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1、1,第二章 動車組車體技術(shù),第一節(jié) 流線形車體結(jié)構(gòu) 第二節(jié) 動車組車體的輕量化設(shè)計 第三節(jié) 車體的密封隔聲技術(shù),2,一、列車空氣動力學 二、動車組頭型設(shè)計 三、動車組車身外型設(shè)計,第一節(jié) 流線形車體結(jié)構(gòu),3,一、列車空氣動力學 隨著列車運行速度的提高，周圍空氣的動力作用一方面對列車和列車運行性能產(chǎn)生影響；同時，列車高速運行引起的氣動現(xiàn)象對周圍環(huán)境也產(chǎn)生影響，這就是高速列車的空氣動力學問題,其主要涉及以下方面: 動車組運行中列車的表面壓力 動車組會車時列車的表面壓力 動車組通過隧道時的表面壓力 列車風的影響 空氣動力學的力和力矩,4,1.動車組運行中列車的表面壓力 從風洞試驗結(jié)果來看，列車表

2、面壓力可以分為三個區(qū)域： （1）頭車鼻尖部位正對來流方向為正壓區(qū)；,,,,,,5,（2）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?，到接近與車身連接處的頂部與側(cè)面，負壓達最大值； （3）頭車車身、拖車和尾車車身為低負壓區(qū)。,,,,,,6,,2.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是評價列車氣動外形優(yōu)劣的一項指標。 在一運行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時，將在兩列相對運行列車一側(cè)的側(cè)墻上引起壓力波。,7,影響動車組會車壓力波幅值大小的6個因素： (1)隨著會車速度的大幅度提高，會車壓力波幅值將急劇增大，如

3、圖所示。,左圖可見，當頭部長細比為2.5，兩列車以等速相對運行會車時，速度由250km/h提高到350km/h，壓力波幅值由1015Pa增至1950Pa，增大近一倍。,會車壓力波幅值與速度的關(guān)系曲線,10,列車長度； 長細比(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面半徑之比）； 列車側(cè)面和隧道側(cè)面的摩擦系數(shù)。,11,4.列車風的影響 當列車高速行駛時，在線路附近產(chǎn)生空氣運動，即列車風。 高速列車通過隧道時，列車風約與列車速度成正比。列車風將使得道旁的工人失去平衡、固定不牢的設(shè)備被吹落等，造成危險。 國外有些鐵路規(guī)定，在列車速度高于160km/h行駛時不允許鐵路員工進入隧道。

4、,12,5.列車空氣動力學的力和力矩 如圖所示，作用于車輛上的空氣動力學的力和力矩，其中有：空氣阻力、上升力、橫向力，以及縱向擺動力矩、扭擺力矩和側(cè)滾力矩。,13,不同速度下的空氣阻力所占比例： 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。,14,一、列車空氣動力學 二、動車組頭型設(shè)計 三、動車組車身外型設(shè)計,第一節(jié) 流線形車體結(jié)構(gòu),15,二、動車組頭型設(shè)計 1.頭型設(shè)計的基本要求 頭型設(shè)計考慮的兩個基本參數(shù)是阻力系數(shù)和長細比。 (1)阻力系數(shù)C

5、例如：德國ICE列車技術(shù)任務書中規(guī)定： 列車前端的驅(qū)動頭車空氣阻力系數(shù)C0.17； 列車末端的驅(qū)動頭車空氣阻力系數(shù)C0.19。,16,(2)長細比（頭型系數(shù)） 長細比，即車頭前端鼻形部位長度與車頭后部車身斷面半徑之比。 高速列車頭部的長細比一般要求達到3左右或者更大。 頭、尾車阻力系數(shù)與長細比直接有關(guān)，如圖所示：,17,18,2.動車組頭部流線化設(shè)計 (1)頭部縱向?qū)ΨQ面上的外形輪廓線設(shè)計 在滿足司機室凈空高、前窗幾何尺寸、玻璃形狀、了望等條件下，盡可能降低該輪廓線的垂向高度，使頭部趨于扁形，這樣可以減小壓力波，并改善尾部渦流影響 將端部鼻錐部分設(shè)計成橢圓形狀，可以減少列車運行時的空氣阻

