动车组概论2(车体)

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1、1,第二章 动车组车体技术,第一节 流线形车体结构 第二节 动车组车体的轻量化设计 第三节 车体的密封隔声技术 第四节 防火安全技术 第五节 动车组连接装置,2,一、列车空气动力学 二、动车组头型设计 三、动车组车身外型设计,第一节 流线形车体结构,3,一、列车空气动力学 随着列车运行速度的提高，周围空气的动力作用一方面对列车和列车运行性能产生影响；同时，列车高速运行引起的气动现象对周围环境也产生影响，这就是高速列车的空气动力学问题。,4,1.动车组运行中列车的表面压力 从风洞试验结果来看，列车表面压力可以分为三个区域： （1）头车鼻尖部位正对来流方向为正压区； （2）车头部附近的高负压区：从

2、鼻尖向上及向两侧，正压逐渐减小变为负压，到接近与车身连接处的顶部与侧面，负压达最大值； （3）头车车身、拖车和尾车车身为低负压区。,5,因此，在动车（头车）上布置空调装置及冷却系统进风口时，应布置在靠近鼻尖的区域内，此处正压较大，进风容易；而排风口则应布置在负压较大的顶部与侧面。 在有侧向风作用下，列车表面压力分布发生很大变化，尤其对车顶小圆弧部位表面压力的影响最大。当列车在曲线上运行又遇到强侧风时，还会影响到列车的倾覆安全性。,6,2.动车组会车时列车的表面压力 列车交会时产生的最大压力脉动值的大小是评价列车气动外形优劣的一项指标。 在一列车与另一静止不动的列车会车时，以及两列等速或不等速相

3、对运行的列车会车时，将在静止列车和两列相对运行列车一侧的侧墙上引起压力波（压力脉冲）。 这是由于相对运动的列车车头对空气的挤压，在与之交会的另一列车侧壁上掠过，使列车间侧壁上的空气压力产生很大的波动。,7,试验研究和计算表明，动车组会车压力波幅值大小与下列因素有关： (1)随着会车速度的大幅度提高，会车压力波的强度将急剧增大，如图所示:,8,会车压力波幅值与速度的关系曲线,9,由上图可见，当头部长细比为2.5，两列车以等速相对运行会车时，速度由250km/h提高到350km/h，压力波幅值由1015Pa增至1950Pa，增大近一倍。 (2)会车压力波幅值随着头部长细比的增大而近似线性地显著减小

4、。为了有效地减小动车组会车引起的压力波的强度，应将动车（车头）的头部设计成细长而且呈流线型。,10,(3)会车压力波幅值随会车动车组侧墙间距增大而显著减小。为了减少会车压力波及其影响，应适当增大铁路的线间距。 我国铁路主要技术政策中规定： 160km/h时，线间距4.2m； 200km/h时，线间距4.4m； 250km/h时，线间距4.6m； 300km/h时，线间距4.8m； 350km/h时，线间距5.0m。,11,(4)会车压力波幅值随会车长度增大而近似成线性地明显增大。 (5)会车压力波幅值随侧墙高度增大明显减小，但减小的幅度随侧墙高度增大而逐渐减小。,12,(6)高、中速列车会车时

5、，中速车的压力波幅值远大于高速车(一般高1.8倍以上)。这是由于会车压力波的主要影响因素是通过车的速度，在高、中速列车会车时，中速车压力波主要受其通过车高速车速度的影响，高速车压力波主要受其通过车中速车速度的影响，所以中速车上的压力波幅值远大于高速车。,13,3.动车组通过隧道时列车的表面压力 列车在隧道中运行时，将引起隧道内空气压力急剧波动，因此列车表面上各处的压力也呈快速大幅度变动状况，完全不同于在明线上的表面压力分布。,14,试验研究表明，压力幅值的变动与列车速度，列车长度，堵塞系数(列车横截面积与隧道横截面积的比值)、头型系数（长细比，即车头前端鼻形部位长度与车头后部车身断面半径之比）

6、，以及列车侧面和隧道侧面的摩擦系数等因素有关，其中以堵塞系数和列车速度为重要的影响参数。,15,国外有的研究报告指出: 单列车进入隧道的压力变化大约与列车速度的平方成正比，与堵塞系数的1.30.25次方成正比例。 两列车在隧道内高速会车时车体所受到的压力变化更为严重，此时压力变化与堵塞系数的2.160.06次方成正比。并且两列车进入隧道的时差对压力变化也有很大的影响，当形成波形叠加时将引起很高的压力幅值和变化率，此时车体表面的瞬时压力可在正负数千帕之间变化。,16,4.列车风 当列车高速行驶时，在线路附近产生空气运动，这就是列车风。当列车以200km/h速度行驶时，根据测量，在轨面以上0.81

