動(dòng)車組概論2(車體機(jī)械)

第二章動(dòng)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(dòng)車組車體的輕量化設(shè)計(jì)第三節(jié)車體的密封隔聲技術(shù)1一、列車空氣動(dòng)力學(xué)二、動(dòng)車組頭型設(shè)計(jì)三、動(dòng)車組車身外型設(shè)計(jì)第一節(jié)流線形車體結(jié)構(gòu)2一、列車空氣動(dòng)力學(xué)隨著列車運(yùn)行速度的提高，周圍空氣的動(dòng)力作用一方面對(duì)列車和列車運(yùn)行性能產(chǎn)生影響；同時(shí)，列車高速運(yùn)行引起的氣動(dòng)現(xiàn)象對(duì)周圍環(huán)境也產(chǎn)生影響，這就是高速列車的空氣動(dòng)力學(xué)問題,其主要涉及以下方面:動(dòng)車組運(yùn)行中列車的表面壓力動(dòng)車組會(huì)車時(shí)列車的表面壓力

動(dòng)車組通過隧道時(shí)的表面壓力列車風(fēng)的影響空氣動(dòng)力學(xué)的力和力矩31.動(dòng)車組運(yùn)行中列車的表面壓力從風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果來看，列車表面壓力可以分為三個(gè)區(qū)域：（1）頭車鼻尖部位正對(duì)來流方向?yàn)檎龎簠^(qū)；

ⅠⅡⅢ4（2）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，到接近與車身連接處的頂部與側(cè)面，負(fù)壓達(dá)最大值；（3）頭車車身、拖車和尾車車身為低負(fù)壓區(qū)。ⅠⅡⅢ5

2.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)值是評(píng)價(jià)列車氣動(dòng)外形優(yōu)劣的一項(xiàng)指標(biāo)。在一運(yùn)行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(duì)運(yùn)行的列車會(huì)車時(shí)，將在兩列相對(duì)運(yùn)行列車一側(cè)的側(cè)墻上引起壓力波。6影響動(dòng)車組會(huì)車壓力波幅值大小的6個(gè)因素：

(1)隨著會(huì)車速度的大幅度提高，會(huì)車壓力波幅值將急劇增大，如圖所示。左圖可見，當(dāng)頭部長(zhǎng)細(xì)比γ為2.5，兩列車以等速相對(duì)運(yùn)行會(huì)車時(shí)，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(huì)車壓力波幅值與速度的關(guān)系曲線7(2)會(huì)車壓力波幅值隨著頭部長(zhǎng)細(xì)比的增大而近似線性地減小。(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。(4)會(huì)車壓力波幅值隨會(huì)車長(zhǎng)度增大而近似成線性地明顯增大。(5)會(huì)車壓力波幅值隨側(cè)墻高度增大而逐漸減小。(6)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(一般高1.8倍以上)。8表面壓力幅值的影響因素(5個(gè))：列車速度V

（主要因素）；堵塞系數(shù)η（主要因素）(列車橫截面積與隧道橫截面積的比值)；單列車進(jìn)入隧道時(shí)：與列車速度的平方成正比，與堵塞系數(shù)η的（1.05～1.55）次方成正比。兩列車在隧道內(nèi)高速會(huì)車時(shí)：與堵塞系數(shù)η的（2.1～2.22）次方成正比。3.動(dòng)車組通過隧道時(shí)的表面壓力9列車長(zhǎng)度；長(zhǎng)細(xì)比(亦稱頭型系數(shù)，即車頭前端鼻形部位長(zhǎng)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)。104.列車風(fēng)的影響當(dāng)列車高速行駛時(shí)，在線路附近產(chǎn)生空氣運(yùn)動(dòng)，即列車風(fēng)。高速列車通過隧道時(shí)，列車風(fēng)約與列車速度成正比。列車風(fēng)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(xiǎn)。國(guó)外有些鐵路規(guī)定，在列車速度高于160km/h行駛時(shí)不允許鐵路員工進(jìn)入隧道。115.列車空氣動(dòng)力學(xué)的力和力矩如圖所示，作用于車輛上的空氣動(dòng)力學(xué)的力和力矩，其中有：空氣阻力、上升力、橫向力，以及縱向擺動(dòng)力矩、扭擺力矩和側(cè)滾力矩。12不同速度下的空氣阻力所占比例：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80～90％以上。13一、列車空氣動(dòng)力學(xué)二、動(dòng)車組頭型設(shè)計(jì)三、動(dòng)車組車身外型設(shè)計(jì)第一節(jié)流線形車體結(jié)構(gòu)14二、動(dòng)車組頭型設(shè)計(jì)

