行状态下，升力提升装置处于非工作状态，贴合在车顶，需要升力提升装置升起进行工作，由中央系统控制的电力系统开始工作，启用第三电力驱动装置，使机械锁处于关闭状态，收回到滑轨锁槽内部，启用第一电力驱动装置滑块，使两个所述滑块向中心同步滑动至贴合，在滑动过程中，与滑块通过转轴连接的连杆机构跟随移动，随着滑块的移动，连杆机构实现由水平到竖直的变化，直至连杆机构与底座呈垂直状态，与连杆机构连接的轴承结构随着连杆机构由水平到竖直的过程实现竖直上升，与轴承结构连接的升力翼单元同样跟随轴承结构的上升而上升；当两个所述滑块贴合时，关闭第一电力驱动装置，启用第三电力驱动装置机械锁，使机械锁从滑轨的锁槽内伸出，将滑块进行机械锁挡；此时升力提升装置完成升起过程，随着列车的运行提升列车的升力；

13、当列车反方向运行时，启用第四电力驱动装置，使升力翼单元在水平面内进行180°转动，使其保持与列车运行方向一致；

14、当升力翼单元处于工作状态需要调整攻角时，启用第二电力驱动装置，第二电力驱动装置安装在升力翼单元与轴承结构的连接处，第二电力驱动装置可以使升力翼单元进行绕轴转动，可根据行驶状态选取不同攻角；

15、当需要收回升力提升装置时，启用第三电力驱动装置，使机械锁关闭，并收回到滑轨锁槽内部，启用第一电力驱动装置滑块，使两个所述滑块由贴合状态分别沿着底座的滑轨向两侧相对滑动，随着滑块向两侧分别移动，与滑块相连的连杆机构进行实现由竖直到水平的变化，直至连杆机构与底座呈平行状态，与连杆机构连接的轴承结构随着连杆机构由竖直到水平的过程实现竖直下降，与轴承结构连接的升力翼单元同样跟随轴承结构的下降而下降；当连杆机构与底座呈水平状态时，关闭第一电力驱动装置，此时升力提升装置下降贴合至车顶。

16、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

17、1、本发明通过电力驱动装置在需要升力提升装置工作时将其升起为列车提供升力，非工作状态时平行贴合于车顶，不会增加车辆的高度和宽度。本发明不产生污染，不额外消耗能源，结构紧凑、安装与维护简便，可以在日常行驶时为列车提供升力，并解决现有高速磁悬浮列车升力提升装置的不足。

18、2、本发明通过滑块的滑动，进而带动连杆机构开合实现装置的升降，结构简单，操作方便，可以更灵活为高速磁悬浮列车提供升力，以满足线路限界要求。

19、3、本发明提供的升力翼单元中翼型、展弦比，跟梢比，展长参数通过采用cfd方法进行了数值分析和优化，结构合理。

20、4、本发明通过第四电力驱动装置为列车双向行驶提供升力。当列车运行方向改变时，启动第四电力驱动装置，升力翼单元转动180°，使装置工作方向始终与列车行驶方向保持一致。本发明所提供的装置可以根据列车行进的方向不同进行调整，从而使用一套装置就能为双向行驶的列车提供升力，不仅在高速磁悬浮列车向前行驶可以使用，反向行驶时也可使用。

21、5、本发明通过电力驱动系统使升力翼单元绕轴转动实现攻角的调整。当列车运行环境不同时，调整升力翼单元攻角，以实现装置提供最佳升力目的。

22、6、本发明简化了结构设计和人员操作，装置结构简单，安装与维修方便，使用风能作为工作介质，不额外消耗能源。

23、综上，应用本发明的技术方案能够解决目前升力提升装置多为单向、装置结构较大，结构较复杂，重量大，安装和操作较繁琐、不可折叠、占用空间较大等问题。

24、基于上述理由本发明可在高速磁悬浮列车等领域广泛推广。