一种高速列车对称式同步多级梯面平衡翼

技术领域

本发明涉及轨道交通装备制造领域，具体涉及一种高速列车对称式同步多级梯面平衡翼。

背景技术

随着运营时速的提升，轮轨列车的车轮磨耗将进一步加剧，此过程中势必缩短车轮的镟修周期和使用寿命。为了在更高速度下降低列车全寿命周期成本，研究提出了带有升力翼的高速列车概念，突破传统高速列车气动外形设计理念，结合高速列车和飞行器各自优势，希望通过增加列车气动升力，实现高速列车整体节能降耗。

20世纪末，日本东北大学最早提出了“气动悬浮列车”设计概念，通过在地面附近布置地效翼，利用地面效应增升，给列车提供升力。同时对气动悬浮列车所用翼型进行了初步设计研究，认为其运载经济效率要高于磁浮列车和高速民航客机，并制作出了气动悬浮列车实验车型，提出了一种添加升力翼的概念设计方案，在车顶和车底侧面布置“仿机翼”，并指出了一些可供选择的翼型。上述研究表明，设计出具备良好气动特性的升力翼是升力翼列车技术的关键。

截止目前，围绕这一目标，研究提出了多种设计方案，比如授权公告号为CN113602299B，发明名称为高速列车气动力调控的伸缩翼装置、高速列车及控制方法，授权公告号为CN210133111U，发明名称为高速轨道交通列车侧翼升力控制机构的中国专利，授权公告号为CN202175052U和CN202175053U公开的一种高速列车车翼装置等，但总体来看并未充分与高速列车的发展实际相结合，尤其表现在升力翼结构设计方案、安装布置形式、控制方式及实车应用等方面基本处于空白状态。

基于此，在现阶段我国围绕高速智能绿色铁路装备大发展的背景下，研发一种增升效果明显、阻力系数小、气动噪声小、安装空间小、针对现有高速列车适用性高、可智能调控及有效应对复杂风环境的高速列车升力翼装置，是目前高速列车提速运行及贯彻节能降耗发展绿色铁路装备亟待解决的问题之一。

发明内容

为了克服现有技术以下几个主要技术问题和缺陷：

（1）填补高速列车升力翼结构设计方案、安装布置形式、控制方式及实车应用等方面的技术空白；

（2）授权公告号为CN210133111U，所公开的一种高速轨道交通列车侧翼升力控制机构的侧翼升力控制机构安装于高速列车车底，只用来调控调节头车及尾车在运行中所产生的不平衡升力，作用效果单一，未能对列车整体的升力进行调控、进而不能有效实现整车减阻降耗；

（3）授权公告号为CN210133111U，所公开的一种高速轨道交通列车侧翼升力控制机构，所披露的翼板结构垂向投影呈左右对称布置的长窄条状，整个升力翼板窄小且工作模式单一，不能有效应对复杂风环境及横风效应；

（4）授权公告号为CN210133111U及，所公开的一种高速轨道交通列车侧翼升力控制机构，及CN113602299B，所公开高速列车气动力调控的伸缩翼装置，所披露的升力翼结构垂向位置固定，不能满列车不同速度等级运行阶段对不同升力调控的运行需求；

（5）授权公告号为CN202175052U和CN202175053U的专利，通过一种高速列车车翼装置，根据不同情况调节翼型装置的俯仰角度，来达到利用气流的能量来产生升力或阻力的作用，以达到减小能源消耗、缩短制动距离的目的，但不能够对横风效应进行减弱；

（6）授权公告号为CN112498386B的专利，通过设计仿鱼鳞装置安装在列车车身一侧，根据横风风向和风速来调节装置的角度，以改变气流的流向，达到减弱横风效应的目的。但只能防止列车一侧的横风作用，并且该装置安装在整个车身一侧区域，影响列车原有的设计，如车窗、车门等，不易于实际使用。

