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发明进展:本发明己进入实质审查阶段(以下是2017.03.15日专利公报第33卷11期的内容,专利号:201610969896.3)

发明简述:滑行飞铁是一种和磁悬浮列车有着异曲同工之妙的快速交通工具,它采用电动航空发动机做推力飞铁底部的二排滑刀直接在一排滑轮上作高速滑行的新型交通工具。它是轮轨技术与航空技术的结合体。滑行飞铁彻底根除了轮轨技术在速度上的束缚同时滑行飞铁优秀的气动外形让风阻降到最小成为可能。形像点说:滑行飞铁有点像一台喷气发动机在滑轮上贴地飞行。

发明内容:滑行飞铁(以下简称:滑铁)是一种结构简单,能效比高的快速交通工具,它是靠两条安装在车厢底部的滑刀通过在地面上两排带U型槽的轴承上高速滑过而实现移动的,通俗点说:滑铁的行走机构就是把铁轨与轮子上下搬个家,把铁轨安装在车底下,把轮子放到地面上来实现高速行驶的。整列滑铁有相同构造的车头车尾以及中间载客的车厢三部分组成。车头车尾就是一条又深又长的进气与喷气通道,每个通道即是进风通道反向行驶时又是喷气通道。通道上方与车顶之间有一封闭夹层,夹层的迎风面成流线型,动力源就安装在夹层内,每个夹层内竖着和倒着安装同一款与夹层等高的推力风扇。载客体由一系列像蜈蚣节肢状的车厢串联而成,整列滑铁在上下坡、左右转弯时可变形弯曲,当滑铁在高速行驶时,车头进风口通道内的推力风扇将高速行驶中迎面而来的空气全部通过进气口吸入并在车厢顶部向后成一定角度喷出产生推力,喷出角度由推力风扇喷气口前的百叶片调节,进气口抽吸空气的速度≥迎面而来的空气流量,使得车头进风口处始终和大气相等。滑铁尾部和车头正好相反,通过车厢顶部吸气由推力风扇将空气从滑铁尾部排气口喷出形成推力并消除车尾的压差阻力。

举例(仅供理解发明内容)

假设滑铁长度与总阻力参照德国ICE350E高铁为例,假设车体高3米,宽3米,长200.2米(车头、车尾各11米、车厢178.2米),设计在滑铁每个夹层内竖着安装18台做车头+倒着安装14台做车尾的电动涵道发动机做推力。发动机参数如下:推力195Kg,直径81.3cm,高度60cm,功率为70KW,排风量每秒40m3。如果车头推力风扇喷气口与车厢顶之间成30度夹角就能产生86.6%的输出推力,18台推力风扇每秒能抽吸720m3的风量≥车头迎风面698.4m3/s的进风量。14台做车尾推力风扇并抵消滑铁尾部的压差阻力。整列滑铁功率为32台×70KW=2240KW,总推力为5770Kg,德国高铁lCE350E在时速350公里时受到总阻力为7650Kg,假设滑铁理论阻力是徳国高铁阻力的70%,那么时速350公里的滑铁实际推力为5770kg>滑铁的理论阻力5355Kg。

技术与参数

(1)车厢与车厢的连接

滑铁车厢由众多大约一个座椅长度的车厢串联而成,车厢与车厢连接的截面上有一个个环绕着截面的半球形凹洞,凹洞内有环,每个环对应相连车厢凹洞内的环与之环环相扣,四角各安装一根弹簧,弹簧内径内二头各安一根钢棍,钢棍被固定在车厢四角起固定车厢与车厢之间的上下左右起定位作用,车厢与车厢之间连接处有间隙,间隙之间镶嵌橡胶垫圈起封闭防撞、转弯变形及减小风阻的作用。

(2) 车厢与滑刀之间的组合

滑铁车厢底部有二条滑刀凹槽,凹槽顶被固定一条充气空气弹簧,空气弹簧下紧贴一条橡胶齿轮状凹凸条,滑刀顶也有齿轮状凹凸被镶嵌在滑刀凹槽内与橡胶齿轮条耦合,齿轮状凹凸起到防止滑刀在凹槽内前后位移,橡胶齿轮条和空气弹簧起到减震作用。滑刀是一根长长的横截面成U形状的空心管状材料,滑刀一侧朝车头另一侧朝车尾处开有散热孔,滑刀与凹槽二侧有间隙利于滑刀弯曲变形,滑刀在脱离车厢底凹槽后向外延伸一段距离做转弯导向。滑刀延伸段与轴承在高速接触时起到弹性接触后将碰撞力转移到轴承之中,轴承将碰撞力用旋转方式转移走滑刀的撞击力和轮轨碰撞不一样。轮轨碰撞是刚性接触,滑刀与轴承接触是弹性接触。

