搜索
主讲人：动车组车体技术动车组车体技术2.1车体结构的动力学设计2.2车体轻量化设计2.3车体的密封隔声技术•2.1车体结构的空气动力学设计车体结构动力学的必要性随着列车的运行速度提高，周围的空气的动力作用不但对列车和列车的运行性能产生影响；同时列车高速运行引起的气动现象对周围环境也产生一定的影响，这就是高速列车的空气动力学问题。而高速列车的车体外形设计与列车的空气动力学密切相关动车组所涉及的空气动力学问题主要有: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CRH1动车组车头“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C=0.17车尾末端的驱动头车的空气阻力系数C=0.19增加列车的长细比会使列车的形状更尖，这样会减小空气阻力系数型式头部长度/m阻力系数0系4.40.28100系5.50.25300系6.00.20日本动车组头部长度与阻力系数1、动车组运行中列车承受表面压力当动车组在空旷地带直线行驶时，空气绕流列车外表面。从风洞试验结果来看，列车表面压力可以分为三个区域：头车鼻尖部位正对来流方向为正压区;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，接近与车身连接处的顶部与侧面处，负压达到最大值;头车车身、拖车和尾车车身为低负压区。因此，在动车(头车)上布置空调装置及冷却系统进风口时，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，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。2、动车组会车时列车承受表面压力当一列车与另一列车会车时，将在两列相对运行列车一侧的侧墙上引起压力波(压力脉冲)。这是由于相对运动的列车车头对空气的挤压，将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。随着会车列车速度的大幅度提高，会车压力波的强度将急剧增大。这一压力波动产生的冲击力可造成门窗密封的破坏，车窗玻璃破碎。压力波传入车内会引起乘客耳感不适以及影响周围环境等。3、动车组通过隧道时列车承受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。压力波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(又称长细比，即车头前端鼻形部位长度与车头后部车身断面半径之比)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。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。当列车以时速200公里行驶时，在轨面以上0.814米、距列车1.75米处的空气运动速度将达到17米/秒，当列车以这样或更高的速度通过车站时，列车风对人和物的危害就不可忽视。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。铁路规定，在列车速度高于160公里/小时行驶时不允许铁路员工进入隧道。列车速度稍低时，也不允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。5、运动列车受力列车运行中受到多个力的作用，其中有空气阻力、升力、横向力以及纵向摆动力矩、扭摆力矩和侧滚力矩等。针对上述动车组所受空气动力，必须进行满足空气动力学特性的动车组外型设计。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，可以解决好运行稳定性等问题。一般来说，动车和拖车的车体长、宽、高需要根据内部布置的要求由设计任务书规定，所以车身的外形设计主要是横断面形状设计。动车组车身横断面形状设计有以下特点：整个车身断面呈鼓形，即车顶为圆弧形，侧墙下部向内倾斜(5°左右)并以圆弧过渡到底架，侧墙上部向内倾斜(3°左右)并以圆弧过渡到车顶。这不仅能减少空气阻力，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。