動車組車體技術(shù)2

1、1動車組車體技術(shù)教師：丁莉芬單位：機電學院機車車輛研究所E-Mail：2車體結(jié)構(gòu)在運行中出現(xiàn)的問題空氣力學問題空氣力學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車組車體技術(shù)動車組車體技術(shù) 動車組的高速化需要流線化流線化、車體減重與動力分散使得承載眾多設備的車體保證強度、剛度是一對矛盾；鋁合金/不銹鋼車體制造技術(shù)； 車體作為動車組所有設備車體作為動車組所有設備的載體，是動車組的關(guān)鍵的載體，是動車組的關(guān)鍵技術(shù)。技術(shù)。4高速動車組面臨的空氣動力學問題高速動車組面臨的空氣動力學問題序序號號空氣動力學問題空氣動力學問題與鐵路相關(guān)問題與鐵路相關(guān)問題1 1明線上列車表面壓力

2、明線上列車表面壓力設備布置設備布置2 2會車壓力波會車壓力波安全性、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橫風下的氣動特性橫風下的氣動特性強風下運行安全性、運行限制強風下運行安全性、運行限制5 5隧道內(nèi)壓力的波動隧道內(nèi)壓力的波動車內(nèi)環(huán)境車內(nèi)環(huán)境, ,車體強度車體強度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列車行駛風列車行駛風站臺人員安全性站臺人員安全性51.1.明線上列車運行時的列車表面壓力明線上列車運行時的列車表面壓力 從風洞試驗結(jié)果來看，列車頂面與側(cè)面壓從風洞試驗結(jié)果來看，列

3、車頂面與側(cè)面壓力力可以分為三個區(qū)域：可以分為三個區(qū)域：(1)(1)頭車鼻尖部位正對來流方向為正壓區(qū)；頭車鼻尖部位正對來流方向為正壓區(qū)；(2)(2)車頭部附近的高負壓區(qū)：從鼻尖向上及車頭部附近的高負壓區(qū)：從鼻尖向上及向兩側(cè)，正壓逐漸減小變?yōu)樨搲海浇咏c向兩側(cè)，正壓逐漸減小變?yōu)樨搲?，到接近與車身連接處的頂部與側(cè)面，負壓達最大值；車身連接處的頂部與側(cè)面，負壓達最大值；(3)(3)頭車車身、拖車和尾車車身為低負壓區(qū)。頭車車身、拖車和尾車車身為低負壓區(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8 因此，在動車（頭車）上布置空調(diào)裝置因此，在動車（頭車）上布置空調(diào)裝置及冷卻系統(tǒng)進風口時

4、，應布置在靠近鼻尖的區(qū)及冷卻系統(tǒng)進風口時，應布置在靠近鼻尖的區(qū)域內(nèi)，此處正壓較大，進風容易；而排風口則域內(nèi)，此處正壓較大，進風容易；而排風口則應布置在負壓較大的頂部與側(cè)面。應布置在負壓較大的頂部與側(cè)面。 在有側(cè)向風作用下，列車表面壓力分在有側(cè)向風作用下，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。當列車在曲線上運行又遇到壓力的影響最大。當列車在曲線上運行又遇到強側(cè)風時，還會影響到列車的傾覆安全性。強側(cè)風時，還會影響到列車的傾覆安全性。9 2.2.動車組會車時列車的表面壓力動車組會車時列車的表面壓力 列車交會時產(chǎn)生的最大壓力脈動值

5、的大小列車交會時產(chǎn)生的最大壓力脈動值的大小是評價列車氣動外形優(yōu)劣的一項指標。是評價列車氣動外形優(yōu)劣的一項指標。 在一列車與另一靜止不動的列車會車時，在一列車與另一靜止不動的列車會車時，以及兩列等速或不等速相對運行的列車會車以及兩列等速或不等速相對運行的列車會車時，將在靜止列車和兩列相對運行列車一側(cè)時，將在靜止列車和兩列相對運行列車一側(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）。 這是由于相對運動的列車車頭對空氣的擠這是由于相對運動的列車車頭對空氣的擠壓，在與之交會的另一列車側(cè)壁上掠過，使壓，在與之交會的另一列車側(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。列車間側(cè)壁上

