動(dòng)車組車體技術(shù)2

1、1 動(dòng)車組車體技術(shù) 教師：丁莉芬 單位：機(jī)電學(xué)院機(jī)車車輛研究所 E-Mail： 2 車體結(jié)構(gòu)在運(yùn)行中出現(xiàn)的問題 空氣力學(xué)問題空氣力學(xué)問題 車輛噪聲問題車輛噪聲問題 車體輕量化問題車體輕量化問題 3 輕量化鋁合金車體 動(dòng)車組車體技術(shù)動(dòng)車組車體技術(shù) 動(dòng)車組的高速化需要 流線化流線化、車體減重與動(dòng)力 分散使得承載眾多設(shè)備的 車體保證強(qiáng)度、剛度是一 對矛盾；鋁合金/不銹鋼車 體制造技術(shù)； 車體作為動(dòng)車組所有設(shè)備車體作為動(dòng)車組所有設(shè)備 的載體，是動(dòng)車組的關(guān)鍵的載體，是動(dòng)車組的關(guān)鍵 技術(shù)。技術(shù)。 4 高速動(dòng)車組面臨的空氣動(dòng)力學(xué)問題高速動(dòng)車組面臨的空氣動(dòng)力學(xué)問題 序序 號(hào)號(hào) 空氣動(dòng)力學(xué)問題空氣動(dòng)力學(xué)問題與鐵

2、路相關(guān)問題與鐵路相關(guān)問題 1 1明線上列車表面壓力明線上列車表面壓力設(shè)備布置設(shè)備布置 2 2會(huì)車壓力波會(huì)車壓力波安全性、舒適性安全性、舒適性 3 3空氣阻力空氣阻力速度提升、節(jié)能速度提升、節(jié)能 4 4橫風(fēng)下的氣動(dòng)特性橫風(fēng)下的氣動(dòng)特性強(qiáng)風(fēng)下運(yùn)行安全性、運(yùn)行限制強(qiáng)風(fēng)下運(yùn)行安全性、運(yùn)行限制 5 5隧道內(nèi)壓力的波動(dòng)隧道內(nèi)壓力的波動(dòng)車內(nèi)環(huán)境車內(nèi)環(huán)境, ,車體強(qiáng)度車體強(qiáng)度 6 6作用于車輛的非恒定力作用于車輛的非恒定力乘坐舒適度乘坐舒適度 7 7隧道微氣壓波隧道微氣壓波環(huán)境問題環(huán)境問題 8 8列車行駛風(fēng)列車行駛風(fēng)站臺(tái)人員安全性站臺(tái)人員安全性 5 1.1.明線上列車運(yùn)行時(shí)的列車表面壓力明線上列車運(yùn)行時(shí)的列車

3、表面壓力 從風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果來看，列車頂面與側(cè)面壓從風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果來看，列車頂面與側(cè)面壓 力可以分為三個(gè)區(qū)域：力可以分為三個(gè)區(qū)域： (1)(1)頭車鼻尖部位正對來流方向?yàn)檎龎簠^(qū)；頭車鼻尖部位正對來流方向?yàn)檎龎簠^(qū)； (2)(2)車頭部附近的高負(fù)壓區(qū)：從鼻尖向上及車頭部附近的高負(fù)壓區(qū)：從鼻尖向上及 向兩側(cè)，正壓逐漸減小變?yōu)樨?fù)壓，到接近與向兩側(cè)，正壓逐漸減小變?yōu)樨?fù)壓，到接近與 車身連接處的頂部與側(cè)面，負(fù)壓達(dá)最大值；車身連接處的頂部與側(cè)面，負(fù)壓達(dá)最大值； (3)(3)頭車車身、拖車和尾車車身為低負(fù)壓區(qū)。頭車車身、拖車和尾車車身為低負(fù)壓區(qū)。 6 列車縱截面頭部表面壓力分布圖 7 列車縱截面尾部表面壓力分布圖

