高速鐵路動車組機械設(shè)備維護與檢修 課件 5.動車組車體基礎(chǔ)知識

高速鐵路動車組機械設(shè)備維護與檢修

動車組車體基礎(chǔ)知識主講人：牛小偉2第二部分車體的氣密性、強度和流線型第一部分動車組車體結(jié)構(gòu)特點和輕量化措施動車組車體基礎(chǔ)知識Page3車體既是整個動車組的支撐骨架，又是各種設(shè)備的安裝基礎(chǔ)，同時還必須為廣大旅客提供安全、舒適的乘坐空間。動車組車體分為帶司機室車體和不帶司機室車體兩種。為了滿足高速列車的運行要求，動車組車體的設(shè)計不同于我國現(xiàn)行通常的客車設(shè)計。動車組車體的設(shè)計應該在滿足鐵路限界的條件下，具有良好的空氣動力學性能，具有輕量化的車體結(jié)構(gòu)，很好的密封性能以及安全可靠的使用壽命。第一部分車體結(jié)構(gòu)特點和輕量化措施Page4高速車輛車體結(jié)構(gòu)三要素：質(zhì)量（即重量和外形）、強度和剛度，與運行性能：安全性、舒適性（即快適性）和高速性（包括效率性和牽引制動性能等）之間的關(guān)系如圖第一部分車體結(jié)構(gòu)特點和輕量化措施注：＋表示相互關(guān)系一致，－表示相互關(guān)系相反。Page5第一部分車體結(jié)構(gòu)特點和輕量化措施一車體結(jié)構(gòu)的構(gòu)造原則1.車體的輕量化設(shè)計：（1）車體結(jié)構(gòu)既要滿足輕量化的要求又必須保證結(jié)構(gòu)的強度和剛度要求，以及高壽命的安全度和可靠性要求。設(shè)計壽命達到20年以上。（2）車體結(jié)構(gòu)輕量化主要是通過選用輕型的材料及合理的設(shè)計得以實現(xiàn)。Page6第一部分車體結(jié)構(gòu)特點和輕量化措施2.良好的空氣動力學外形：動車組應具有良好的空氣動力學外形和性能，包括車頭和車尾外形的流線化以及車體外表面的光滑化，主要是為了減小高速運行時的空氣阻力和降低噪聲。列車良好的空氣動力學性能主要是通過車體外形的特殊設(shè)計實現(xiàn)的。具體表現(xiàn)為：（1）頭尾部細長呈流線形狀。（2）列車下部均設(shè)有導流罩，且能夠方便開啟。（3）列車縱斷面盡量采用平滑過渡方式，形狀不一致時應加過渡區(qū)段。（4）列車的外表面光滑平整，無明顯的突出和凹陷。（5）列車的受電弓外形具有良好的空氣動力學性能。Page7第一部分車體結(jié)構(gòu)特點和輕量化措施3.嚴格的車輛氣密性要求：車輛的密封質(zhì)量對列車的空氣動力學性能及對車內(nèi)環(huán)境控制的影響很大。嚴格的車輛氣密性要求可使動車組無論是在通過隧道的時候，還是在兩列車交會的時候，都能夠保證將外部氣壓的變化擋在車廂以外，以滿足乘客對舒適性的要求。車輛整車的密封性能應達到下列指標：（1）車輛各部不得有滲漏水的現(xiàn)象。（2）在關(guān)閉門窗及空調(diào)設(shè)備對外開口的情況下，車內(nèi)外壓力差由4

000

Pa降至1

000

Pa的時間應大于50

s。（3）在車輛間的連接方式上要采用氣密式風擋。車輛間的各種連接應設(shè)有防雨措施及解編時的保護措施。Page8第一部分車體結(jié)構(gòu)特點和輕量化措施車輛密封的實現(xiàn)主要通過以下幾個方面：（1）車體結(jié)構(gòu)的密封：采用連續(xù)焊接的方式。（2）固定車窗的密封：采用多硫橡膠等材料，保證耐油性、耐溶劑性、耐水性、耐腐蝕性等。（3）采用填充式密封，有好的彈性、結(jié)合性、耐氣候性、抗沖擊性及足夠的黏接強度。（4）移動車門的密封：采用密封膠條實現(xiàn)。Page9第一部分車體結(jié)構(gòu)特點和輕量化措施二車體結(jié)構(gòu)設(shè)計的具體要求車體結(jié)構(gòu)是車輛的主要承載結(jié)構(gòu)，對于動車組車輛的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計應該滿足以下要求：（1）車體承載結(jié)構(gòu)采用車體全長的大型中空鋁合金型材組焊而成，或采用不銹鋼車體，為薄壁筒型整體承載結(jié)構(gòu)。（2）車體承載結(jié)構(gòu)的底架、側(cè)墻、車頂、端墻以及設(shè)備艙組成一個整體。（3）車頭前端鼻部的開閉機構(gòu)應能在司機室中操縱。（4）車下安裝設(shè)備應采用吊掛安裝方式，保證運用安全和安裝方便。Page10第一部分車體結(jié)構(gòu)特點和輕量化措施（5）車下導流罩與側(cè)墻應圓滑過渡，在限界允許的條件下距軌面的距離應盡可能小。（6）司機室前端下方裝有排障器，排障器中央的底部能承受137