为能够实现高速列车在实际运行过程中增升效果明显且升力可控、升力翼装置阻力系数小、气动噪声小、安装空间小、针对现有高速列车适用性高、可智能调控同时能够有效应对复杂风环境，发展整体能耗和全寿命周期成本下降的创新型高速列车的要求。本发明提出一种高速列车对称式同步多级梯面平衡翼。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种高速列车对称式同步多级梯面平衡翼，主要包括升力翼及控制单元，还包括悬挂固定杆1、驱动电机2及联动连杆组件LG；所述驱动电机2输出轴固定连接所述联动连杆组件LG的第二连架杆18，同时于所述联动连杆组件LG的第一连架杆17同轴转动连接；所述升力翼包括左右对称设置并逐级嵌套连接的多级升力翼，在所述驱动电机2及所述联动连杆组件LG联动驱动下，实现多级升力翼同步左右横向伸缩运动；所述驱动电机2及联动连杆组件LG安装布设于所述多级升力翼内腔体中；所述高速列车对称式同步多级梯面平衡翼布设于高速列车车底侧横向中心处，通过所述悬挂固定杆1固定连接；所述多级升力翼逐级嵌套的升力翼展开工作时，各级升力翼尾部长度从中间至两侧呈逐级缩短变化的过渡方式。

作为优选地，所述多级升力翼前后纵向截面轮廓为由底板、前侧板及尾侧板围合组成的呈底部平行上部凸起的流线型封闭结构；所述多级升力翼包括左右对称设置并逐级嵌套连接的左一级升力翼3、左二级升力翼4、左三级升力翼5、右一级升力翼6、右二级升力翼7及右三级升力翼8。

作为优选地，所述左一级升力翼3为左一级升力翼底板3A、左一级升力翼前侧板3B及左一级升力翼尾侧板3C三部分顺次围合而成的贯通式腔体结构，所述左一级升力翼3左侧内嵌套连接左二级升力翼4，并通过一级升力翼限位内止挡6G及二级升力翼限位外止挡4E实现所述左二级升力翼4定位和伸缩行程控制；所述左二级升力翼4为左二级升力翼底板4A、左二级升力翼前侧板4B及左二级升力翼尾侧板4C三部分顺次围合而成的贯通式腔体结构，所述左二级升力翼4左侧分别内嵌套连接左三级升力翼5，并通过二级升力翼限位内止挡7D及三级升力翼限位外止挡5D实现所述左三级升力翼5定位和伸缩行程控制；所述左三级升力翼5为三级升力翼底板5A、左三级升力翼前侧板5B、左三级升力翼尾侧板5C及三级升力翼外侧板8A四部分围合而成的内开面腔体结构；所述右一级升力翼6为右一级升力翼底板6A、右一级升力翼前侧板6B及右一级升力翼尾侧板6C三部分顺次围合而成的贯通式腔体结构，所述右一级升力翼6右侧内嵌套连接右二级升力翼7，并通过一级升力翼限位内止挡6G及二级升力翼限位外止挡4E实现所述右二级升力翼7定位和伸缩行程控制；所述右二级升力翼7为右二级升力翼底板7A、右二级升力翼前侧板7B及右二级升力翼尾侧板7C三部分顺次围合而成的贯通式腔体结构，所述右二级升力翼7右侧内嵌套连接右三级升力翼8，并通过二级升力翼限位内止挡7D及三级升力翼限位外止挡5D实现所述右三级升力翼8定位和伸缩行程控制；所述右三级升力翼8为三级升力翼底板5A、三级升力翼外侧板8A、右三级升力翼前侧板8B及右三级升力翼尾侧板8C四部分围合而成的内开面腔体结构；所述左三级升力翼5与所述右三级升力翼8内侧所述三级升力翼底板5A上固定设置有转动连接所述联动连杆组件LG的连杆转轴5E。

作为优选地，所述左一级升力翼3与对称设置的所述右一级升力翼6通过连接板左右对称固定连结，并通过底部设置在安装凸台3D上的固定杆安装孔3E固定连接在安装于列车车底的悬挂固定杆1上；所述连接板包括升力翼前部连接板28及升力翼尾部连接板29，其中所述升力翼前部连接板28及升力翼尾部连接板29分别通过螺栓组于升力翼前部及尾部内侧左右固定连接所述左一级升力翼3与所述右一级升力翼6。