4、8 因此，在動(dòng)車（頭車）上布置空調(diào)裝置因此，在動(dòng)車（頭車）上布置空調(diào)裝置 及冷卻系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)口時(shí)，應(yīng)布置在靠近鼻尖的區(qū)及冷卻系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)口時(shí)，應(yīng)布置在靠近鼻尖的區(qū) 域內(nèi)，此處正壓較大，進(jìn)風(fēng)容易；而排風(fēng)口則域內(nèi)，此處正壓較大，進(jìn)風(fēng)容易；而排風(fēng)口則 應(yīng)布置在負(fù)壓較大的頂部與側(cè)面。應(yīng)布置在負(fù)壓較大的頂部與側(cè)面。 在有側(cè)向風(fēng)作用下，列車表面壓力分在有側(cè)向風(fēng)作用下，列車表面壓力分 布發(fā)生很大變化，尤其對車頂小圓弧部位表面布發(fā)生很大變化，尤其對車頂小圓弧部位表面 壓力的影響最大。當(dāng)列車在曲線上運(yùn)行又遇到壓力的影響最大。當(dāng)列車在曲線上運(yùn)行又遇到 強(qiáng)側(cè)風(fēng)時(shí)，還會(huì)影響到列車的傾覆安全性。強(qiáng)側(cè)風(fēng)時(shí)，還會(huì)影響到列車的傾覆安

5、全性。 9 2. 2.動(dòng)車組會(huì)車時(shí)列車的表面壓力動(dòng)車組會(huì)車時(shí)列車的表面壓力 列車交會(huì)時(shí)產(chǎn)生的最大壓力脈動(dòng)值的大小列車交會(huì)時(shí)產(chǎn)生的最大壓力脈動(dòng)值的大小 是評價(jià)列車氣動(dòng)外形優(yōu)劣的一項(xiàng)指標(biāo)。是評價(jià)列車氣動(dòng)外形優(yōu)劣的一項(xiàng)指標(biāo)。 在一列車與另一靜止不動(dòng)的列車會(huì)車時(shí)，在一列車與另一靜止不動(dòng)的列車會(huì)車時(shí)， 以及兩列等速或不等速相對運(yùn)行的列車會(huì)車以及兩列等速或不等速相對運(yùn)行的列車會(huì)車 時(shí)，將在靜止列車和兩列相對運(yùn)行列車一側(cè)時(shí)，將在靜止列車和兩列相對運(yùn)行列車一側(cè) 的側(cè)墻上引起壓力波（壓力脈沖）。的側(cè)墻上引起壓力波（壓力脈沖）。 這是由于相對運(yùn)動(dòng)的列車車頭對空氣的擠這是由于相對運(yùn)動(dòng)的列車車頭對空氣的擠 壓，在與之

6、交會(huì)的另一列車側(cè)壁上掠過，使壓，在與之交會(huì)的另一列車側(cè)壁上掠過，使 列車間側(cè)壁上的空氣壓力產(chǎn)生很大的波動(dòng)。列車間側(cè)壁上的空氣壓力產(chǎn)生很大的波動(dòng)。 10 試驗(yàn)研究和計(jì)算表明，動(dòng)車組會(huì)車壓 力波幅值大小與下列因素有關(guān)： (1)隨著會(huì)車速度的大幅度提高，會(huì)車 壓力波的強(qiáng)度將急劇增大，如圖所示: 11 會(huì)車壓力波幅值與速度的關(guān)系曲線 12 (2)會(huì)車壓力波幅值隨著頭部長細(xì)比的增 大而近似線性地顯著減小。為了有效地 減小動(dòng)車組會(huì)車引起的壓力波的強(qiáng)度， 應(yīng)將動(dòng)車（車頭）的頭部設(shè)計(jì)成細(xì)長而 且呈流線型。 13 (3)會(huì)車壓力波幅值隨會(huì)車動(dòng)車組側(cè)墻間距 增大而顯著減小。為了減少會(huì)車壓力波及其影 響，應(yīng)適當(dāng)增大

7、鐵路的線間距。 我國鐵路主要技術(shù)政策中規(guī)定： 160km/h時(shí)，線間距4.2m； 200km/h時(shí)，線間距4.4m； 250km/h時(shí)，線間距4.6m； 300km/h時(shí)，線間距4.8m； 350km/h時(shí)，線間距5.0m。 14 凈間距 Y 與會(huì)車壓力波的關(guān)系 凈間距 = 線間距 - 車寬 普通鐵路：4.0m 高速鐵路 德國 4.7m 日本 4.24.3m 法國 4.34.5m 中國鐵路客運(yùn)專線中國鐵路客運(yùn)專線5.0m 線間距 我國客運(yùn)專線選擇我國客運(yùn)專線選擇5米線間距以滿足時(shí)速米線間距以滿足時(shí)速350公里的運(yùn)行要求公里的運(yùn)行要求 15 （4）會(huì)車壓力波幅值隨會(huì)車長度增大 而近似成線性地明顯