6、力,19,,(a)一拱方案,(b)二拱方案,(c)設(shè)導流板方案,20,(2) 俯視圖最大輪廓線形設(shè)計 滿足司機室的寬度要求 將鼻錐部分設(shè)計為帶錐度的橢圓形狀。 設(shè)計凹槽形的導流板，將氣流引向車頭兩側(cè)。,21,(3)頭部外形與車身外形過渡 頭部外形中，任意選取的兩曲面之間要嚴格相切 頭部外形與車身外形嚴格相切,22,一、列車空氣動力學 二、動車組頭型設(shè)計 三、動車組車身外型設(shè)計,第一節(jié) 流線形車體結(jié)構(gòu),23,1.整個車身斷面呈鼓形，即: 車頂為圓弧形，側(cè)墻下部向內(nèi)傾斜（5o左右）并以圓弧過渡到底架 側(cè)墻上部向內(nèi)傾斜（3o左右）并以圓弧過渡到車頂。,三、動車組車身外型設(shè)計,24,2.采用裙板遮擋車

7、下設(shè)備，以減少空氣阻力，也可防止高速運行帶來的沙石擊打車下設(shè)備。 3.車體表面光滑平整，盡量減少突出物。如采用塞拉式側(cè)門；扶手為內(nèi)置式；腳蹬做成翻板式，使側(cè)門關(guān)閉時可以包住它。 4.兩車輛連接處采用橡膠大風擋，與車身保持平齊，避免形成空氣渦流。,25,第二節(jié) 動車組車體的輕量化設(shè)計,一、軸重對輪軌相互作用的影響 二、車體結(jié)構(gòu)的輕量化技術(shù) 三、車內(nèi)設(shè)備的輕量化技術(shù) 四、轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù),26,一、軸重對輪軌相互作用的影響 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

8、而大大縮短了鋼軌的使用壽命。 國外研究結(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。鋼軌疲勞折損率與軸載荷的2.253.8次方成正比關(guān)系。,27,2.速度對輪軌間垂向動力作用的影響 列車運行中，如果車輪存在偏心和扁疤，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”。,右圖為B0-B0式軸重為20t的電力機車，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。,28,圖中，縱坐標為垂向總載荷與車輪靜載荷之比，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。,29,P1力出現(xiàn)在輪軌沖擊后的瞬時（約0

9、.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。,30,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

10、式激擾下，構(gòu)架的動應力也將增大。,31,3.高速動車組對軸重及簧下質(zhì)量的要求 (1) 動車組的軸重 歐洲鐵路聯(lián)盟（UIC）對高速列車軸重有明確規(guī)定：靜態(tài)軸重允許值為17t。,32,(2) 動車組的簧下質(zhì)量,33,第二節(jié) 動車組車體的輕量化設(shè)計,一、軸重對輪軌相互作用的影響 二、車體結(jié)構(gòu)的輕量化技術(shù) 三、車內(nèi)設(shè)備的輕量化技術(shù) 四、轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù),34,二、車體結(jié)構(gòu)的輕量化技術(shù) 總體上講，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的主要途徑有兩個：一是采用輕量化材料，二是合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。 1.車體輕量化材料 耐候鋼車體 不銹鋼車體 鋁合金車體,35,采用大型中空擠壓鋁型材焊接結(jié)構(gòu),采用航空骨架式鋁合金車體結(jié)構(gòu),大

