Czy konstrukcja „nadwozia podnoszącego” byłaby przydatna dla wagonu kolejowego?

Body Lifting

Ideą konstrukcji karoserii jest takie ukształtowanie karoserii pojazdu, aby uzyskać windę bez skrzydeł. Badania wykazały, że może to być skuteczna metoda zmniejszania oporu przy jednoczesnym zapewnieniu siły nośnej.

Zazwyczaj dzieje się tak w przypadku samolotów lub statków kosmicznych:

podnoszenie ciał

Czy podobne podejście może pomóc w zwiększeniu wydajności pociągów?

Pociągi pasażerskie wyglądają już na opływowe i aerodynamiczne:

TGV

Pociągi towarowe nie:

pociąg towarowy

Opór powietrza nie jest jedyną formą oporu, którą pociągi muszą pokonać. Muszą także pokonać opór swoich kół na torze. To właśnie tutaj pomyślałbym, że przyniosłyby to oszczędności energii wynikające z konstrukcji nadwozia. Wszelkie dodatkowe podnoszenie utworzone przez konstrukcję nadwozia zmniejszy tarcie między kołami a szyną, oszczędzając w ten sposób energię.

Koła pociągu mają kołnierze, więc nie potrzebują przyczepności do kierowania. Samochody również nie potrzebują przyczepności na szynach, ponieważ koła napędowe są tylko na silnikach.

Czy nadwozie podnoszące może wytworzyć wystarczającą siłę nośną przy typowych prędkościach pociągu, aby wprowadzić zauważalną różnicę?

aerospace-engineering rail

— Hazzey
źródło

Nadal potrzebujesz tarcia, aby móc się złamać. O ile mi wiadomo, ciąg jest „skoncentrowany” w lokomotywach, ale zdolność hamowania jest rozłożona na wszystkie wagony w pociągu.

— Nick Alexeev

W przypadku ciała podnoszącego wystarczająco dużego, aby wywołać zauważalny efekt, uważam, że wykolejenie może stanowić problem.

— HDE 226868,

Należy pamiętać, że „typowe prędkości pociągów” różnią się znacznie w zależności od pociągu, toru i ładunku. Pochyłe krzywe wymagają znacznie zmniejszonej prędkości, aby zapobiec np. Rozlaniu 20 tysięcy galonów herbicydu na dużą drogę wodną . Myślę, że określenie tych „typowych prędkości” jest pierwszym porządkiem biznesu, ponieważ może od razu odpowiedzieć na twoje pytanie.

— Air

Ponadto wiele nowoczesnych pociągów pasażerskich to elektryczne zespoły trakcyjne , w których koła napędowe są rozmieszczone w całym pociągu. Nawet w pociągach pasażerskich podnoszenie nadwozia jest często złą rzeczą.

— cpast

Jak poszedłbyś w sprawie kształtowania pociągu, aby zapewnić windę? Obszar skierowany do przodu jest niewielki, a szerokość dostępna dla wingletów jest niewielka.

— Jon of All Trades

Odpowiedzi:

Nie powiem, że nie można zrobić zauważalnej różnicy. Ale powiedziałbym, że jest to do cholery mało prawdopodobne.

Siły unoszące i ciągnące na dowolnym ciele ogólnie zależą od prędkości ciała ( ), gęstości płynu ( ), powierzchni obiektu ( ) i bezwymiarowego współczynnika ( lub ). Odpowiedni obszar może być nieco niewyraźny, jeśli chodzi o to, czy chodzi o obszar czołowy, czy obszar planformy, ale dla pociągu będzie to zasadniczo obszar w płaszczyźnie normalnej do kierunku podróży (biorąc pod uwagę, że większość wagony kolejowe są po lokomotywie). Współczynniki mogą się nieco różnić w zależności od prędkości z powodu turbulencji, ale zwykle będą wynosić od 0 do 2. Forma funkcjonalna to: $v$ $\rho$ $A$ $C_L$ $C_D$

F_{L} = 1 / 2 ρ A C_{L} v^{2}

$F_L = 1/2\rho A C_L v^2$

Surowe oszacowanie pociągu towarowego jako wysokości i szerokości, poruszającego się z prędkością ( ). Daje nam to, że dźwig wyniesie około dla całego pociągu (niewystarczający do podniesienia zwykłego samochodu). Obliczenia te nie mają być zbyt precyzyjne, ale nawet dziesięciokrotnie, udźwig byłby minimalny w porównaniu z całkowitą masą pojazdu. $4\, m$ $16 \, m/s$ $57 \, kph$ $2500 N$