8、增大。 （5）會(huì)車壓力波幅值隨側(cè)墻高度增大 明顯減小，但減小的幅度隨側(cè)墻高度增 大而逐漸減小。 （6）會(huì)車壓力波幅值還受到列車編組 形式的影響，不同形狀車體截面混編的 列車將使列車交會(huì)壓力波增大。 16 (7)(7)會(huì)車壓力波近似地與會(huì)車壓力波近似地與 成正比，成正比， 高、中速列車會(huì)車時(shí)，中速車的壓力波幅值高、中速列車會(huì)車時(shí)，中速車的壓力波幅值 遠(yuǎn)大于高速車遠(yuǎn)大于高速車( (一般高一般高1.81.8倍以上倍以上) )。這是由于。這是由于 會(huì)車壓力波的主要影響因素是通過車的速度，會(huì)車壓力波的主要影響因素是通過車的速度， 在高、中速列車會(huì)車時(shí)，中速車壓力波主要在高、中速列車會(huì)車時(shí)，中速車壓力波主

9、要 受其通過車高速車速度的影響，高速車壓力受其通過車高速車速度的影響，高速車壓力 波主要受其通過車中速車速度的影響，所以波主要受其通過車中速車速度的影響，所以 中速車上的壓力波幅值遠(yuǎn)大于高速車。中速車上的壓力波幅值遠(yuǎn)大于高速車。 2 12 (/8)uu 17 18 空氣阻力主要由以下三個(gè)部分組成：空氣阻力主要由以下三個(gè)部分組成： 壓差阻力：壓差阻力：頭部及尾部壓力差所引起的阻力；頭部及尾部壓力差所引起的阻力； 摩擦阻力：摩擦阻力：由于空氣的粘性而引起的、作用于由于空氣的粘性而引起的、作用于 車體表面的剪切應(yīng)力造成的阻力；車體表面的剪切應(yīng)力造成的阻力； 干擾阻力：干擾阻力：車輛的突出物車輛的突出

10、物( (如手柄、門窗、轉(zhuǎn)如手柄、門窗、轉(zhuǎn) 向架、車體底架、懸掛設(shè)備、車頂設(shè)備、及車向架、車體底架、懸掛設(shè)備、車頂設(shè)備、及車 輛之間的連接風(fēng)擋等輛之間的連接風(fēng)擋等) )所引起的阻力。所引起的阻力。 3.空氣阻力 19 研究表明，空氣阻力與速度的平方成正比， 機(jī)械阻力則與速度成正比。 速度為100km/h時(shí)，空氣阻力和機(jī)械阻力 各占一半； 速度提高到200km/h時(shí)，空氣阻力占70， 機(jī)械阻力只占30； 250km/h速度平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，空氣阻力約占 列車總阻力的8090以上。 20動(dòng)車組所需牽引和制動(dòng)功率隨速度三次方而增加 0 80 160 240 320 400 320N/ t 240N/ t 1

11、60N/ t 80N/t 0N/t 100% 80% 60% 40% 20% 0% 空氣阻力占總 阻力的百分比 空氣 阻力 機(jī)械阻力 固定阻力 200km/h 百分比 單位牽引力 70% 速度km/h 空氣阻力是高速運(yùn)行的最大障礙 21 空氣阻力可以簡略地用下面公式表示：空氣阻力可以簡略地用下面公式表示： ：空氣密度 V ：列車速度 A：列車斷面積 CDP：車頭、車尾部的壓力阻力系數(shù) ：摩擦阻力系數(shù) l ：列車長度 d：列車截面的直徑 22 有關(guān)新干線電車空氣阻力的常數(shù)有關(guān)新干線電車空氣阻力的常數(shù) 列車 種類 斷面積 A (m2) 直徑 d (m) 列車側(cè)面的摩擦 阻力系數(shù) 壓力阻力系數(shù) CD