11、型中空擠壓鋁型材與開口型材的混合結(jié)構(gòu),鋁合金車體的三種結(jié)構(gòu):,36,,CRH2型頭車制造,37,2.車體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計,38,第二節(jié) 動車組車體的輕量化設(shè)計,一、軸重對輪軌相互作用的影響 二、車體結(jié)構(gòu)的輕量化技術(shù) 三、車內(nèi)設(shè)備的輕量化技術(shù) 四、轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù),39,三、車內(nèi)設(shè)備的輕量化技術(shù) 車內(nèi)設(shè)備重量約占客車總重量的20，輕量化具有重要意義。 1.車內(nèi)設(shè)備如門、窗、行李架、座椅、供水設(shè)備、衛(wèi)生設(shè)備等等，均可選用輕合金或高分子工程材料和復合材料，使設(shè)備重量大大減輕。 僅座椅一項，日本采用全鋁制雙人座椅，其重量由原鋼制的56kg降為24kg。 例如CRH2型動車組二等車最大定員100

12、人，采用全鋁制座椅，與鋼制座椅比，減重1.6t。,40,2.車內(nèi)裝飾板材：墻板廣泛采用薄膜鋁合金，頂板采用工程塑料等。 3.其它設(shè)備的輕量化 如日本100系采用直流牽引電機，每臺重量為825kg(功率為230kW)，而300系采用交流感應電機后，每臺重量僅為390kg(功率增至300kW)。 德國（ICE3）的主變壓器鐵芯采用優(yōu)質(zhì)鐵鋁合金，使導磁率提高45倍，又將銅編線改為鋁編線，采用硅油冷卻，這樣其總重由11.5t降為7t等。,41,第二節(jié) 動車組車體的輕量化設(shè)計,一、軸重對輪軌相互作用的影響 二、車體結(jié)構(gòu)的輕量化技術(shù) 三、車內(nèi)設(shè)備的輕量化技術(shù) 四、轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù),42,四、轉(zhuǎn)向架

13、結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù) 國外高速轉(zhuǎn)向架輕量化的主要措施之一是采用無搖枕結(jié)構(gòu)。 此外，在不同的部件中還有輕量化措施： 1.構(gòu)架結(jié)構(gòu)輕量化。采用焊接構(gòu)架可比鑄鋼結(jié)構(gòu)減重50左右。 2.輪對輕量化。采用空心車軸和小直徑車輪；采用S形薄輻板車輪。,43,3軸箱和齒輪箱輕量化。采用鋁合金軸箱，重量只有原來鋼制軸箱的40左右，齒輪箱亦減到原來的56。,44,第三節(jié) 車體的密封隔聲技術(shù),一、車體的密封隔聲性能 二、車體的密封技術(shù) 三、車內(nèi)噪聲控制技術(shù),45,一、車體的密封隔聲性能 1.車體的密封性能 (1) 壓力波對旅客舒適性的影響 沒有交會列車時，頭、尾車外面的氣流壓力變化為： 頭部受2.5kPa左右的

14、正壓 尾部為2.0kPa左右的負壓,46,有交會列車時特別在隧道內(nèi)會車時: 速度200km/h時: 頭部正壓為3.2kPa 尾部負壓為4.9kPa 速度為280km/h時: 頭部正壓為3.9kPa 尾部負壓為5.5kPa,47,48,(2) 對車體密封性能的要求 日本高速列車密封試驗，要求車內(nèi)壓力由4000Pa降至1000Pa的時間必須大于50s。 歐洲高速列車也曾采用上述方法?，F(xiàn)在，德國、意大利等國家則采用壓力從3600Pa降至1350Pa的時間大于18s。,49,我國在200km/h及以上速度級列車密封設(shè)計及試驗鑒定暫行規(guī)定中要求： 整車落成后的密封性能試驗，要求達到車內(nèi)壓力從3

15、600Pa降至1350Pa的時間大于18s； 車體結(jié)構(gòu)的密封性能要求壓力從3600Pa降至1350Pa的時間須大于36s； 組成后的車窗、車門、風擋應能在6000Pa的氣動載荷作用下保持良好的密封性,50,2.車體的隔聲性能 (1)高速列車的噪聲源 高速列車的聲源主要是： 輪軌噪聲（碰撞、摩擦聲）； 空氣沿車體表面流動產(chǎn)生的摩擦聲和受電弓與接觸網(wǎng)導線的摩擦聲； 風擋等構(gòu)件的撞擊聲。 列車進出隧道產(chǎn)生的壓縮波和反射波所產(chǎn)生的噪聲等。,51,(2)國外高速列車運行噪聲的控制 德國在ICE技術(shù)任務書中，在距鐵路中心線25m處，對高速列車運行噪聲的技術(shù)規(guī)定為： 列車運行速度為250km/h時，