1.頭型設(shè)計(jì)的基本要求頭型設(shè)計(jì)考慮的兩個(gè)基本參數(shù)是阻力系數(shù)和長(zhǎng)細(xì)比。(1)阻力系數(shù)C例如：德國(guó)ICE列車技術(shù)任務(wù)書中規(guī)定：列車前端的驅(qū)動(dòng)頭車空氣阻力系數(shù)C＝0.17；列車末端的驅(qū)動(dòng)頭車空氣阻力系數(shù)C＝0.19。15(2)長(zhǎng)細(xì)比γ（頭型系數(shù)）長(zhǎng)細(xì)比，即車頭前端鼻形部位長(zhǎng)度與車頭后部車身斷面半徑之比。高速列車頭部的長(zhǎng)細(xì)比一般要求達(dá)到3左右或者更大。頭、尾車阻力系數(shù)與長(zhǎng)細(xì)比γ直接有關(guān)，如圖所示：16172.動(dòng)車組頭部流線化設(shè)計(jì)(1)頭部縱向?qū)ΨQ面上的外形輪廓線設(shè)計(jì)在滿足司機(jī)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(jì)成橢圓形狀，可以減少列車運(yùn)行時(shí)的空氣阻力18(a)一拱方案(b)二拱方案(c)設(shè)導(dǎo)流板方案

19(2)俯視圖最大輪廓線形設(shè)計(jì)滿足司機(jī)室的寬度要求將鼻錐部分設(shè)計(jì)為帶錐度的橢圓形狀。設(shè)計(jì)凹槽形的導(dǎo)流板，將氣流引向車頭兩側(cè)。20(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(yán)格相切頭部外形與車身外形嚴(yán)格相切21一、列車空氣動(dòng)力學(xué)二、動(dòng)車組頭型設(shè)計(jì)

三、動(dòng)車組車身外型設(shè)計(jì)第一節(jié)流線形車體結(jié)構(gòu)221.整個(gè)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(dòng)車組車身外型設(shè)計(jì)232.采用裙板遮擋車下設(shè)備，以減少空氣阻力，也可防止高速運(yùn)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(shí)可以包住它。4.兩車輛連接處采用橡膠大風(fēng)擋，與車身保持平齊，避免形成空氣渦流。24第二節(jié)動(dòng)車組車體的輕量化設(shè)計(jì)

一、軸重對(duì)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)

25一、軸重對(duì)輪軌相互作用的影響1.軸重對(duì)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。國(guó)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2.25～3.8次方成正比關(guān)系。262.速度對(duì)輪軌間垂向動(dòng)力作用的影響

列車運(yùn)行中，如果車輪存在偏心和扁疤，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”。右圖為B0-B0式軸重為20t的電力機(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)間歷程。27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(cè)值。28P1力出現(xiàn)在輪軌沖擊后的瞬時(shí)（約0.3～0.4ms），頻率為500Hz～1000Hz，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(duì)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(duì)車輪產(chǎn)生劇烈的沖擊作用，導(dǎo)致車輪扁疤等。29P2力出現(xiàn)在輪軌沖擊2ms以后，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，頻率為20Hz～100Hz，稱之為中頻力，其值為車輪靜載的2.5～3.5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。303.高速動(dòng)車組對(duì)軸重及簧下質(zhì)量的要求(1)動(dòng)車組的軸重歐洲鐵路聯(lián)盟（UIC）對(duì)高速列車軸重有明確規(guī)定：靜態(tài)軸重允許值為17t。31(2)動(dòng)車組的簧下質(zhì)量32第二節(jié)動(dòng)車組車體的輕量化設(shè)計(jì)

一、軸重對(duì)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)

33二、車體結(jié)構(gòu)的輕量化技術(shù)

總體上講，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的主要途徑有兩個(gè)：一是采用輕量化材料，二是合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。1.車體輕量化材料耐候鋼車體不銹鋼車體鋁合金車體34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):35CRH2型頭車制造362.車體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)37第二節(jié)動(dòng)車組車體的輕量化設(shè)計(jì)

一、軸重對(duì)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)

38三、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(fù)合材料，使設(shè)備重量大大減輕。僅座椅一項(xiàng)，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(dòng)車組二等車最大定員100人，采用全鋁制座椅，與鋼制座椅比，減重1.6t。394.空調(diào)環(huán)控設(shè)備設(shè)立壓力控制：如在客室進(jìn)排氣風(fēng)口安裝壓力保護(hù)閥等。5.廁所、洗臉室的水要通過密封裝置排到車外；對(duì)直通車下的管路和電纜孔應(yīng)采取必要的密封措施。6.車輛出廠前都要通過整車氣密性、水密性試驗(yàn)。56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)

57三、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(qiáng)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(qiáng)度的措施:①在車輪上安裝消音器和開發(fā)彈性車輪；②車體外形設(shè)計(jì)成流線形，車體表面平整、光滑;③采用橡膠風(fēng)擋；④在空調(diào)系統(tǒng)上安裝消音器，降低牽引電機(jī)風(fēng)扇的噪聲、驅(qū)動(dòng)裝置等設(shè)備的振動(dòng)噪聲。582.提高車體隔聲性能的措施①采