搜索
1／118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2／118一、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3／118一、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。其涉及的主要方面如下:•动车组运行中列车的表面压力；•动车组会车时列车的表面压力；•动车组通过隧道时的表面压力；•列车风；•列车空气动力学的力和力矩等。4／1181.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；ⅠⅡⅢ5／118(2)车头部附近的高负压区：从鼻尖向上及向两侧，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。ⅠⅡⅢ6／118•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。•另外，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。7／1182.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是评价列车气动外形优劣的一项指标。•在一运行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对运行的列车会车时，将在两列相对运行列车一侧的侧墙上引起压力波。•其原因是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。8／118影响动车组会车压力波幅值大小的6个因素：(1)随着会车速度的大幅度提高，会车压力波幅值将急剧增大，如图所示。左图可见，当头部长细比γ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。会车压力波幅值与速度的关系曲线9／118(2)会车压力波幅值随着头部长细比的增大而近似线性地减小。(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。我国《铁路主要技术政策》中规定：•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。10／118(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而逐渐减小。(6)高、中速列车会车时，中速车的压力波幅值远大于高速车(一般高1.8倍以上)。这主要由于会车压力波幅值受到通过车的速度的影响。11／1183.动车组通过隧道时的表面压力•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。12／118隧道内和隧道口气压变化5～11kPa•车内压力变化要求：车内压力波动不超过1000Pa，气压变化率不大于200Pa/s。隧道截面面积普通铁路30m2高速铁路：日本64m2德国94m2法国100m2中国高速铁路拟选100m213／118•动车组通过隧道时的表面压力除上述6种影响因素外还有以下3方面：(1)堵塞系数η:–单列车进入隧道时：与η（1.05～1.55）成正比。–两列车在隧道内高速会车时：与η（2.1～2.22）成正比。(2)列车侧面和隧道侧面的摩擦系数。14／118(3)两列车进入隧道的时差对压力变化也有很大的影响，当形成波的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。15／1184.列车风的影响•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0.814m、距列车1.75m处的空气运动速度将达到17m/s（61.2km/h，风速7级，接近8级)，这是人站立不动能够承受的风速。16／118•高速列车通过隧道时，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。17／1185.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。18／118(1)空气阻力•空气阻力表示为：式中Cx—空气阻力系数ρ—空气密度V—列车速度A—列车横截面积AVCRx22119／118•法国对TGV动车的空气阻力（R）的测试结果：–V＝100km/h时，R＝5.526kN；–V＝200km/h时，R＝15.25kN。这说明，当速度提高1倍时，空气阻力（R）提高约2倍。20／118(2)升力列车所受的升力与列车速度的平方成正比。正升力（向上）将使轮轨的接触压力减小，由此将对列车的牵引性能和动力学性能产生重要影响。21／118(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。22／118•就车辆形状而言，车顶越有棱角，其阻力越大。•风洞试验研究表明，最佳的车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)。23／118一、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24／118二、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。25／1181.头型设计的基本要求头型设计考虑的两个基本参数是阻力系数和长细比。(1)阻力系数C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，明确提出列车阻力系数的指标。德国ICE列车技术任务书中规定：–列车前端的驱动头车空气阻力系数C＝0.17；–列车末端的驱动头车空气阻力系数C＝0.19。26／118(2)长细比γ（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。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：27／11828／1182.动车组头部流线化设计(1)头部纵向对称面上的外形轮廓线设计•要满足司机室净空高、前窗几何尺寸、玻璃形状、了望等•尽可能降低该轮廓线的垂向高度，使头部趋于扁形，这样可以减小压力波，并改善尾部涡流影响•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29／118(a)一拱方案(b)二拱方案(c)设导流板方案30／118头车外形比较31／118(2)俯视图最大轮廓线形设计•满足司机室的宽度要求•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时的压力波和改善尾部涡流影响，又有利于降低空气阻力。•设计凹槽形的导流板，将气流引向车头两侧。32／118(3)头部外形与车身外形过渡•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，这样既可减少空气阻力，又可以降低列车交会压力波。33／118一、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34／118三、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。35／118下图为德国ICE动车组车身断面形状。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。36／118车体断面比较37／1182.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。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。38／118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四、转向架结构轻量化技术39／118一、轴重及轮轨动态作用力的影响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。40／118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。41／118接触理论表明：轮轨之间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的损伤和提高钢轨的使用寿命。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。42／1182.轮轨动态作用力的影响列车运行中，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。43／118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。44／118P1力出现在轮轨冲击后的瞬时（约0.3～0.4ms），频率为500Hz～1000Hz，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接触应力，容易发生钢轨剥离等接触疲劳；对车轮产生剧烈的冲击作用，导致车轮扁疤等。45／118P2力出现在轮轨冲击2ms以后，持续时间较长，频率为20Hz～100Hz，称之为中频力，其值为车轮静载的2.5～3.5倍。P2力可直接向钢轨以下和车轮以上传递，造成轨枕破裂、道床粉化和板结、严重者引起路基下陷；造成列车垂向动力学性能恶化，特别是降低滚动轴承的疲劳寿命，在这种脉冲式激扰下，构架的动应力也将增大。46／118上图为各种车速下的轮轨冲击力响应。从图中可以看出，P1力和P2力随行车速度的提高而增大，当速度由80km/h提高到250km/h时，P1力增加1倍，P2力增加0.8倍。0123456789105004003002001000V=250km/hV=200km/hV=160km/hV=120km/hV=80km/hV=40km/h时间t(ms)轮轨力P(kN)P1P247／1183.高速动车组对轴重及簧下质量的要求(1)动车组的最大轴重、平均轴重牵引动力集中配置的动车组，动力车的轴重为最大。如法国TGV-A的最大轴重为17t，德国ICE-2的最大轴重为19.5t。尽管这些高速列车的最大轴重比较高，但整列车中大量拖车的轴重较轻，因而列车的平均轴重较低，如ICE-2的平均轴重为14.2t，TGV因拖车采用铰接式转向架，其平均轴重相对高一些，为16t。48／118(2)各国高速动车组的轴重、簧下质量国际铁路联盟(UIC)在“高速列车技术条件”中对轴重有明确规定：允许的静态轴重为17t，新建线路和