(3)滑轮的安装调试和维护

滑轮是支撑滑刀做高速运动的关健系统,滑轮安装好坏是决定滑铁平稳运行的保障。每个滑轮都可以上下左右调节后再用螺母固定以方便下次拆试维护保养。

(4)制动

当滑铁需要制动时采用关闭车头车尾推力风扇,然后封闭车头车尾推力风扇的百叶片形成车头受阻、车尾负压使滑铁迅速减速,当速度降到合适时,车尾开启反向推力风扇帮助降速直到在车站刹车为止。

(5) 车厢与供电

假设滑铁高3米,车厢内部高2.2米,车厢地面与滑铁底之间有0.65米的夹层(设备仓),夹层(设备仓)内放置动力电池,空调等设备。最新特斯拉升级版powerpack锂电池每块容量已接近100KWh,相当于功率70kW一台推力风扇可以工作1.43个小时的容量,即滑铁行驶500公里左右的距离,一列200.2米长的滑铁大约可按装80块这种锂电池。另外随着超快速充电技术的发展,可以利用充电桩对停靠站的滑铁进行超快速充电以补充电能。

(6) 关于转弯半径:

以滑铁设计时速350公里为例,

r=mv2/f(r:转弯半径,单位:米,f:乘客受到向心力,以100牛顿为舒服,单位:牛吨。m:乘客的体重以平均70Kg为例,单位:公斤。v:滑铁每秒滑行的距离,单位:米/秒)

r=mv2/f=70×97×97/100=6586米

(7)滑刀与滑轮之间的横向作用力

以时速350公里,转弯半径6586米,整车自重加乘员及其它重量400吨计算,每米2个滑轮,200.2米长滑铁需接触800个滑轮。F=mv2/r=400000x97x97/6586=571455N=58312Kg

每个滑轮受滑刀的横向作用力为:F=58312/800=73公斤。

(8)滑刀与滑轮之间的接触压力(相当于高铁轮子与轨道之间的接触压力,高铁为6250kg)

F=400000/800=500Kg

远远小于高铁轮子对铁轨的接触压力,对路基要求低。

(9) 空气动力学分析

普通高铁主要受空气摩擦阻力和机械摩擦阻力这二种阻力,空气摩擦阻力又可分为三种摩擦阻力。第一种为除去车头车尾仅中间车厢外表面与空气的摩擦阻力,占空气总摩擦阻力的26%~55%。第二种空气摩擦阻力为车头与车尾之间的压差阻力,占空气总摩擦阻力的7%~14%。第三种为干扰阻力,主要来源以转向架,门窗,受电弓,连接封闭,风挡和其它装备等空气阻力,占空气总阻力时24%~58%,其中受电弓干扰阻力占7%~19%,连接封闭占2%~4%。

F=F1+F2=0.2ρV2S/2+μρV2L/2

注:F:高铁空气总阻力、F1车头车尾压差阻力、F2车厢表面总阻力,、ρ:大气密度、V:高铁速度Km/h、

S:高铁车头横截面积m2、μ:中间车厢表面与大气的摩擦系数、L:中间车厢全部表面积,即车厢横截面的周长乘车厢全长。由于干扰阻力因素众多,无法用公式计算,只能做试验。

以350km/h的滑铁为例, 由于省去了转向架、受电弓和车厢一体化及车头、车尾基本无压差阻力,如果采用锂电池供电等技术大约可比高铁减少25%的风阻,由于车头的特殊形状。迎面而来的空气被全部抽走,使得空气与车厢二侧表面的摩擦阻力大大减小,就像一片刀片以350km/h划过空气,周围的空气和刀片之间的相对速度是350km/h,因为刀片太薄,基本不引起周围空气扰流,如果是一列高铁,不管做到多么完美的流线形,它只能减小对车头的正面风压和尾部的压差阻力,而不能将迎面的空气消失。所以这些空气只能通过车头二侧快速向后流走,车头面积越大,通过车厢二侧的空气被压缩的越厉害,流速也就越快与车厢表面的摩擦阻力也就越大,另外车速越快与车厢表面的摩擦阻力也越大,二者叠加使车厢周围的空气与车厢表面之间的相对速度大大增加从而引起摩擦阻力大大高于350Km/h的速度(空气挤压后流速加大)。如果车厢侧面与空气摩擦阻力适用于阻力与速度的平方成正比的话,那么相同速度的滑铁摩擦阻力将大大地小于高铁的摩擦阻力。

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