16、列車通過時的最大聲級不得高于88dB(A) 列車運行速度為280km/h時，列車通過時的最大聲級不得高于89dB(A)。 日本新干線距鐵路中心25m處列車通過時的最大聲級為： 居民住宅室外的最大噪聲級70dB(A)； 工業(yè)，商業(yè)區(qū)或有少量居民居住混合區(qū)的室外75dB(A)。,52,53,(3)車內(nèi)噪聲的標準限值: 國際鐵路聯(lián)盟（UIC）規(guī)定：客車車內(nèi)噪聲應小于65dB(A)。在隧道里，噪聲可寬限5dB(A)。在過道、廁所、其噪聲水平不能超過75dB(A)。 德國鐵路規(guī)定，速度為250km/h時，一等車噪聲不超過65dB(A)，二等車不超過68dB(A)。,54,第三節(jié) 車體的密封隔聲技

17、術(shù),一、車體的密封隔聲性能 二、車體的密封技術(shù) 三、車內(nèi)噪聲控制技術(shù),55,二、車體的密封技術(shù) 1.車體結(jié)構(gòu)采用連續(xù)焊縫以消除焊接氣隙；對不能施焊的部位，必須用密封膠密封。 2.采用固定式車窗，車窗的組裝工藝要保證密封的可靠性和耐久性，同時保證在壓力波造成的氣動載荷下(我國規(guī)定6000Pa)不會造成變形和破壞。 3.側(cè)門采用密封性能良好的塞拉門；頭、尾的端門要采用可充壓縮空氣的橡膠條；通過臺風擋采用橡膠大風擋，并注意處理好渡板處的密封問題。,56,4.空調(diào)環(huán)控設(shè)備設(shè)立壓力控制：如在客室進排氣風口安裝壓力保護閥等。 5.廁所、洗臉室的水要通過密封裝置排到車外；對直通車下的管路和電纜孔應采取必要的

18、密封措施。 6.車輛出廠前都要通過整車氣密性、水密性試驗。,57,第三節(jié) 車體的密封隔聲技術(shù),一、車體的密封隔聲性能 二、車體的密封技術(shù) 三、車內(nèi)噪聲控制技術(shù),58,三、車內(nèi)噪聲控制技術(shù) 有兩方面措施，一方面要削弱噪聲源發(fā)出噪聲的強度，另一方面要提高車體的隔聲性能。 1.削弱噪聲源發(fā)出噪聲強度的措施: 在車輪上安裝消音器和開發(fā)彈性車輪； 車體外形設(shè)計成流線形，車體表面平整、光滑; 采用橡膠風擋； 在空調(diào)系統(tǒng)上安裝消音器，降低牽引電機風扇的噪聲、驅(qū)動裝置等設(shè)備的振動噪聲。,59,2.提高車體隔聲性能的措施 采用雙層墻結(jié)構(gòu)，即地板、側(cè)墻、車頂?shù)榷鄬咏Y(jié)構(gòu)，在層間采用橡膠墊隔開，可增加隔聲量45dB(A)； 在車體金屬（如地板）表面涂刷防振阻尼層，使鋼結(jié)構(gòu)的聲頻振動轉(zhuǎn)化為熱能消散，減少了聲波的輻射和聲波振動的傳遞，從而減少車內(nèi)噪聲；,60,采用雙層車窗； 車內(nèi)選用吸聲效果好的高分子聚合材料； 提高車體氣密性的措施，同樣可以起隔聲作用。 法國TGVA高速列車，通過各種隔聲措施，速度達300km/h時客室內(nèi)噪聲值為66 dB(A)。,