Исследование аэродинамических характеристик подвижного состава электрического транспорта Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 621.33.01(075.8)

ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА

1 9

© А.В. Кулекина1, В.В. Бирюков2

Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20.

Улучшение аэродинамических характеристик позволяет снизить расход электроэнергии на тягу поездов. Проведенные ранее исследования по определению влияния формы кузова на его сопротивление движению позволили выявить его зависимость от конфигурации лобовой и хвостовой частей подвижного состава. В связи с изменением конфигурации кузовов современного подвижного состава возникла необходимость уточнения аэродинамических коэффициентов в условиях реального городского движения при наличии попутных транспортных средств. Кроме того, необходимо исследовать влияние составности поезда на его аэродинамику. Результаты, полученные при проведении экспериментов, позволяют выявить оптимальную по критерию энергоэффективности форму кузова для различных видов городского электрического транспорта. Данные исследования дополняют аналогичные проводившиеся ранее исследования по определению аэродинамического сопротивления подвижного состава в ламинарных потоках. Ил. 8. Библиогр. 5 назв.

Ключевые слова: сопротивление движению; аэродинамическая труба; турбулентность; энергоэффективность; снижение энергопотребления подвижного состава.

STUDIES OF ELECTRIC TRANSPORT AERODYNAMIC CHARACTERISTICS A.V. Kulekina, V.V. Biryukov

Novosibirsk State Technical University, 20 K. Marx pr., Novosibirsk, 630073, Russia.

Improvement in aerodynamics allows to decrease consumption of energy for train traction. Previous researches on identification of body shape influence on its running resistance revealed its dependence on the configuration of head and tail parts of rolling stock. Changes in the body shapes of the modern rolling stock cause the need to specify aerodynamic factors for real urban traffic in the presence of in-trail transport. Besides, it is necessary to investigate the effect of train wagonage on its aerodynamics. Experimental results enable the identification of the optimal vehicle body shape for various types of urban electric transport by the energy efficiency criterion. This research supplements previous studies on determination of vehicle running resistance in laminar flows. 8 figures. 5 sources.

Key words: running resistance; facility (wind tunnel); turbulence; energy efficiency; decreasing energy consumption by rolling stock.

Конкурентоспособность любого транспортного средства определяется в первую очередь величиной энергозатрат на перевозку пассажиров или грузов. Более 60% потребляемой энергии расходуется на преодоление сил сопротивления движению. Сила сопротивления движению - это эквивалентная сила, приведенная к ободу колес, на преодоление которой затрачивается такая же работа, как и на преодоление всех действительных сил, противодействующих движению. Сопротивление движению зависит от состояния и конструкции подвижного состава (ПС), плана и профиля пути, скорости движения, скорости и направления ветра. Оно обусловлено наличием трения в узлах ПС, деформациями пути и элементов ПС, сопротивлением воздушной среды, трением колес о рельсы, а также составляющими силы тяжести на уклонах [1]. Снижение сопротивления движению поз-

воляет существенно снизить расход электроэнергии на тягу поездов, а также повысить скорость движения без увеличения мощности тяговых электродвигателей. Для снижения сопротивления движущегося тела необходимо проанализировать его форму, учесть возможные боковые ветры, воздействующие на кузов, и сопутствующий транспорт.

Зависимость удельного основного сопротивления движению ПС от скорости имеет следующий вид [1]:

= а + ЬУ + СУ2.

При движении ПС перед его лобовой частью образуется зона сжатого воздуха, которая оказывает давление на его лобовую стенку. В междукузовном пространстве и у выступающих частей образуются завихрения. Боковые поверхности и крыша подвижного состава соприкасаются со струями воздуха, увле-

1Кулекина Анна Владимировна, магистрант, тел.: 89231959950, e-mail: anniecool@mail.ru Kulekina Anna, Master's degree student, tel.: 89231959950, e-mail: anniecool@mail.ru

2Бирюков Валерий Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры электротехнических комплексов, тел.: (383) 3461791, e-mail: vavib49@mail.ru

Biryukov Valery, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electrotechnical Complexes, tel.: (383) 3461791, e-mail: vavib49@mail.ru

кают часть его за собой, создавая поток воздуха и трение части воздуха о стенки подвижного состава. В среде Project Falcon смоделировано движение трамвайных вагонов с различной конфигурацией кузова и визуализирован обтекающий их воздушный поток (рис. 1).