6、的空氣壓力產(chǎn)生很大的波動。10 試驗研究和計算表明，動車組會車壓力波幅值大小與下列因素有關(guān)： (1)隨著會車速度的大幅度提高，會車壓力波的強度將急劇增大，如圖所示:11會車壓力波幅值與速度的關(guān)系曲線12 (2)會車壓力波幅值隨著頭部長細比的增大而近似線性地顯著減小。為了有效地減小動車組會車引起的壓力波的強度，應將動車（車頭）的頭部設計成細長而且呈流線型。13 (3)會車壓力波幅值隨會車動車組側(cè)墻間距增大而顯著減小。為了減少會車壓力波及其影響，應適當增大鐵路的線間距。 我國鐵路主要技術(shù)政策中規(guī)定： 160km/h時，線間距4.2m； 200km/h時，線間距4.4m； 250km/h時，線間距4

7、.6m； 300km/h時，線間距4.8m； 350km/h時，線間距5.0m。14凈間距 Y 與會車壓力波的關(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中國鐵路客運專線中國鐵路客運專線5.0m線間距我國客運專線選擇我國客運專線選擇5米線間距以滿足時速米線間距以滿足時速350公里的運行要求公里的運行要求15 （4）會車壓力波幅值隨會車長度增大而近似成線性地明顯增大。 （5）會車壓力波幅值隨側(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

8、列車交會壓力波增大。 16(7)(7)會車壓力波近似地與會車壓力波近似地與 成正比，成正比，高、中速列車會車時，中速車的壓力波幅值高、中速列車會車時，中速車的壓力波幅值遠大于高速車遠大于高速車( (一般高一般高1.81.8倍以上倍以上) )。這是由于。這是由于會車壓力波的主要影響因素是通過車的速度，會車壓力波的主要影響因素是通過車的速度，在高、中速列車會車時，中速車壓力波主要在高、中速列車會車時，中速車壓力波主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大于高速車

9、。中速車上的壓力波幅值遠大于高速車。212(/8)uu1718空氣阻力主要由以下三個部分組成：空氣阻力主要由以下三個部分組成：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力造成的阻力；車體表面的剪切應力造成的阻力；干擾阻力：干擾阻力：車輛的突出物車輛的突出物( (如手柄、門窗、轉(zhuǎn)如手柄、門窗、轉(zhuǎn)向架、車體底架、懸掛設備、車頂設備、及車向架、車體底架、懸掛設備、車頂設備、及車輛之間的連接風擋等輛之間的連接風擋等) )所引起的阻力。所引起的阻力。3.空氣阻力19 研究

10、表明，空氣阻力與速度的平方成正比，機械阻力則與速度成正比。速度為100km/h時，空氣阻力和機械阻力各占一半；速度提高到200km/h時，空氣阻力占70，機械阻力只占30；250km/h速度平穩(wěn)運行時，空氣阻力約占列車總阻力的8090以上。20動車組所需牽引和制動功率隨速度三次方而增加0 80 160 240 320 400320N/t240N/t160N/t80N/t0N/t100%80%60%40%20%0%空氣阻力占總阻力的百分比空氣阻力機械阻力固定阻力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

11、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)CDP012.63.540.0170.2010013.33.640.0160.2020012.63.540.0160.15新干線電車的運行阻力比較（列車長新干線電車的運行阻力比較（列車長400m400m） 23E2-0E2-0受電弓部形狀受電弓部形狀 24受電弓整流罩設置例（受電弓整流罩設置例（500500系列）系列） 25E2-1

12、000E2-1000受電弓部形狀受電弓部形狀 264.動車組通過隧道時列車的表面壓力 列車在隧道中運行時，將引起隧道內(nèi)空氣壓力急劇波動，因此列車表面上各處的壓力也呈快速大幅度變動狀況，完全不同于在明線上的表面壓力分布。 27 試驗研究表明，壓力幅值的變動與列車速試驗研究表明，壓力幅值的變動與列車速度，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) )、長細比、長細比( (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