Biorąc to pod uwagę, możesz rozważyć zalety dodania dodatkowych elementów aerodynamicznych. Tutaj dochodzi do kompromisu między generowaniem siły nośnej (w celu zmniejszenia siły skierowanej w dół na koła) a generowaniem oporu. Podczas gdy stosunek siły nośnej do oporu może być wysoki (w niektórych przypadkach ~ 50), opór toczenia kół pociągu jest w rzeczywistości bardzo niski ( ). Więc chociaż winda zmniejszy straty spowodowane tarciem, zwiększy straty wynikające z większego oporu. $C_{rr} \sim 0.00035$

Tak więc zmniejszanie oporu jest dobre, ale zapewnienie podnoszenia prawdopodobnie nie jest tego warte. W rzeczywistości zmniejszenie oporu kosztem zwiększenia ciężaru może być korzystne, ponieważ koła są bardzo dobre w efektywnym przenoszeniu obciążenia.

NB I konsultowany Wikipedię i inżynierii Toolbox dla danych. Nie mogłem zweryfikować źródeł dla kół kolejowych, ale byłem w stanie potwierdzić, że wartości opon drogowych były prawidłowe za pomocą „Podstawy dynamiki pojazdu” Gillespie. Wszelkie pomysły dotyczące weryfikacji byłyby mile widziane. $C_{rr}$

— Dan
źródło

Dobrze widzieć podstawową powierzchnię równania oporu. Najbardziej użyteczna formuła we wszystkich obszarach, pomimo swojej prostoty. Dodaj kolejny współczynnik V, a otrzymasz całkowitą utratę mocy z powodu oporu. Tutaj = ~ 40 kW (2kN x 16 m / s). Sugeruje to, że w przeciwieństwie do małych pojazdów silnikowych, w których dominuje, tutaj wiatr jest niewielkim czynnikiem stratnym dla pociągu. ALE zdejmowanie ciężaru (mg) z kół jest zgodne z zaleceniami dotyczącymi podnoszenia na wózek. Zakłócenia między szeregami sąsiadujących ze sobą wagonów sprawiają, że jest to „bardzo, bardzo trudne”. ....

— Russell McMahon

.... Patrząc na obciążenia skrzydeł samolotów, sugerujemy, że nawet gdyby można było zapewnić czyste powietrze, tunele byłyby interesujące z wyglądu :-).

— Russell McMahon

Co może być dla ciebie ciekawym odkryciem (było dla mnie, kiedy go wyprowadziłem dawno temu) lub może być bardziej oczywiste niż dla mnie. | Aby uzyskać prostokątny przekrój poprzeczny (dla ułatwienia życia) A i ćwiczy prędkość V, weź objętość powietrza, którą pociąg wymiata w ciągu jednej sekundy (A x V). Przyspiesz zaangażowaną masę (A x V x Rho) z 0 do V w dostępnym czasie, aby usunąć ją z pociągu. Oblicz moc potrzebną do tego. Daleko (myślałem). Kompresowalność i współczynnik oporu oraz wszystkie magiczne liczby komplikują to, ale podstawowy wynik jest satysfakcjonujący.

— Russell McMahon

Krótka uwaga, nawet jeśli twoja liczba 0,00035 jest prawidłowa, pociągi mają setki, jeśli nie tysiące kół. Myślę, że typowy samochód ma 8 kół, a na pociąg może być ponad 100 samochodów. W przypadku frachtu liczba kół na samochód może być jeszcze większa. Zachęty do zmniejszania tarcia tocznego w celu zwiększenia wydajności rejsów są nadal dostępne. Ale muszę się zgodzić z twoją analizą: siła podnoszenia, zarówno z ciała, jak i ze skrzydeł, nie jest opłacalna dla pociągu. Mogę opublikować własną odpowiedź, aby dodać do tego.

— DrZ214,

Nie chcesz zmniejszać siły skierowanej w dół na koła, ponieważ jest to podstawowy sposób na spowolnienie w sytuacji awaryjnej . Zatrzymanie pociągu zajmuje już trochę czasu, nie rób tego dłużej. Pamiętaj, że tarcie kinetyczne (zablokowane koła) jest proporcjonalne do siły skierowanej w dół na koło, a hamulce są rozłożone na każdy samochód.

Koła pociągu mają kołnierze, więc nie potrzebują przyczepności do kierowania. Samochody również nie potrzebują przyczepności na szynach, ponieważ koła napędowe są tylko na silnikach.

Oni nie potrzebują trakcję, koła są lekko stożkowe z promieniem na zewnątrz jest większa niż wewnątrz i oba są połączone z osią. W ten sposób, gdy pociąg jest niecentryczny lub na zakręcie, koło zewnętrzne ma większy efektywny promień, dzięki czemu skręci z powrotem na środek toru.

— maniak zapadkowy
źródło