5. 根据权利要求1所述的一种高速列车对称式同步多级梯面平衡翼，其特征在于：所述联动连杆组件LG为六连杆机构，包括中部与所述驱动电机2输出轴固定连接的第二连架杆18与同轴转动连接的第一连架杆17，及分别转动连接在所述第一连架杆17和第二连架杆18左侧与左三级升力翼5之间的左第一连杆21及左第二连杆22、分别转动连接在所述第一连架杆17和第二连架杆18右侧与右三级升力翼8之间的右第一连杆19及右第二连杆20，及左右两侧与所述风翼板内部底板上设置的与所述第一连架杆17和第二连架杆18滑动连接的右滑动架24和左滑动架25。

作为优选地，所述第一连架杆17左右两端部上侧开设有分别转动连接所述右第一连杆19和所述左第二连杆22的第一连架杆左转轴17C及第一连架杆右转轴17D，所述第一连架杆17左右两端部下侧开设有分别滑动连接所述左滑动架25与右滑动架24的第一连架杆左滑推轴17A及第一连架杆右滑推轴17B；所述第二连架杆18左右两端部上侧开设有分别转动连接所述右第二连杆20和所述左第一连杆21的第二连架杆右转轴18C及第二连架杆左转轴18D，所述第二连架杆18左右两端部下侧开设有分别滑动连接所述左滑动架25与右滑动架24的第二连架杆左滑推轴18A及第二连架杆右滑推轴18B。

作为优选地，所述左滑动架25与所述右滑动架24呈内部纵向开设滑槽的长矩形状结构，其内部滑动架滑槽有效长度L8对应非工作状态所述多级升力翼收回时所述第一连架杆17及所述第二连架杆18端部间的最大距离；所述左滑动架25滑动套接于固定连接在所述左二级升力翼4内部左二级升力翼底板4A上的左连接限位块27上；所述右滑动架24滑动套接于固定连接在所述右二级升力翼7内部右二级升力翼底板7A上的右连接限位块26上；所述升力翼伸缩工作时随着所述第一连架杆17和第二连架杆18转动运动推动所述左滑动架25和右滑动架24左右横向运动，进而实现所述多级升力翼的同步伸缩。

作为优选地，所述左连接限位块27与所述右连接限位块26通过螺栓分别固定安装在所述左二级升力翼底板4A及右二级升力翼底板7A上，横向左左右对称设置，分别与所述连架杆固定座9及所述左三级升力翼5与右三级升力翼8的连杆转轴5E中心处于同一条中心直线上；所述左连接限位块27与所述右连接限位块26为长方形结构，连接限位块有效长度L7对应所述多级升力翼左右伸出最大时所述第一连架杆17及所述第二连架杆18端部间的最小距离。

作为优选地，所述左滑动架25与所述右滑动架24为呈左右两侧对称开设滑槽的且中部一体连结的矩形结构，所述中部一体连结的矩形结构有效长度对应所述多级升力翼左右伸出最大时所述第一连架杆17及所述第二连架杆18端部间的最小距离，所述左滑动架25与所述右滑动架24内部左右两侧对称开设滑槽行程最小长度对应非工作状态所述多级升力翼收回时所述第一连架杆17及所述第二连架杆18端部间的最大距离。

作为优选地，所述驱动电机2输出轴从外依次与连架杆固定座9、第一连架杆17及第二连架杆18转轴同轴连接，其中与所述连架杆固定座9及第一连架杆17转动连接，与所述第二连架杆18通过键连接。

本发明的有益效果为：该高速列车对称式同步多级梯面平衡翼固定安装在高速列车车底侧，主要包括升力翼、控制单元、悬挂固定杆及安装布设于升力翼内腔体中的驱动电机及联动连杆组件，其中升力翼包括左右对称设置并逐级嵌套连接的多级升力翼，各级升力翼尾部长度从中间至两侧呈逐级缩短变化的过渡方式，在所述驱动电机及联动连杆组件联动驱动下，实现多级升力翼同步左右横向伸缩运动，进而完成升力翼应对复杂风环境的不同长度伸缩翼板的工作。该升力翼装置增升效果明显且升力实时可控、阻力系数小、气动噪声小、安装空间小、针对现有高速列车适用性高、可智能调控同时能够有效应对复杂风环境所引起的列车行车安全问题。