7、4m、距列车1.75m处的空气运动速度将达到17m/s（61.2km/h)，这是人站立不动能够承受的风速，当列车以这样或更高的速度通过车站时，列车风将给铁路工作人员和旅客带来危害。,17,高速列车通过隧道时，在隧道中所引起的纵向气流速度约与列车速度成正比。在隧道中列车风将使得道旁的工人失去平衡以及将固定不牢的设备等吹落在隧道中，这都是一些潜在的危险。 国外有些铁路规定，在列车速度高于160km/h行驶时不允许铁路员工进入隧道。列车速度稍低时，也不让员工在隧道中行走和工作，必须要在避车洞内等待列车通过。,18,5.列车空气动力学的力和力矩 如图所示，作用于车辆上的空气动力学的力和力矩，其中有：空

8、气阻力、上升力、横向力，以及纵向摆动力矩、扭摆力矩和侧滚力矩。下面作一简要介绍。,19,（1）空气阻力 减少动车组的空气阻力对于实现高速运行和节能都有重要意义，因此，需要对车体外形进行最优化设计，以便最大可能地降低空气阻力。 动车组的运行阻力主要由空气阻力和机械阻力（即轮轨摩擦阻力、轴承等滚动部件的摩擦阻力等）组成。,20,空气阻力可以简略地用下面公式表示： 式中 Cx空气阻力系数 空气密度 V列车速度 A列车横截面积,21,空气阻力主要由以下三个部分组成： 压差阻力：头部及尾部压力差所引起的阻力； 摩擦阻力：由于空气的粘性而引起的、作用于车体表面的剪切应力造成的阻力； 干扰阻力：车辆的突出物

9、(如手柄、门窗、转向架、车体底架、悬挂设备、车顶设备、及车辆之间的连接风挡等)所引起的阻力。,22,研究表明，空气阻力与速度的平方成正比，机械阻力则与速度成正比。 速度为100km/h时，空气阻力和机械阻力各占一半； 速度提高到200km/h时，空气阻力占70，机械阻力只占30； 250km/h速度平稳运行时，空气阻力约占列车总阻力的8090以上。,23,法国对TGV动车的空气阻力（R）的测试结果： V100km/h时，R5.526KN； V200km/h时，R15.25KN。 这说明，当速度提高1倍时，空气阻力（R）提高约2倍。,24,（2）升力 把动车组表面的局部压力高于周围空气压力的称为

10、正，局部压力低于周围空气压力的称为负。作为一个整体，车辆是受正的(向上的)升力还是受负的(向下的)升力，取决于车辆所有截面的表面压力累加结果是正还是负。 升力也与列车速度的平方成正比。正升力将使轮轨的接触压力减小，为此将对列车的牵引和动力学性能产生重要影响。,25,（3）横向力 动车组运行中遇到横向风时，车辆将受到横向力和力矩的作用，当风载荷达到一定程度时，横向力及其侧滚力矩、扭摆力矩将影响车辆的倾覆安全性。,26,侧向阻力可以简略地用下面公式表示： 式中 CD侧面阻力系数 空气密度 V列车速度 A列车侧面投影面积,27,就车辆形状而言，车顶越有棱角，其阻力越大。通过风洞试验研究认为，最佳的车

11、体横断面形状应当是：车体侧面平坦，且上下渐内倾(可以降低升力)、顶部稍圆、车顶与车体侧面拐角处完全修圆(可以降低力矩)。,28,二、动车组头型设计 对于高速动车组来说，列车头型设计非常重要，好的头型设计可以有效地减少运行空气阻力，列车交会压力波和解决好运行稳定性等问题。,29,1.头型设计的基本要求 (1)阻力系数 一些高速铁路发展比较早的国家，通过试验研究和理论计算，明确提出了各自的列车阻力系数指标。 在“德国联邦铁路城间特快列车ICE技术任务书”中规定： 列车前端的驱动头车空气阻力系数C0.17； 列车末端的驱动头车空气阻力系数C0.19。,30,(2)头型系数（长细比） 长细比，即车头前

