動車組車體技術(shù)2

動車組車體技術(shù)教師：丁莉芬單位：機電學(xué)院機車車輛研究所E-Mail：lfding@1車體結(jié)構(gòu)在運行中出現(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車組車體技術(shù)動車組的高速化需要流線化、車體減重與動力分散使得承載眾多設(shè)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(shè)備的載體，是動車組的關(guān)鍵技術(shù)。3高速動車組面臨的空氣動力學(xué)問題序號空氣動力學(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)下的氣動特性強風(fēng)下運行安全性、運行限制5隧道內(nèi)壓力的波動車內(nèi)環(huán)境,車體強度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)站臺人員安全性地面稠密大氣層中高速運行的主要障礙是空氣動力問題:41.明線上列車運行時的列車表面壓力從風(fēng)洞試驗結(jié)果來看，列車頂面與側(cè)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)；(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)。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，在動車（頭車）上布置空調(diào)裝置及冷卻系統(tǒng)進風(fēng)口時，應(yīng)布置在靠近鼻尖的區(qū)域內(nèi)，此處正壓較大，進風(fēng)容易；而排風(fēng)口則應(yīng)布置在負壓較大的頂部與側(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)列車在曲線上運行又遇到強側(cè)風(fēng)時，還會影響到列車的傾覆安全性。8

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的大小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，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)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。9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:10會車壓力波幅值與速度的關(guān)系曲線11

(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(yīng)將動車（車頭）的頭部設(shè)計成細長而且呈流線型。12(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(yīng)適當(dāng)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≥4.6m；300km/h時，線間距≥4.8m；350km/h時，線間距≥5.0m。13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4.2—4.3m法國4.3—4.5m中國鐵路客運專線5.0m線間距我國客運專線選擇5米線間距以滿足時速350公里的運行要求14

（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列車交會壓力波增大。

15(7)會車壓力波近似地與成正比，高、中速列車會車時，中速車的壓力波幅值遠大于高速車(一般高1.8倍以上)。這是由于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大于高速車。1617空氣阻力主要由以下三個部分組成：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80～90％以上。19動車組所需牽引和制動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20空氣阻力可以簡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新干線電車的運行阻力比較（列車長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。

26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)(列車橫截面積與隧道橫截面積的比值)、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），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（2.16±0.06）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(dāng)形成波形疊加時將引起很高的壓力幅值和變化率，此時車體表面的瞬時壓力可在正負數(shù)千帕之間變化。285-11kPa車內(nèi)壓力波動不大于1000Pa，氣壓變化率不大于200Pa/s。動車組通過隧道時車內(nèi)壓力的控制295、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30結(jié)論：隧道中央側(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，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。31E2-1000動車組車端縱向減振器326、隧道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，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。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)達到了實用化。3536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：(1)從頭型對列車空氣阻力、列車風(fēng)、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。37

(2)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小；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壓力波。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，列車氣動頭部外形設(shè)計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，在線路附近產(chǎn)生空氣運動，這就是列車風(fēng)。當(dāng)列車以200km/h速度行駛時，根據(jù)測量，在軌面以上0.814m、距列車1.75m處的空氣運動速度將達到17m/s（61.2km/h)，這是人站立不動不能夠承受的風(fēng)速，當(dāng)列車以這樣或更高的速度通過車站時，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(fēng)速標準和氣動力標準兩種。如日本以平均風(fēng)速9m/s作為確定站臺安全距離的危險標準；英國以平均風(fēng)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)。43我國參考國外標準，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力和風(fēng)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(fēng)風(fēng)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：站臺人員：距站臺邊緣2m

線路作業(yè)人員：距軌側(cè)3m44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45車體輕量化的必要性車體輕量化措施動車組車體的輕量化設(shè)計46減輕列車重量可以：1、減少列車對牽引功率的需求2、降低軸重、減小輪軌動作用力（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）－列車的最高運行速度（km/h）48（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。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。51（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。52上圖中，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(yīng)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。53P1力出現(xiàn)在輪軌沖擊后的瞬時（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(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。54P2力出現(xiàn)在輪軌沖擊2ms以后，持續(xù)時間較長，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)、嚴重者引起路基下陷；造成列車垂向動力學(xué)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(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，P1力增加1倍，P2力增加0.8倍。56各國高速列車軸重比較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，而國外高速客車車體結(jié)構(gòu)重量為10t左右?？傮w上看，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的主要途徑有兩個：一是采用新材料，二是合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。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50年代開始試驗試制不銹鋼車輛以來，