kN的靜壓力。其距軌面高度為（110+10）mm（在車輪踏面磨耗允許范圍內(nèi)可調(diào)）。（7）車底架設(shè)4個頂車位，以便將車體頂起。（8）腳蹬結(jié)構(gòu)應采用可伸縮式結(jié)構(gòu)，以便適應500～1200

mm站臺高度要求。（9）車體所用材料應符合環(huán)境保護和防火的要求。Page11第一部分車體結(jié)構(gòu)特點和輕量化措施三

車體輕量化措施動車組車輛車體結(jié)構(gòu)輕量化的意義主要包括以下4個方面：（1）車輛自重減輕可以降低運行阻力，節(jié)省牽引和制動動力（能量）。（2）可減小對軌道的壓力，從而減少車輪和軌道的磨耗。（3）降低車輛和線路的維護保養(yǎng)費用。（4）直接減少車輛材料的消耗。Page12第一部分車體結(jié)構(gòu)特點和輕量化措施動車組車體結(jié)構(gòu)輕量化采取的措施主要有兩個：采用不銹鋼材料和采用鋁合金材料。1.采用不銹鋼材料：采用半不銹鋼（包板為不銹鋼，骨架為普通碳素鋼）或全不銹鋼車體，免除了車體內(nèi)壁涂敷防腐涂料和表面油漆，在保證強度、剛度的前提下，板厚可減小，從而達到車體薄壁化和輕量化的目的。一般不銹鋼車體自重比普通碳素鋼車體可減少l～2

t。Page13第一部分車體結(jié)構(gòu)特點和輕量化措施2.采用鋁合金材料：由于鋁合金的密度僅為鋼的1/3，而彈性模量也為鋼的1/3，因此，為了充分發(fā)揮材料的承載能力，鋁制和鋼制車體在結(jié)構(gòu)形式上有很大的差異。在鋁制車體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，車體主要承載構(gòu)件一般采用大型中空寬幅擠壓型材，以提高構(gòu)件的剛度，充分發(fā)揮材料的承載能力，達到最大限度地減輕車體自重。如果全車的底架、側(cè)墻和車頂均采用大型中空截面的擠壓鋁型材拼焊，則與鋼制車體相比，其焊接工作量可減少40%～60%，且制造工藝大為簡化，質(zhì)量也可減少3～5

t。同時，可保證車體承載結(jié)構(gòu)在使用期內(nèi)（25～30年）不必維修或少維修。14第二部分車體的氣密性、強度和流線型第一部分動車組車體結(jié)構(gòu)特點和輕量化措施動車組車體基礎(chǔ)知識Page15第二部分車體的氣密性、強度和流線型一隧道微氣壓波的形成高速列車在通過隧道時，伴隨著列車頭部的沖入，在隧道內(nèi)產(chǎn)生壓縮波，并以音速向隧道出口方向邊生成邊傳播，其中部分在隧道出口釋放至外部大氣中，形成微氣壓波造成周圍房屋搖動，產(chǎn)生“咚”的聲音；另外，部分壓縮波在出口處反射，形成膨脹波返回，如圖所示。Page16第二部分車體的氣密性、強度和流線型如此，在隧道內(nèi)高速運行的列車要交替受到正壓力變動和負壓力變動的作用。并且，在頭車沖入隧道時，由于頭車形成的壓力變動的最大值與頭車自身形成的壓力變動最大值相重合，會形成相當大的壓力變動最大值，如圖所示。Page17第二部分車體的氣密性、強度和流線型隧道內(nèi)往返的壓力波引起隧道內(nèi)壓力和風速的變動，這樣的壓力變動幾乎增大到與速度的平方成正比。列車在往復于隧道內(nèi)的這種壓力波中行駛時，隧道內(nèi)的壓力變動將引起車內(nèi)壓力變動，使乘客的耳朵產(chǎn)生疼痛感（耳痛）。Page18第二部分車體的氣密性、強度和流線型二車體的密封性1.壓力波對旅客舒適性的影響：車外壓力的波動會反映到車廂內(nèi)，使旅客感到不舒服，輕者壓迫耳膜，重則頭暈惡心，甚至造成耳膜破裂。國外高速列車的運行實踐表明，沒有交會列車時，頭、尾車外面的氣流壓力變化為：頭部受到2.5

kPa左右的正壓、尾部受到2.0

kPa左右的負壓。有交會列車時，特別是在隧道內(nèi)會車時，車外氣流壓力會大幅度變化。對進入隧道列車的氣流測定結(jié)果：速度為200

km/h時，頭部正壓為3.2

kPa、尾部負壓為4.9

kPa；速度為280

km/h時，頭部正壓為3.9

kPa、尾部負壓為5.5

kPa。Page19第二部分車體的氣密性、強度和流線型空氣壓力變化的絕對值對旅客舒適度的影響如下壓力變化/kPa生理學現(xiàn)象2可忍受3開始不舒服的平均值4非常不舒服5不舒服的上限，開始有耳痛8很痛＞9劇烈疼痛＞13耳膜可能有破裂＞23幾乎肯定耳膜有破裂因此，高速列車（特別是運行速度超過200

km/h的高速列車）必須采用密封式車體結(jié)構(gòu)，以防止乘客出現(xiàn)耳鳴現(xiàn)象。Page20第二部分車體的氣密性、強度和流線型2.對車體密封性能的要求：我國在《200

km/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：（1）整車落成后的密封性能試驗，要求達到車內(nèi)壓力從3