12、端鼻形部位长度与车头后部车身断面半径之比。 头、尾车阻力系数与流线化头部长细比直接有关，高速列车头部的长细比一般要求达到3左右或者更大，如图所示：,31,32,2.动车组头部流线化设计 头部纵向对称面上的外形轮廓线，要满足司机室净空高、前窗几何尺寸、玻璃形状，以及了望等条件。在此基础上，尽可能降低该轮廓线的垂向高度，使头部趋于扁形，这样可以减小压力冲击波，并改善尾部涡流影响。同时，将端部鼻锥部分设计成椭圆形状，可以减少列车运行时的空气阻力，如图所示。,33,(a)一拱方案,(b)二拱方案,(c)设导流板方案,34,头车外形比较,35,在设计俯视图最大轮廓线形时，首先要满足司机室的宽度要求，然后

13、再将鼻锥部分设计为带锥度的椭圆形状。这样既有利于减小列车交会压力波和改善尾部涡流影响的梭形，又兼顾到有利于降低空气阻力的椭球面形状。 此外还应设计凹槽形的导流板，将气流引向车头两侧。,36,在主型线设计完成后，还要做到头部外形与车身外形严格相切；头部外形中，任意选取的两曲面之间也要严格相切，以保证头部外形的光滑性，这样既减少空气阻力，又可以降低列车交会压力波幅值。,37,三、动车组车身外型设计 动车组车身横断面形状设计有以下特点： 1.整个车身断面呈鼓形，即车顶为圆弧形，侧墙下部向内倾斜（5o左右）并以圆弧过渡到底架，侧墙上部向内倾斜（3o左右）并以圆弧过渡到车顶。,38,下图为德国ICE动车

14、组车身断面形状。这不仅能减小空气阻力，而且有利于缓解列车交会压力波及横向阻力、侧滚力矩的作用。,39,车体断面比较,40,2. 车辆底部形状对空气阻力的影响很大，为了避免地板下部设备的外露，采用与车身横断面形状相吻合的裙板遮住车下设备，以减少空气阻力，也可防止高速 运行带来的沙石击打车下设备。,41,3.车体表面光滑平整，尽量减少突出物。如侧门采用塞拉式；扶手为内置式；脚蹬做成翻板式，使侧面关闭时可以包住它。 4.两车辆连接处采用橡胶大风挡，与车身保持平齐，避免形成空气涡流。,42,第二节 动车组车体的轻量化设计,一、轴重对轮轨相互作用的影响 二、车体结构的轻量化技术 三、车内设备的轻量化技术

15、 四、转向架结构轻量化技术,43,一、轴重对轮轨相互作用的影响 1.轴重对轨道损伤的影响 随着轴重的增加，钢轨承受轮载而产生的轮轨接触应力、轨头内部的剪切应力、局部应力和弯曲应力将相应增加，同时疲劳荷载作用下的应力水平也将随之提高，从而大大缩短了钢轨的使用寿命。,44,研究结果表明，钢轨头部损伤几乎全是疲劳损伤，钢轨折损率随轴重的增加而增加。 法国依据钢轨疲劳损伤统计资料的分析得出，钢轨疲劳折损率与轴载荷的2.25次方成正比关系。 美国认为与轴载荷的3.8次方成正比。,45,接触理论表明，轮、轨面上的接触应力和轨头内部的剪切应力与轴载荷成正比，且与车轮直径及踏面外形有关。所以减小轴重可减少钢轨

16、的损伤和提高其使用寿命。 日本高速列车为动力分散式，早期的轴重和簧下质量较大，轮轨动力作用和因此产生的钢轨磨耗和破坏严重，所以日本在高速列车的发展中非常重视降低轴重。,46,2.高速对轮轨间垂向动力作用的影响 列车运行中，如果存在车轮偏心和扁疤，或者遇到轨道不平顺时，将产生轮轨间的冲击载荷，这种载荷属于“动态作用力”。下图为B0-B0式电力机车以160km/h速度进行线路试验得出的过轨接头时轮轨间总载荷的时间历程。该电力机车的轴重为20t。,47,上图中，纵坐标为垂向总载荷与车轮静载荷之比，横坐标为时间（ms）；虚线为轮轨系统冲击响应的理论计算值，实线为实测值。由图可见，在这个冲击过程中，轮轨间的载荷出现两个峰值P1和P2。,48,P1力出现在轮轨冲击后的瞬时（约0.30.4ms），频率为500Hz1000Hz，称之为高频力，其值为车轮静载的5倍左右。 P1力的高频瞬时冲击作用很快被钢轨及轨道的惯性反作用力抵消，很快衰减，来不及向上和向下传播，其破坏作用对钢轨和车轮最严重。它直接影响钢轨轨头的