Под подвижным составом часть воздуха увлекается поездом, создаются завихрения и поток, соприкасающийся с верхним строением пути. За последним вагоном образуется разрежение. При этом возникают внешние силы, действующие на поезд, направленные против движения, которые называют силами сопротивления воздушной среды. Они зависят от конфигурации и величины площади поперечного сечения ПС, его длины, составности и взаимного расположения разных типов вагонов в составе, формы лобовой части локомотива и задней стенки хвостового вагона, наличия выступающих частей и скорости движения. Сила сопротивления воздушной среды пропорциональна квадрату скорости. Численное значение может быть определено, согласно В.Е. Розенфельду [1], по формуле

WB = ав Sv2

где ав - коэффициент обтекаемости, определяемый

опытным путем.

Таким образом, можно сделать вывод, что с увеличением скорости движения сопротивление многократно возрастает по отношению к его первоначаль-

ному значению. Основную долю сил сопротивления движению составляют аэродинамические. Поэтому уже на стадии проектирования подвижного состава целесообразно принять такую форму кузова, которая обладала бы наименьшим аэродинамическим сопротивлением, а следовательно, обеспечивала меньший расход энергии на движение.

На рис. 2 показаны относительные значения сопротивления воздушной среды при движении электропоездов с различной формой лобовой и хвостовой поверхностей [1].

Проведенные ранее исследования по определению влияния формы кузова на его аэродинамическое сопротивление позволили выявить зависимость сопротивления от конфигурации лобовой и хвостовой частей подвижного состава. Однако внешние формы подвижного состава претерпели к настоящему моменту значительные изменения, возникла необходимость проведения дополнительных исследований в этой области (рис. 3). Кроме того, возникает определенный интерес к исследованию влияния составности поезда на его аэродинамическое сопротивление. Здесь прежде всего речь идет о шарнирно-сочлененном транспортном средстве, а также о сопротивлении поезда, работающего по системе многих единиц (рис. 4). Необходимо уточнение аэродинамических коэффициентов подвижного состава в условиях реального городского движения при наличии попутных транспортных средств (рис. 5).

Рис. 1. Модель трамвайных вагонов в среде Project Falcon

Рис. 2. Относительные значения сопротивления воздушной среды

Рис. 3. Влияние конфигурации подвижного состава на его аэродинамическое сопротивление

Су = 1,02

Рис. 4. Влияние составности поезда на его аэродинамическое сопротивление

Velocity (m/s) - 34.796

2D (MG) 90 (deg) 13.347 (m/s) Z.0.002 (m) 00:00:00.00

Рис. 5. Моделирования движения трамвая в условиях городского движения

Для исследования аэродинамики транспортных средств используются стенды с аэродинамическими трубами, которые можно разбить на два класса: трубы с незамкнутым потоком и трубы с замкнутым потоком. Стенд с аэродинамической трубой незамкнутого типа

включает в себя силовую часть, рабочую часть, хо-нейкомб, контрольно-измерительную аппаратуру и испытуемые модели. Авторами было принято решение о разработке и создании такого стенда (рис. 6)

Рис. 6. Внешний вид силовой части установки

При проектировании стенда был учтен принцип обратимости явлений обтекания, который заключается в том, что силовое взаимодействие потока и тела одинаково независимо от того, движется ли тело в покоящейся среде или среда обтекает тело со скоростью, противоположной той, которую имеет тело. Принцип обратимости позволяет экмпериментировать с неподвижными моделями в потоке движущегося газа. Основным условием при этом должно являться сохранение динамического подобия модели и натуры [2].

Для проведения испытаний в аэродинамических трубах необходимо соблюсти определенные требования [3]:

- воздушный поток должен быть ламинарным, а в случае исследования сопротивления движению в зависимости от наполненности дороги - заведомо турбулентным;

- скорость воздушного потока должна быть стабильной, а ее изменение в заданном диапазоне должно происходить плавно;

- длина аэродинамической трубы должна быть достаточной для обтекания воздухом всего кузова.

Основой для проведения аэродинамических испытаний являются законы аэродинамического подобия, которые позволяют сопоставить полученные аэродинамические характеристики модели и объекта-оригинала.