12、P 012.63.540.0170.20 10013.33.640.0160.20 20012.63.540.0160.15 新干線電車的運(yùn)行阻力比較（列車長新干線電車的運(yùn)行阻力比較（列車長400m400m） 23 E2-0E2-0受電弓部形狀受電弓部形狀 24 受電弓整流罩設(shè)置例（受電弓整流罩設(shè)置例（500500系列）系列） 25 E2-1000E2-1000受電弓部形狀受電弓部形狀 26 4.動(dòng)車組通過隧道時(shí)列車的表面壓力 列車在隧道中運(yùn)行時(shí)，將引起隧道內(nèi)空 氣壓力急劇波動(dòng)，因此列車表面上各處 的壓力也呈快速大幅度變動(dòng)狀況，完全 不同于在明線上的表面壓力分布。 27 試驗(yàn)研究表明，壓力幅值

13、的變動(dòng)與列車速試驗(yàn)研究表明，壓力幅值的變動(dòng)與列車速 度，列車長度，堵塞系數(shù)度，列車長度，堵塞系數(shù)( (列車橫截面積與隧列車橫截面積與隧 道橫截面積的比值道橫截面積的比值) )、長細(xì)比、長細(xì)比( (亦稱頭型系數(shù)，亦稱頭型系數(shù)， 即車頭前端鼻形部位長度與車頭后部車身斷即車頭前端鼻形部位長度與車頭后部車身斷 面半徑之比），以及列車側(cè)面和隧道側(cè)面的面半徑之比），以及列車側(cè)面和隧道側(cè)面的 摩擦系數(shù)等因素有關(guān)，其中以堵塞系數(shù)和列摩擦系數(shù)等因素有關(guān)，其中以堵塞系數(shù)和列 車速度為重要的影響參數(shù)。車速度為重要的影響參數(shù)。 28 國外有的研究報(bào)告指出國外有的研究報(bào)告指出: : 單列車進(jìn)入隧道的壓力變化大約與列車速

14、度的單列車進(jìn)入隧道的壓力變化大約與列車速度的 平方成正比，與堵塞系數(shù)的（平方成正比，與堵塞系數(shù)的（1.31.30.250.25）次方成）次方成 正比例。正比例。 兩列車在隧道內(nèi)高速會(huì)車時(shí)車體所受到的壓力兩列車在隧道內(nèi)高速會(huì)車時(shí)車體所受到的壓力 變化更為嚴(yán)重，此時(shí)壓力變化與堵塞系數(shù)的變化更為嚴(yán)重，此時(shí)壓力變化與堵塞系數(shù)的 （2.162.160.060.06）次方成正比。并且兩列車進(jìn)入隧道）次方成正比。并且兩列車進(jìn)入隧道 的時(shí)差對壓力變化也有很大的影響，當(dāng)形成波形疊的時(shí)差對壓力變化也有很大的影響，當(dāng)形成波形疊 加時(shí)將引起很高的壓力幅值和變化率，此時(shí)車體表加時(shí)將引起很高的壓力幅值和變化率，此時(shí)車體表

15、 面的瞬時(shí)壓力可在正負(fù)數(shù)千帕之間變化。面的瞬時(shí)壓力可在正負(fù)數(shù)千帕之間變化。 29 5-11kPa5-11kPa 車內(nèi)壓力波動(dòng)不大于車內(nèi)壓力波動(dòng)不大于1000Pa1000Pa， 氣壓變化率不大于氣壓變化率不大于200Pa/s200Pa/s。 動(dòng)車組通過隧道時(shí)車內(nèi)壓力的控制 30 5、作用于車輛的非恒定力 進(jìn)入隧道前后車輛側(cè)面產(chǎn)生的壓力波形進(jìn)入隧道前后車輛側(cè)面產(chǎn)生的壓力波形 31 結(jié)論：結(jié)論：隧道中央側(cè)和隧道壁面?zhèn)鹊膲毫ψ儎?dòng)差隧道中央側(cè)和隧道壁面?zhèn)鹊膲毫ψ儎?dòng)差 （差壓）形成了作用于車輛的橫向搖擺力矩（差壓）形成了作用于車輛的橫向搖擺力矩， 成為左右搖擺的原因。這一作用于車輛的非恒 定空氣力隨著列車