附图说明

图1为本发明的一种高速列车对称式同步多级梯面平衡翼的局部立体结构图；

图2为本发明的一种高速列车对称式同步多级梯面平衡翼的纵向局部正向视图；

图3、图4为本发明的多级升力翼立体结构图；

图5为本发明的联动连杆组件的立体结构图；

图6为本发明的多级升力翼闭合时非工作状态局部剖视图；

图7为本发明的多级升力翼半打开时工作状态局部剖视图；

图8为本发明的多级升力翼完全打开时工作状态局部剖视图；

图9为本发明的联动连杆组件的平面布置及方案设计示意图；

图10为本发明的一种高速列车对称式同步多级梯面平衡翼的立体结构图；

图11为本发明的一种高速列车对称式同步多级梯面平衡翼的升力翼完全打开时俯视图。

图中：悬挂固定杆1；驱动电机2；左一级升力翼3；左一级升力翼底板3A；左一级升力翼前侧板3B；左一级升力翼尾侧板3C；安装凸台3D；固定杆安装孔3E；连接板固定螺栓孔3F；连架杆固定螺栓孔3G；固定杆通过孔3H；左二级升力翼4；左二级升力翼底板4A；左二级升力翼前侧板4B；左二级升力翼尾侧板4C；连架杆固定座安装孔4D；二级升力翼限位外止挡4E；左三级升力翼5；三级升力翼底板5A；左三级升力翼前侧板5B；左三级升力翼尾侧板5C；三级升力翼限位外止挡5D；连杆转轴5E；右一级升力翼6；右一级升力翼底板6A；右一级升力翼前侧板6B；右一级升力翼尾侧板6C；一级升力翼限位内止挡6G；右二级升力翼7；右二级升力翼底板7A；右二级升力翼前侧板7B；右二级升力翼尾侧板7C；二级升力翼限位内止挡7D；右三级升力翼8；三级升力翼外侧板8A；右三级升力翼前侧板8B；右三级升力翼尾侧板8C；第一连架杆17；第一连架杆左滑推轴17A；第一连架杆右滑推轴17B；第一连架杆左转轴17C；第一连架杆右转轴17D；第二连架杆18；第二连架杆左滑推轴18A；第二连架杆右滑推轴18B；第二连架杆右转轴18C；第二连架杆左转轴18D；右第一连杆19；右第二连杆20；左第一连杆21；左第二连杆22；连架杆固定座9；固定座本体9A；固定座电机转轴孔9B；电机安装孔9C；固定座安装孔9D；右滑动架24；左滑动架25；右连接限位块26；左连接限位块27；升力翼前部连接板28；升力翼尾部连接板29；联动连杆组件LG；连架杆交叉角R1；连杆交叉角R2；风翼板装置工作转角R3；第一连架杆中心有效长度L1；第二连架杆中心有效长度L2；左第一连杆中心有效长度L3；左第二连杆中心有效长度L4；右第一连杆中心有效长度L5；右第二连杆中心有效长度L6；连接限位块有效长度L7；滑动架滑槽有效长度L8。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1、2、10、11所示，一种高速列车对称式同步多级梯面平衡翼，主要包括升力翼及控制单元，还包括悬挂固定杆1、驱动电机2及联动连杆组件LG；所述驱动电机2输出轴固定连接所述联动连杆组件LG的第二连架杆18，同时于所述联动连杆组件LG的第一连架杆17同轴转动连接；所述升力翼包括左右对称设置并逐级嵌套连接的多级升力翼，在所述驱动电机2及所述联动连杆组件LG联动驱动下，实现多级升力翼同步左右横向伸缩运动；所述驱动电机2及联动连杆组件LG安装布设于所述多级升力翼内腔体中；所述高速列车对称式同步多级梯面平衡翼布设于高速列车车底侧横向中心处，通过所述悬挂固定杆1固定连接；所述多级升力翼逐级嵌套的升力翼展开工作时，各级升力翼尾部长度从中间至两侧呈逐级缩短变化的过渡方式。

