動(dòng)車組車體技術(shù)2

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：lfding@1車體結(jié)構(gòu)在運(yùn)行中出現(xiàn)的問題空氣力學(xué)問題車輛噪聲問題車體輕量化問題2輕量化鋁合金車體動(dòng)車組車體技術(shù)動(dòng)車組的高速化需要流線化、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(duì)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)備的載體，是動(dòng)車組的關(guān)鍵技術(shù)。3高速動(dòng)車組面臨的空氣動(dòng)力學(xué)問題序號(hào)空氣動(dòng)力學(xué)問題與鐵路相關(guān)問題1明線上列車表面壓力設(shè)備布置2會(huì)車壓力波安全性、舒適性3空氣阻力速度提升、節(jié)能4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5隧道內(nèi)壓力的波動(dòng)車內(nèi)環(huán)境,車體強(qiáng)度6作用于車輛的非恒定力乘坐舒適度7隧道微氣壓波環(huán)境問題8列車行駛風(fēng)站臺(tái)人員安全性地面稠密大氣層中高速運(yùn)行的主要障礙是空氣動(dòng)力問題:41.明線上列車運(yùn)行時(shí)的列車表面壓力從風(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)；(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)。5列車縱截面頭部表面壓力分布圖6列車縱截面尾部表面壓力分布圖7

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)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。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(duì)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)行又遇到強(qiáng)側(cè)風(fēng)時(shí)，還會(huì)影響到列車的傾覆安全性。8

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)值的大小是評(píng)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)，以及兩列等速或不等速相對(duì)運(yùn)行的列車會(huì)車時(shí)，將在靜止列車和兩列相對(duì)運(yùn)行列車一側(cè)的側(cè)墻上引起壓力波（壓力脈沖）。這是由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)的列車車頭對(duì)空氣的擠壓，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)。9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:10會(huì)車壓力波幅值與速度的關(guān)系曲線11

(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(zhǎng)而且呈流線型。12(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)增大鐵路的線間距。我國(guó)《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。13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(guó)4.7m日本4.2—4.3m法國(guó)4.3—4.5m中國(guó)鐵路客運(yùn)專線5.0m線間距我國(guó)客運(yùn)專線選擇5米線間距以滿足時(shí)速350公里的運(yùn)行要求14

（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。

15(7)會(huì)車壓力波近似地與成正比，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)。這是由于會(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，所以中速車上的壓力波幅值遠(yuǎn)大于高速車。1617空氣阻力主要由以下三個(gè)部分組成：壓差阻力：頭部及尾部壓力差所引起的阻力；摩擦阻力：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；干擾阻力：車輛的突出物(如手柄、門窗、轉(zhuǎn)向架、車體底架、懸掛設(shè)備、車頂設(shè)備、及車輛之間的連接風(fēng)擋等)所引起的阻力。3.空氣阻力18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80～90％以上。19動(dòng)車組所需牽引和制動(dòng)功率隨速度三次方而增加080160240320400320N/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(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20空氣阻力可以簡(jiǎn)略地用下面公式表示：ρ：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)λ'：摩擦阻力系數(shù)l：列車長(zhǎng)度d'：列車截面的直徑

21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)λ’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(yùn)行阻力比較（列車長(zhǎng)400m）22E2-0受電弓部形狀23受電弓整流罩設(shè)置例（500系列）24E2-1000受電弓部形狀254.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。

26試驗(yàn)研究表明，壓力幅值的變動(dòng)與列車速度，列車長(zhǎng)度，堵塞系數(shù)(列車橫截面積與隧道橫截面積的比值)、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），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)和列車速度為重要的影響參數(shù)。27國(guó)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度的平方成正比，與堵塞系數(shù)的（1.3±0.25）次方成正比例。兩列車在隧道內(nèi)高速會(huì)車時(shí)車體所受到的壓力變化更為嚴(yán)重，此時(shí)壓力變化與堵塞系數(shù)的（2.16±0.06）次方成正比。并且兩列車進(jìn)入隧道的時(shí)差對(duì)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)車體表面的瞬時(shí)壓力可在正負(fù)數(shù)千帕之間變化。285-11kPa車內(nèi)壓力波動(dòng)不大于1000Pa，氣壓變化率不大于200Pa/s。動(dòng)車組通過隧道時(shí)車內(nèi)壓力的控制295、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30結(jié)論：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，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(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。31E2-1000動(dòng)車組車端縱向減振器326、隧道微氣壓波列車進(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(zhǎng)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(jìn)入速度的三次方還要大。33隧道內(nèi)的壓縮波和隧道出口的微氣壓波34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。3536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：(1)從頭型對(duì)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(duì)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(zhǎng)細(xì)比越大，氣動(dòng)性能越好。高速列車的長(zhǎng)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。37

(2)列車流線形頭部長(zhǎng)度一定時(shí)，橫截面外輪廓線的形狀對(duì)阻力有較大影響，如，在無橫風(fēng)情況下，對(duì)頭車來說，橢球形阻力最小，扁寬形阻力最大；對(duì)尾車來說，扁梭形阻力最小，鼓寬形阻力最大；而對(duì)整列車來說，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，扁寬形頭車阻力較小，橢球形頭車阻力較大。38

(3)對(duì)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介于中間。改變前窗部位過渡曲線對(duì)列車交會(huì)壓力波幅值影響較??；減小鼻尖部位過渡曲線的曲率半徑(即扁形鼻尖)可以有效地降低列車交會(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。39500系高速列車40700系高速列車列車車頭正面417.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)動(dòng)，這就是列車風(fēng)。當(dāng)列車以200km/h速度行駛時(shí)，根據(jù)測(cè)量，在軌面以上0.814m、距列車1.75m處的空氣運(yùn)動(dòng)速度將達(dá)到17m/s（61.2km/h)，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。42由于列車風(fēng)將對(duì)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(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(guó)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(guó)和德國(guó)則采用氣動(dòng)力判據(jù)。43我國(guó)參考國(guó)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(duì)站臺(tái)而言，人體允許承受的最大氣動(dòng)力值為100N；對(duì)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(jí)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

線路作業(yè)人員：距軌側(cè)3m44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45車體輕量化的必要性車體輕量化措施動(dòng)車組車體的輕量化設(shè)計(jì)46減輕列車重量可以：1、減少列車對(duì)牽引功率的需求2、降低軸重、減小輪軌動(dòng)作用力（一）車體輕量化的必要性47高速列車需要的牽引功率N為：K－裕量系數(shù)

Q－列車總質(zhì)量（t）－列車的單位阻力（N/t）－列車的最高運(yùn)行速度（km/h）48（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。軸重對(duì)輪軌相互作用的影響49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(guó)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。美國(guó)認(rèn)為與軸載荷的3.8次方成正比。50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。51（2）高速對(duì)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)間歷程。該電力機(jī)車的軸重為20t。52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(cè)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。53P1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。54P2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。55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。56各國(guó)高速列車軸重比較57（二）車體輕量化措施普通速度車體結(jié)構(gòu)的自重在14t左右，而國(guó)外高速客車車體結(jié)構(gòu)重量為10t左右?？傮w上看，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的主要途徑有兩個(gè)：一是采用新材料，二是合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。58耐候鋼車體不銹鋼車體鋁合金車體1、車體輕量化材料59(1)耐候鋼和不銹鋼自20世紀(jì)50年代開始試驗(yàn)試制不銹鋼車輛以來，