16、速度的提升而變大，有相向 列車通過時(shí)變得更大。 目前，為解決列車在隧道內(nèi)行駛時(shí)的左右 搖擺問題，采用了車體間抗蛇行減震器和半主 動(dòng)懸掛、主動(dòng)懸掛。 32 E2-1000E2-1000動(dòng)車組車端縱向減振器動(dòng)車組車端縱向減振器 33 6 6、隧道隧道微氣壓波微氣壓波 列車進(jìn)入隧道時(shí)產(chǎn)生的壓縮波以音速在隧道 內(nèi)傳播，到達(dá)隧道出口時(shí)，其壓力波中的一部分 變?yōu)槊}沖狀壓力波，輻射到隧道外，同時(shí)產(chǎn)生爆 破聲，造成了隧道口附近的環(huán)境問題，此壓力波 稱為隧道微氣壓波。隧道微氣壓波的大小與到達(dá) 隧道口的壓力波波面的壓力梯度成比例。在短隧 道的情況下，微氣壓波的大小與列車進(jìn)入隧道速 度的三次方成正比，在長大隧道的情

17、況下，微氣 壓波還與軌道結(jié)構(gòu)類型有關(guān)，若是石碴道床則比 短隧道的微氣壓波小，若為軌枕板則微氣壓波比 列車進(jìn)入速度的三次方還要大。 34 隧道內(nèi)的壓縮波和隧道出口的微氣壓波隧道內(nèi)的壓縮波和隧道出口的微氣壓波 35 車輛方面的措施包括：縮小車輛斷面積以及 車頭形狀的最優(yōu)化等方法。 降低隧道微氣壓波措施的基本原理有：在隧道 入口處設(shè)置喇叭形的緩沖裝置；利用隧道中的 支坑道作為壓力波的旁通通路使壓力外泄；用 帶縫隙的擋板連接相鄰隧道等方法使壓力波減 弱；這些都已經(jīng)達(dá)到了實(shí)用化。 36 37 研究表明，列車氣動(dòng)性能與頭部形狀之間的關(guān)研究表明，列車氣動(dòng)性能與頭部形狀之間的關(guān) 系可以概括為：系可以概括為：

18、(1) 從頭型對列車空氣阻力、列車風(fēng)、會(huì)車壓力波、 通過明線區(qū)間時(shí)對環(huán)境影響等特性的綜合影響考慮， 在頭型相同的情況下流線形的頭型長細(xì)比越大，氣 動(dòng)性能越好。高速列車的長細(xì)比一般要求達(dá)到3左右， 或更大。因?yàn)檫@既有利于降低列車交會(huì)空氣壓力波， 又能有效地減小列車空氣阻力，同時(shí)還能改善列車 其他空氣動(dòng)力性能。 38 (2) (2)列車流線形頭部長度一定時(shí)，橫截面列車流線形頭部長度一定時(shí)，橫截面 外輪廓線的形狀對阻力有較大影響，如，在外輪廓線的形狀對阻力有較大影響，如，在 無橫風(fēng)情況下，對頭車來說，橢球形阻力最無橫風(fēng)情況下，對頭車來說，橢球形阻力最 小，扁寬形阻力最大；對尾車來說，扁梭形小，扁寬形

19、阻力最大；對尾車來說，扁梭形 阻力最小，鼓寬形阻力最大；而對整列車來阻力最小，鼓寬形阻力最大；而對整列車來 說，以頭車為橢球形而尾車扁梭形總阻力為說，以頭車為橢球形而尾車扁梭形總阻力為 最小。在有橫風(fēng)作用下，最小。在有橫風(fēng)作用下，扁寬形頭車阻力較扁寬形頭車阻力較 小，橢球形頭車阻力較大。小，橢球形頭車阻力較大。 39 (3) (3)對列車交會(huì)壓力波而言，以扁寬形為對列車交會(huì)壓力波而言，以扁寬形為 最小，橢球形為最大，扁梭形和鼓寬形車頭最小，橢球形為最大，扁梭形和鼓寬形車頭 介于中間。改變前窗部位過渡曲線對列車交介于中間。改變前窗部位過渡曲線對列車交 會(huì)壓力波幅值影響較??；減小鼻尖部位過渡會(huì)壓力