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。车体表面光滑平整，减少突出物。如侧门采用塞拉门;扶手为内置式;脚蹬做成翻板式，使侧门关闭时可以包住它。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。2.2车体轻量化设计实现结构轻量化的主要途径有两个：一是采用新材料，二是合理优化结构设计。1、车体轻量化材料目前，高速车辆的车体材料主要有不锈钢、高强度耐候钢和铝合金。铝合金车体：用铝合金制造车体的尝试早在20世纪上半期就已经开始，最早用于地铁和市郊列车，后来应用于普通列车上。近年来，特别是进入20世纪90年代，与车体等长的多品种大型中空挤压型材的出现，使铝合金成为生产高速列车的主导材料。铝合金车体的优势主要有：制造工艺简单，节省加工费用;减重效果好;有良好的运行品质;耐腐蚀，可降低维修费。碳纤维车体为了进一步减轻重量，改善隔声性能，以及便于设计、制造，国外已开始试用纤维增强塑料夹层结构代替金属制造车体。纤维增强塑料具有质轻，强度高，疲劳强度高、裂纹扩展速率低，较好的结构阻尼性、隔热和耐蚀性能等优点。其缺点是弹性模量低，抗弯扭刚度比金属差，价格贵。若用碳素纤维制造车体，又将比铝合金车体减重30%，这是下一代高速列车的理想材料。2、车体结构的轻量化设计在保证车体强度和刚度的基础上，充分利用等强度理论和结构的有限元分析程序，对车体结构进行优化设计，减轻车辆自重。车外压力的波动会反应到车厢内，使旅客感到不舒服，轻者压迫耳膜，重则头晕恶心，甚至造成耳膜破裂。为了减少压力波的影响，保证旅客的舒适度，需要采取措施提高车辆的密封性能转向架结构轻量化技术除此之外，降低转向架自重也是高速转向架技术发展的重要方向，它对改善车辆震动性和减小轮轨之间的动力作用均有显著的效果。国外高速转向架轻量化的主要措施是：（1）采用无摇枕结构取消摇枕结构，采用垂向、横向性能良好的空气弹簧来支撑车体。（2）构架结构轻量化。采用焊接构架可比铸钢结构减重50％左右。（3）轮对轻量化。采用空心车轴和小直径车轮；采用S型腹板车轮；采用双排圆锥滚子轴承。（4）轴箱和齿轮箱采用铝合金制作。铝合金轴箱的重量只有原来的40％左右，齿轮箱亦减到原来的56％。（5）动力车转向架采用交流电机，重量可减轻至300kg以下，而原来提供相同功率的直流电机重量达800多公斤。（6）轴向定位装置采用转臂式拉杆。传统机车车辆多采用双拉杆形式，高速列车多采用转臂式单拉杆结构。（7）牵引电机体悬式悬挂。将牵引电机悬挂在车体下面，可减轻转向架重量。现今高速列车多采用架悬式结构，经试验验证，电机架悬式列车也能达到300km/h的高速运行。CRH系列动车组转向架轻量化采取的技术如下：牵引装置牵引电机构架基础制动装置转向架结构二系悬挂装置轮对轴箱2.3车体的密封隔声技术车体的密封技术列车的密封需要从车体结构和部件上给予考虑。在高速动车组上采用的密封技术主要有：(1)车体结构采用连续焊缝以消除焊接气隙;对不能施焊的部位，用密封胶密封。(2)采用固定式车窗，车窗的组装工艺要保证密封的可靠性和耐久性。(3)侧门采用密封性能良好的塞拉门;头、尾的端门采用可充压缩空气的橡胶条，通过台风挡采用橡胶大风挡，并处理好渡板处的密封问题。(4)空调环控设备设立压力控制，如在客室进排气风口安装压力保护阀，在排气风道中装设带节气阀的排风机，安装压力保护通风机等，主要目的是既保证正常的通风换气又保证车内压力变化控制在限值之内。(5)厕所、洗脸室的水不采用直排式，而是通过密封装置排到车外;对直通车下的管路和电缆孔采取密封措施。车体的隔声技术(1)削弱噪声源发出噪声强度的措施在车轮上安装消音器和开发弹性车轮，有效地降低轮轨噪声车体外形设计成流线形，车体表面平整、光滑都有利于减小空气与车体的摩擦声;采用橡胶风挡，可减小撞击声;在空调系统上安装消音器，降低牵引电机风扇的噪声、驱动装置等设备的振动噪声。(2)提高车体隔声性能的措施采用双层墙结构，增加隔声量4~5dB(A);在车体金属(如地板)表面涂刷防振阻尼层，使钢结构的声频振动转化为热能消散，减少声波的辐射和声波振动的传递，从而减少车内噪声;采用双层车窗，减少从侧面传入车内的噪声;车内选用吸声效果好的高分子聚合材料;提高车体气密性的措施，起隔声作用。谢谢收看～