如图3、4所示，所述多级升力翼前后纵向截面轮廓为由底板、前侧板及尾侧板围合组成的呈底部平行上部凸起的流线型封闭结构；所述多级升力翼包括左右对称设置并逐级嵌套连接的左一级升力翼3、左二级升力翼4、左三级升力翼5、右一级升力翼6、右二级升力翼7及右三级升力翼8。所述左一级升力翼3为左一级升力翼底板3A、左一级升力翼前侧板3B及左一级升力翼尾侧板3C三部分顺次围合而成的贯通式腔体结构，所述左一级升力翼3左侧内嵌套连接左二级升力翼4，并通过一级升力翼限位内止挡6G及二级升力翼限位外止挡4E实现所述左二级升力翼4定位和伸缩行程控制；所述左二级升力翼4为左二级升力翼底板4A、左二级升力翼前侧板4B及左二级升力翼尾侧板4C三部分顺次围合而成的贯通式腔体结构，所述左二级升力翼4左侧分别内嵌套连接左三级升力翼5，并通过二级升力翼限位内止挡7D及三级升力翼限位外止挡5D实现所述左三级升力翼5定位和伸缩行程控制；所述左三级升力翼5为三级升力翼底板5A、左三级升力翼前侧板5B、左三级升力翼尾侧板5C及三级升力翼外侧板8A四部分围合而成的内开面腔体结构；所述右一级升力翼6为右一级升力翼底板6A、右一级升力翼前侧板6B及右一级升力翼尾侧板6C三部分顺次围合而成的贯通式腔体结构，所述右一级升力翼6右侧内嵌套连接右二级升力翼7，并通过一级升力翼限位内止挡6G及二级升力翼限位外止挡4E实现所述右二级升力翼7定位和伸缩行程控制；所述右二级升力翼7为右二级升力翼底板7A、右二级升力翼前侧板7B及右二级升力翼尾侧板7C三部分顺次围合而成的贯通式腔体结构，所述右二级升力翼7右侧内嵌套连接右三级升力翼8，并通过二级升力翼限位内止挡7D及三级升力翼限位外止挡5D实现所述右三级升力翼8定位和伸缩行程控制；所述右三级升力翼8为三级升力翼底板5A、三级升力翼外侧板8A、右三级升力翼前侧板8B及右三级升力翼尾侧板8C四部分围合而成的内开面腔体结构；所述左三级升力翼5与所述右三级升力翼8内侧所述三级升力翼底板5A上固定设置有转动连接所述联动连杆组件LG的连杆转轴5E。其中所述左一级升力翼3与对称设置的所述右一级升力翼6通过连接板左右对称固定连结，并通过底部设置在安装凸台3D上的固定杆安装孔3E固定连接在安装于列车车底的悬挂固定杆1上；所述连接板包括升力翼前部连接板28及升力翼尾部连接板29，其中所述升力翼前部连接板28及升力翼尾部连接板29分别通过螺栓组于升力翼前部及尾部内侧左右固定连接所述左一级升力翼3与所述右一级升力翼6。

如图1、5所示，所述联动连杆组件LG为六连杆机构，包括中部与所述驱动电机2输出轴固定连接的第二连架杆18与同轴转动连接的第一连架杆17，及分别转动连接在所述第一连架杆17和第二连架杆18左侧与左三级升力翼5之间的左第一连杆21及左第二连杆22、分别转动连接在所述第一连架杆17和第二连架杆18右侧与右三级升力翼8之间的右第一连杆19及右第二连杆20，及左右两侧与所述风翼板内部底板上设置的与所述第一连架杆17和第二连架杆18滑动连接的右滑动架24和左滑动架25。所述第一连架杆17左右两端部上侧开设有分别转动连接所述右第一连杆19和所述左第二连杆22的第一连架杆左转轴17C及第一连架杆右转轴17D，所述第一连架杆17左右两端部下侧开设有分别滑动连接所述左滑动架25与右滑动架24的第一连架杆左滑推轴17A及第一连架杆右滑推轴17B；所述第二连架杆18左右两端部上侧开设有分别转动连接所述右第二连杆20和所述左第一连杆21的第二连架杆右转轴18C及第二连架杆左转轴18D，所述第二连架杆18左右两端部下侧开设有分别滑动连接所述左滑动架25与右滑动架24的第二连架杆左滑推轴18A及第二连架杆右滑推轴18B。