20、波幅值影響較??；減小鼻尖部位過渡 曲線的曲率半徑曲線的曲率半徑( (即扁形鼻尖即扁形鼻尖) )可以有效地降可以有效地降 低列車交會(huì)壓力波。低列車交會(huì)壓力波。 由此可見，減小列車空氣阻力和降低列由此可見，減小列車空氣阻力和降低列 車交會(huì)壓力波是既矛盾，又統(tǒng)一，列車氣動(dòng)車交會(huì)壓力波是既矛盾，又統(tǒng)一，列車氣動(dòng) 頭部外形設(shè)計(jì)需要綜合考慮各種因素的影響。頭部外形設(shè)計(jì)需要綜合考慮各種因素的影響。 40 500系高速列車 41 700系高速列車系高速列車 列車車頭正面列車車頭正面 42 7.7.列車行駛風(fēng)列車行駛風(fēng) 當(dāng)列車高速行駛時(shí)，在線路附近產(chǎn)生空氣運(yùn)當(dāng)列車高速行駛時(shí)，在線路附近產(chǎn)生空氣運(yùn) 動(dòng)，這就是列車

21、風(fēng)。當(dāng)列車以動(dòng)，這就是列車風(fēng)。當(dāng)列車以200km/h200km/h速度行駛時(shí)，速度行駛時(shí)， 根據(jù)測量，在軌面以上根據(jù)測量，在軌面以上0.814m0.814m、距列車、距列車1.75m1.75m處的處的 空氣運(yùn)動(dòng)速度將達(dá)到空氣運(yùn)動(dòng)速度將達(dá)到17m/s17m/s（61.2km/h)61.2km/h)，這是人站，這是人站 立不動(dòng)不能夠承受的風(fēng)速，當(dāng)列車以這樣或更高的立不動(dòng)不能夠承受的風(fēng)速，當(dāng)列車以這樣或更高的 速度通過車站時(shí)，列車風(fēng)將給鐵路工作人員和旅客速度通過車站時(shí)，列車風(fēng)將給鐵路工作人員和旅客 帶來危害。帶來危害。 43 由于列車風(fēng)將對旅客和工作人員帶來傷害， 必須使道旁的人與列車保持一定的安全

22、退避距 離。目前判別人體安全性的標(biāo)準(zhǔn)分為風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn) 和氣動(dòng)力標(biāo)準(zhǔn)兩種。如日本以平均風(fēng)速9m/s作 為確定站臺(tái)安全距離的危險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)；英國以平均 風(fēng)速11m/s確定站臺(tái)安全距離，以17m/s確定作 業(yè)安全距離，而法國和德國則采用氣動(dòng)力判據(jù)。 44 我國參考國外標(biāo)準(zhǔn)，推出了關(guān)于列車風(fēng)的安全退避 距離的建議值為： （1）人體允許承受的氣動(dòng)力和風(fēng)速建議值。對站臺(tái) 而言，人體允許承受的最大氣動(dòng)力值為100N；對線路 作業(yè)而言，人體允許承受的最大氣動(dòng)力值為130N；站 臺(tái)旅客和線路作業(yè)人員承受的列車風(fēng)風(fēng)速為14m/s。 （2）200km/h等級線路在列車通過時(shí)的人體安全退 避距離： 站臺(tái)人員：距站臺(tái)邊緣2m 線

23、路作業(yè)人員：距軌側(cè)3m 45 減小空氣阻力 減小動(dòng)車組會(huì)車時(shí)的列車表面壓力波幅值 減小動(dòng)車組通過隧道時(shí)列車表面壓力波幅值 控制氣動(dòng)升力 流線形 受電 弓 封閉的 底架 空氣進(jìn)口 轉(zhuǎn)向架 突出部件 表面 摩擦 流線型前端 小車輛間隙 46 車體輕量化的必要性車體輕量化的必要性 車體輕量化措施車體輕量化措施 動(dòng)車組車體的輕量化設(shè)計(jì) 47 減輕列車重量可以：減輕列車重量可以： 1 1、減少列車對牽引功率的需求、減少列車對牽引功率的需求 2 2、降低軸重、減小輪軌動(dòng)作用力、降低軸重、減小輪軌動(dòng)作用力 （一）車體輕量化的必要性（一）車體輕量化的必要性 48 高速列車需要的牽引功率N為： )( 3600