Рассмотрим основные критерии подобия.

Число Фруда, характеризующее отношение сил инерции к силам тяжести:

V2

Рт = —;

$

число Рейнольдса, характеризующее отношение сил инерции к силам вязкости:

= »;

V

число Струхаля, характеризующее инерционные гидродинамические силы, возникающие при нестационарном движении:

Бк =

VII ''

число Эйлера, характеризирующее отношение сил давления к силам инерции:

Ей =,

Р'2'

где I - характерный линейный размер; V - характерная скорость; и - кинематический коэффициент вязкости; I - интервал времени; Ар - разность давлений; р -плотность жидкости; д=9,81 м/с2 - ускорение свободного падения.

При движении сжимаемой жидкости (газа) с большими скоростями в число критериев подобия входит число Маха, под которым понимают отношение характерной скорости к скорости звука а [4]:

м=V.

а

Для данного стенда наиболее значимыми являются число Рейнольдса и число Эйлера. Так как исследуемые объекты находятся в зоне автомодельности характеристики (рис. 7), значения, полученные экспериментальным путем, точно переносятся на объект-оригинал [5].

Рис. 7. Зависимость коэффициента формы от числа Рейнольдса

Рис. 8. Общий вид стенда для аэродинамических испытаний подвижного состава

На рис. 8. представлен общий вид стенда для аэродинамических испытаний подвижного состава, на платформе трубы которого размещены различные транспортные средства (легковой и грузовой автомобили), позволяющие имитировать картину движения трамвайного вагона в реальных условиях: при наличии попутного и встречного транспорта. Таким образом, появляется возможность сравнения коэффициентов аэродинамической составляющей в идеальных условиях (обдувание кузова ламинарным потоком) и в условиях движения транспортного средства в город-

ской среде (при наличии попутных средств), а также их уточнения.

Результаты, полученные при проведении экспериментов, позволяют определить оптимальную по критерию энергоэффективности форму кузова для различных видов городского электрического транспорта. Данные исследования дополняют аналогичные уже проводившиеся ранее исследования по определению аэродинамического сопротивления подвижного состава в ламинарных потоках.

Статья поступила 26.12.2013 г.

Библиографический список

1. Теория электрической тяги / В.Е. Розенфельд, П. Исаев, Н.Н. Сидоров, М.И. Озеров; под ред. И.П. Исаева. М.: Транспорт, 1995. 294 с.

2. Соляник П.Н., Сургайло М.Л., Чмовж В.В.. Экспериментальная аэродинамика: учеб. пособие по лабораторному практикуму. Харьков: Изд-во ХАИ, 2007. 96 с.

3. Меньшиков В.И. Определение аэродинамических харак-

теристик профиля в потоке газа: учеб. пособие для курсового и дипломного проектирования. Харьков: Изд-во ХАИ, 1974. 88 с.

4. Мельников А.П. Основы прикладной аэродинамики. Л.: ЛКВВИА, 1953. 580 с.

5. Горлин С.М., Слезингер И.И. Аэромеханические измерения. М.: Наука, 1964. 720 с.

УДК 658.588.1

МЕТОД БАЛЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ФАКТОРОВ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХ ТЕХНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ СПЕЦИАЛЬНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ

© Р.М. Разумилов1

Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.

Представлен метод балльной оценки факторов, характеризующих техническое состояние специального подвижного состава (СПС) на железнодорожном транспорте. Для проведения балльной оценки технического состояния СПС выбраны семь оцениваемых узлов по восьми типам факторов в трех уровнях влияния. Доли факторов в группе определены в результате статистической обработки данных диагностирования и мониторинга СПС Восточно-Сибирской железной дороги в период с 2010 по 2011 гг. Табл. 1. Библиогр. 6 назв.

Ключевые слова: балльная оценка факторов; специальный подвижной состав; оценка технического состояния.

POINT ASSESSMENT METHOD FOR FACTORS CHARACTERIZING TECHNICAL CONDITION OF SPECIAL ROLLING STOCK IN RAILWAY TRANSPORT R.M. Razumilov

1Разумилов Роман Михайлович, аспирант, тел.: 89642888606, e-mail: Razumilov.roman@mail.ru Razumilov Roman, Postgraduate, tel.: 89642888606, e-mail: Razumilov.roman@mail.ru