13、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國外有的研究報告指出國外有的研究報告指出: : 單列車進入隧道的壓力變化大約與列車速度的單列車進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)高速會車時車體所受到的壓力兩列車在隧道內(nèi)高速會車時車體所受到的壓力變化更為嚴重，此時壓力變化與堵塞系數(shù)的變化更為嚴重，此時壓力變化與堵塞系數(shù)的（2.162.160.060.06）次方成正比。并且兩

14、列車進入隧道）次方成正比。并且兩列車進入隧道的時差對壓力變化也有很大的影響，當形成波形疊的時差對壓力變化也有很大的影響，當形成波形疊加時將引起很高的壓力幅值和變化率，此時車體表加時將引起很高的壓力幅值和變化率，此時車體表面的瞬時壓力可在正負數(shù)千帕之間變化。面的瞬時壓力可在正負數(shù)千帕之間變化。295-11kPa5-11kPa車內(nèi)壓力波動不大于車內(nèi)壓力波動不大于1000Pa1000Pa，氣壓變化率不大于氣壓變化率不大于200Pa/s200Pa/s。動車組通過隧道時車內(nèi)壓力的控制305、作用于車輛的非恒定力 進入隧道前后車輛側(cè)面產(chǎn)生的壓力波形進入隧道前后車輛側(cè)面產(chǎn)生的壓力波形31結(jié)論：結(jié)論：隧道中央

15、側(cè)和隧道壁面?zhèn)鹊膲毫ψ儎硬钏淼乐醒雮?cè)和隧道壁面?zhèn)鹊膲毫ψ儎硬睿ú顗海┬纬闪俗饔糜谲囕v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速度的提升而變大，有相向列車通過時變得更大。 目前，為解決列車在隧道內(nèi)行駛時的左右搖擺問題，采用了車體間抗蛇行減震器和半主動懸掛、主動懸掛。32E2-1000E2-1000動動車組車端縱向減振器車組車端縱向減振器336 6、隧道隧道微氣壓波微氣壓波 列車進入隧道時產(chǎn)生的壓縮波以音速在隧道內(nèi)傳播，到達隧道出口時，其壓力波中的一部分變?yōu)槊}沖狀壓力波，輻射到隧道外，同時產(chǎn)生爆破聲，造成了隧道口附近的環(huán)境問題，

16、此壓力波稱為隧道微氣壓波。隧道微氣壓波的大小與到達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入隧道速度的三次方成正比，在長大隧道的情況下，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)

17、達到了實用化。3637 研究表明，列車氣動性能與頭部形狀之間的關(guān)研究表明，列車氣動性能與頭部形狀之間的關(guān)系可以概括為：系可以概括為：(1) 從頭型對列車空氣阻力、列車風、會車壓力波、通過明線區(qū)間時對環(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比越大，氣動性能越好。高速列車的長細比一般要求達到3左右，或更大。因為這既有利于降低列車交會空氣壓力波，又能有效地減小列車空氣阻力，同時還能改善列車其他空氣動力性能。38 (2) (2)列車流線形頭部長度一定時，橫截面列車流線形頭部長度一定時，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，在無橫風情況下

18、，對頭車來說，橢球形阻力最無橫風情況下，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。在有橫風作用下，最小。在有橫風作用下，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)對列車交會壓力波而言，以扁寬形為對列車交會壓力波而言，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

19、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壓力波幅值影響較??；減小鼻尖部位過渡會壓力波幅值影響較??；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壓力波。低列車交會壓力波。 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壓力波是既矛盾，又統(tǒng)一，列車氣動車交會壓力波是既矛盾，又統(tǒng)一，列車氣動頭部外形設計需要綜合考慮各種因素的影響。頭部外形設計需要綜合考慮各種因素的影響。40500系高速列車41700系高速列車系高速列車列車車頭正面列車車頭正面427.7.列車行駛風列車行駛風 當列車高速行駛時，