600

Pa降至1

350

Pa的時間大于18

s。（2）車體結(jié)構(gòu)的密封性能要求壓力從3

600

Pa降至1

350

Pa的時間須大于36

s。（3）組成后的車窗、車門、風擋應能在±4

000

Pa的氣動載荷作用下保持良好的密封性。Page21第二部分車體的氣密性、強度和流線型3.氣密處理的方法：高速車輛的車體結(jié)構(gòu)中，應該采取密封處理的部位必須使用全面連續(xù)焊接，使其能夠承受由壓力變動而形成的、作用在列車車體表面上的反復應力。具體需要處理的部位包括：固定部、可動部、排水部和換氣部，各部位氣密處理的方法如圖所示。4.高速列車速度和氣密耐壓的關(guān)系：高速列車車體表面壓力變動的大小，由列車速度、車輛的截面面積、通過的隧道截面面積等決定。Page22第二部分車體的氣密性、強度和流線型三

車體的強度高速列車在高速運行過程中，其車體表面將承受較大壓力波的作用，特別是在隧道內(nèi)又遇上相互會車的最不利情況時，將在高速列車的周圍產(chǎn)生非常大的空氣壓力變化。車體在隧道內(nèi)受到壓力波作用時的變形情況示意圖。這些壓力是正、負反復交替作用在車體上，將對車體的疲勞強度產(chǎn)生不可忽視的影響。Page23第二部分車體的氣密性、強度和流線型研究表明，隨著車速的提高，作用在車體外表面的壓力負荷將迅速增大，如圖所示。Page24第二部分車體的氣密性、強度和流線型四

車體的流線型1.列車空氣動力學：1）動車組運行中列車的表面壓力從風洞試驗結(jié)果來看，列車表面壓力可以分為3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、中間車和尾車車身為低負壓區(qū)。Page25第二部分車體的氣密性、強度和流線型2）動車組會車時列車的表面壓力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。（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，應將頭車的頭部設(shè)計成細長而且呈流線型。（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。（4）會車壓力波幅值隨會車長度增大而近似呈線性地明顯增大。Page26第二部分車體的氣密性、強度和流線型（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）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列車的速度，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。Page27第二部分車體的氣密性、強度和流線型3）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。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)（列車橫截面面積與隧道橫截面面積的比值）、長細比，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)。Page28第二部分車體的氣密性、強度和流線型4）列車風當列車高速行駛時，在線路附近產(chǎn)生空氣運動，這就是列車風。高速列車通過隧道時，在隧道中所引起的縱向氣流速度約與列車速度成正比。在隧道中列車風將使得道旁的工人失去平衡，并有可能將固定不牢的設(shè)備等吹落在隧道中，這都是一些潛在的危險。當然，列車風的大小也與列車的頭部形狀有很大關(guān)系。Page29第二部分車體的氣密性、強度和流線型2.列車空氣動力學的力和力矩：作用于車輛上的空氣動力學的力和力矩有：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。Page30第二部分車體的氣密性、強度和流線型五

動車組頭型設(shè)計頭部縱向?qū)ΨQ面上的外形輪廓線，要滿足司機室凈空高、前窗幾何尺寸、玻璃形狀，以及瞭望等條件。在此基礎(chǔ)上，盡可能降低該輪廓線的垂向高度，使頭部趨于扁形，這樣可以減小壓力沖擊波，并改善尾部渦流影響。同時，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力，如圖所示。Page31第二部分車體的氣密性、強度和流線型在設(shè)計俯視圖最大輪廓線形時，首先要滿足司機室的寬度要求，然后再將鼻錐部分設(shè)計為帶錐度的橢圓形狀。這樣形成既有利于減小列車交會壓力波幅值和改善尾部渦流影響的梭形，又有利于降低空氣阻力的橢球面形狀。此外還應設(shè)計凹槽形的導流板，將氣流引向車頭兩側(cè)。在主型線設(shè)計完成后，還要做到頭部外形與車身外形嚴格相切。頭部外形中，任意選取的兩曲面之間也要嚴格相切，以保證頭部外形的光滑性，這樣既可減少空氣阻力，又可以降低列車交會壓力波幅值。Page32第二部分車體的氣密性、強度和流線型六

動車組車身外形設(shè)計動車組車身橫斷面形狀設(shè)計有以下特點：（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（5左右