24、max kW kvQ N K 裕量系數(shù)裕量系數(shù) Q列車總質(zhì)量（列車總質(zhì)量（t） 列車的單位阻力（列車的單位阻力（N/t） max v列車的最高運(yùn)行速度（列車的最高運(yùn)行速度（km/h） 49 （1）軸重對軌道損傷的影響 隨著軸重的增加，鋼軌承受輪載而產(chǎn)生 的輪軌接觸應(yīng)力、軌頭內(nèi)部的剪切應(yīng)力、局 部應(yīng)力和彎曲應(yīng)力將相應(yīng)增加，同時(shí)疲勞荷 載作用下的應(yīng)力水平也將隨之提高，從而大 大縮短了鋼軌的使用壽命。 軸重對輪軌相互作用的影響 50 研究結(jié)果表明，鋼軌頭部損傷幾乎全是疲 勞損傷，鋼軌折損率隨軸重的增加而增加。 法國依據(jù)鋼軌疲勞損傷統(tǒng)計(jì)資料的分析得 出，鋼軌疲勞折損率與軸載荷的2.25次方成 正比關(guān)系

25、。 美國認(rèn)為與軸載荷的3.8次方成正比。 51 接觸理論表明，輪、軌面上的接觸應(yīng) 力和軌頭內(nèi)部的剪切應(yīng)力與軸載荷成正比， 且與車輪直徑及踏面外形有關(guān)。所以減小 軸重可減少鋼軌的損傷和提高鋼軌的使用 壽命。 日本高速列車為動(dòng)力分散式，早期的 軸重和簧下質(zhì)量較大，輪軌動(dòng)力作用和因 此產(chǎn)生的鋼軌磨耗和破壞嚴(yán)重，所以日本 在高速列車的發(fā)展中非常重視降低軸重。 52 （2）高速對輪軌間垂向動(dòng)力作用的影響 列車運(yùn)行中，如果存在車輪偏心和扁疤， 或者遇到軌道不平順時(shí)，將產(chǎn)生輪軌間的沖 擊載荷，這種載荷屬于“動(dòng)態(tài)作用力”。下 圖為某電力機(jī)車以160km/h速度進(jìn)行線路試 驗(yàn)得出的過軌接頭時(shí)輪軌間總載荷的時(shí)間歷

26、 程。該電力機(jī)車的軸重為20t。 53 上圖中，縱坐標(biāo)為垂向總載荷與車輪靜載荷之比， 橫坐標(biāo)為時(shí)間（ms）；虛線為輪軌系統(tǒng)沖擊響應(yīng) 的理論計(jì)算值，實(shí)線為實(shí)測值。由圖可見，在這個(gè) 沖擊過程中，輪軌間的載荷出現(xiàn)兩個(gè)峰值P1和P2。 54 P1力出現(xiàn)在輪軌沖擊后的瞬時(shí)（約0.3 0.4ms），頻率為500Hz1000Hz，稱之為高 頻力，其值為車輪靜載的5倍左右。 P1力的高頻瞬時(shí)沖擊作用很快被鋼軌及 軌道的慣性反作用力抵消，很快衰減，來不 及向上和向下傳播，其破壞作用對鋼軌和車 輪最嚴(yán)重。它直接影響鋼軌軌頭的接觸應(yīng)力， 容易發(fā)生鋼軌剝離等接觸疲勞；對車輪產(chǎn)生 劇烈的沖擊作用，導(dǎo)致車輪扁疤等。 55

27、 P2力出現(xiàn)在輪軌沖擊2ms以后，持續(xù)時(shí)間 較長，頻率為20Hz100Hz，稱之為中頻力， 其值為車輪靜載的2.53.5倍。 P2力可直接向鋼軌以下和車輪以上傳遞， 造成軌枕破裂、道床粉化和板結(jié)、嚴(yán)重者引 起路基下陷；造成列車垂向動(dòng)力學(xué)性能惡化， 特別是降低滾動(dòng)軸承的疲勞壽命，在這種脈 沖式激擾下，構(gòu)架的動(dòng)應(yīng)力也將增大。 56 上圖為各種車速下的輪軌沖擊力響應(yīng)。從圖 中可以看出，P1力和P2力隨行車速度的提高而增 大，當(dāng)速度由80km/h提高到250km/h時(shí)，P1力增 加1倍，P2力增加0.8倍。 57 各國高速列車軸重比較各國高速列車軸重比較 58 （二）車體輕量化措施（二）車體輕量化措施 普通速度車體結(jié)構(gòu)的自重在普通速度車體結(jié)構(gòu)的自重在14t14t左右，左右， 而國外高速客車車體結(jié)構(gòu)重量為而