20、在線路附近產(chǎn)生空氣運當列車高速行駛時，在線路附近產(chǎn)生空氣運動，這就是列車風。當列車以動，這就是列車風。當列車以200km/h200km/h速度行駛時，速度行駛時，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處的處的空氣運動速度將達到空氣運動速度將達到17m/s17m/s（61.2km/h)61.2km/h)，這是人站，這是人站立不動不能夠承受的風速，當列車以這樣或更高的立不動不能夠承受的風速，當列車以這樣或更高的速度通過車站時，列車風將給鐵路工作人員和旅客速度通過車站時，列車風將給鐵路工作人員和旅客帶來危害。帶來危害。43 由于列車風將對

21、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退避距離。目前判別人體安全性的標準分為風速標準和氣動力標準兩種。如日本以平均風速9m/s作為確定站臺安全距離的危險標準；英國以平均風速11m/s確定站臺安全距離，以17m/s確定作業(yè)安全距離，而法國和德國則采用氣動力判據(jù)。 44我國參考國外標準，推出了關(guān)于列車風的安全退避距離的建議值為：（1）人體允許承受的氣動力和風速建議值。對站臺而言，人體允許承受的最大氣動力值為100N；對線路作業(yè)而言，人體允許承受的最大氣動力值為130N；站臺旅客和線路作業(yè)人員承受的列車風風速為14m/s。（2）200km/h等級線路在列車通過時的人體安全退避距離

22、： 站臺人員：距站臺邊緣2m 線路作業(yè)人員：距軌側(cè)3m45 減小空氣阻力 減小動車組會車時的列車表面壓力波幅值 減小動車組通過隧道時列車表面壓力波幅值 控制氣動升力流線形受電弓封閉的底架空氣進口轉(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車組車體的輕量化設計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、減小輪軌動作用力、降低軸重、減小輪軌動作用力（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： )( 3600maxkWk

23、vQNK 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）maxv列車的最高運行速度（列車的最高運行速度（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)生的輪軌接觸應力、軌頭內(nèi)部的剪切應力、局部應力和彎曲應力將相應增加，同時疲勞荷載作用下的應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。 美國認為與軸載荷的3.8次方成正比。51 接

24、觸理論表明，輪、軌面上的接觸應力和軌頭內(nèi)部的剪切應力與軸載荷成正比，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。 日本高速列車為動力分散式，早期的軸重和簧下質(zhì)量較大，輪軌動力作用和因此產(chǎn)生的鋼軌磨耗和破壞嚴重，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力作用的影響 列車運行中，如果存在車輪偏心和扁疤，或者遇到軌道不平順時，將產(chǎn)生輪軌間的沖擊載荷，這種載荷屬于“動態(tài)作用力”。下圖為某電力機車以160km/h速度進行線路試驗得出的過軌接頭時輪軌間總載荷的時間歷程。該電力機車的軸重為20t。53上圖中，縱坐標為垂向總載荷與車輪靜載荷之比

25、，橫坐標為時間（ms）；虛線為輪軌系統(tǒng)沖擊響應的理論計算值，實線為實測值。由圖可見，在這個沖擊過程中，輪軌間的載荷出現(xiàn)兩個峰值P1和P2。54 P1力出現(xiàn)在輪軌沖擊后的瞬時（約0.30.4ms），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重。它直接影響鋼軌軌頭的接觸應力，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，導致車輪扁疤等。55 P2力出現(xiàn)在輪軌沖擊2ms以后，持續(xù)時間較長，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)、嚴重者引起路基下陷；造成列車垂向動力學性能惡化，特別是降低滾動軸承的疲勞壽命，在這種脈沖式激擾下，構(gòu)架的動應力也將增大。56 上圖為各種車速下的輪軌沖擊力響應。從圖中可以看出，P1力和P2力隨行車速度的提高而增大，當速度由80km/h提高到250km/h時，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）（二）車體輕量化措施車體輕量化措施 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