作为优选地，所述左滑动架25与所述右滑动架24呈内部纵向开设滑槽的长矩形状结构，其内部滑动架滑槽有效长度L8对应非工作状态所述多级升力翼收回时所述第一连架杆17及所述第二连架杆18端部间的最大距离；所述左滑动架25滑动套接于固定连接在所述左二级升力翼4内部左二级升力翼底板4A上的左连接限位块27上；所述右滑动架24滑动套接于固定连接在所述右二级升力翼7内部右二级升力翼底板7A上的右连接限位块26上；所述升力翼伸缩工作时随着所述第一连架杆17和第二连架杆18转动运动推动所述左滑动架25和右滑动架24左右横向运动，进而实现所述多级升力翼的同步伸缩。

所述联动连杆组件LG对应的升力翼装置多级升力翼闭合时连接状态如图6所示，对应的升力翼装置多级升力翼半打开工作时连接状态如图7所示，对应的升力翼装置多级升力翼完全打开工作时连接状态如图8所示。

所述左连接限位块27与所述右连接限位块26通过螺栓分别固定安装在所述左二级升力翼底板4A及右二级升力翼底板7A上，横向左左右对称设置，分别与所述连架杆固定座9及所述左三级升力翼5与右三级升力翼8的连杆转轴5E中心处于同一条中心直线上；所述左连接限位块27与所述右连接限位块26为长方形结构，连接限位块有效长度L7对应所述多级升力翼左右伸出最大时所述第一连架杆17及所述第二连架杆18端部间的最小距离。所述左滑动架25与所述右滑动架24为呈左右两侧对称开设滑槽的且中部一体连结的矩形结构，所述中部一体连结的矩形结构有效长度对应所述多级升力翼左右伸出最大时所述第一连架杆17及所述第二连架杆18端部间的最小距离，所述左滑动架25与所述右滑动架24内部左右两侧对称开设滑槽行程最小长度对应非工作状态所述多级升力翼收回时所述第一连架杆17及所述第二连架杆18端部间的最大距离。

如图1所示，所述驱动电机2输出轴从外依次与连架杆固定座9、第一连架杆17及第二连架杆18转轴同轴连接，其中与所述连架杆固定座9及第一连架杆17转动连接，与所述第二连架杆18通过键连接。

如图9所示，所述第一连架杆17和第二连架杆18等长设置，第一连架杆中心有效长度L1等于第二连架杆中心有效长度L2；所述右第一连杆19、右第二连杆20、左第一连杆21及左第二连杆22等长设置，左第一连杆中心有效长度L3等于左第二连杆中心有效长度L4等于右第一连杆中心有效长度L5等于右第二连杆中心有效长度L6。所述左连接限位块27与所述右连接限位块26通过螺栓分别固定安装在所述左二级升力翼底板4A及右二级升力翼底板7A上，横向左左右对称设置，分别与所述连架杆固定座9及所述左三级升力翼5与右三级升力翼8的连杆转轴5E中心处于同一条中心直线上；所述左连接限位块27与所述右连接限位块26为长方形结构，连接限位块有效长度L7对应所述多级升力翼左右伸出最大时所述第一连架杆17及所述第二连架杆18端部间的最小距离。

滑动架的另一种设施方式：所述左滑动架25与所述右滑动架24为呈左右两侧对称开设滑槽的且中部一体连结的矩形结构，所述中部一体连结的矩形结构有效长度对应所述多级升力翼左右伸出最大时所述第一连架杆17及所述第二连架杆18端部间的最小距离，所述左滑动架25与所述右滑动架24内部左右两侧对称开设滑槽行程最小长度对应非工作状态所述多级升力翼收回时所述第一连架杆17及所述第二连架杆18端部间的最大距离。

其中需要说明的是，本文献中提到的“左”、“右”、“前”、“后”、“内”、“外”、“上”、“下”等指示方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对技术方案的限制，所述连接关系可以指直接连接关系，也可以指间接连接关系。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。