动车组概论2车体

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1、1 13737第二章第二章 动车组车体技术动车组车体技术 第一节第一节 车体结构的空气动力学设计车体结构的空气动力学设计 第二节第二节 车体的轻量化设计车体的轻量化设计 第三节第三节 车体的密封隔声技术车体的密封隔声技术 2 23737一、车体结构的空气动力学设计的必要性一、车体结构的空气动力学设计的必要性 二、动车组头型设计二、动车组头型设计 三、动车组车身外形设计三、动车组车身外形设计 第一节第一节 车体结构的空气动力学设计车体结构的空气动力学设计 3 33737一、车体结构的空气动力学设计的必要性一、车体结构的空气动力学设计的必要性 随着列车运行速度的提高，周围空气的动力随着列车运行速度

2、的提高，周围空气的动力作用一方面对列车和列车运行性能产生影响；同作用一方面对列车和列车运行性能产生影响；同时，对周围环境也产生影响，这就是高速列车涉时，对周围环境也产生影响，这就是高速列车涉及的空气动力学问题。其涉及的主要方面如下及的空气动力学问题。其涉及的主要方面如下: :动车组运行中列车的表面压力；动车组运行中列车的表面压力；动车组会车时列车的表面压力；动车组会车时列车的表面压力； 动车组通过隧道时的表面压力等。动车组通过隧道时的表面压力等。4 437371.1.动车组运行中列车的表面压力动车组运行中列车的表面压力 从风洞试验结果来看，列车表面压力可以分为从风洞试验结果来看，列车表面压力可

3、以分为三个区域：三个区域：(1) (1) 头车鼻尖部位正对来流方向为正压区；头车鼻尖部位正对来流方向为正压区； 5 53737(2)(2)头部附近的高负压区：从鼻尖向上及向两侧，头部附近的高负压区：从鼻尖向上及向两侧，正压逐渐减小变为负压，到接近与车身连接正压逐渐减小变为负压，到接近与车身连接处的顶部与侧面，负压达最大值；处的顶部与侧面，负压达最大值；(3)(3)头车车身、拖车和尾车车身为低负压区。头车车身、拖车和尾车车身为低负压区。6 63737 2.2.动车组会车时列车的表面压力动车组会车时列车的表面压力 列车交会时产生的最大压力脉动值是评价列车气列车交会时产生的最大压力脉动值是评价列车气

4、动外形优劣的一项指标。动外形优劣的一项指标。 影响动车组会车压力波幅值大小的影响动车组会车压力波幅值大小的6 6个因素：个因素： (1)(1)随着会车速度的大幅度提高，会车压力波幅值随着会车速度的大幅度提高，会车压力波幅值 将将急剧增大急剧增大。(2)(2)会车压力波幅值随着头部长细比的增大而近似会车压力波幅值随着头部长细比的增大而近似 线性地减小。线性地减小。7 73737(3)(3)会车压力波幅值随会车动车组侧墙间距增大会车压力波幅值随会车动车组侧墙间距增大而显著减小。而显著减小。(4)(4)会车压力波幅值随会车长度增大而近似成线会车压力波幅值随会车长度增大而近似成线性地明显增大。性地明显

5、增大。(5)(5)会车压力波幅值随侧墙高度增大而逐渐减小。会车压力波幅值随侧墙高度增大而逐渐减小。(6)(6)高、中速列车会车时，中速车的压力波幅值高、中速列车会车时，中速车的压力波幅值远大于高速车远大于高速车( (一般高一般高1.81.8倍以上倍以上) )。8 837373.3.动车组通过隧道时的表面压力动车组通过隧道时的表面压力 除上述除上述6 6种影响因素外种影响因素外, ,还有以下还有以下3 3方面：方面：(1)(1)堵塞系数堵塞系数 : :两列车在隧道内高速会车时：两列车在隧道内高速会车时：与与（2.12.12.222.22）成正比。成正比。(2)(2)列车侧面和隧道侧面的摩擦系数。

6、列车侧面和隧道侧面的摩擦系数。(3)(3)两列车进入隧道的时差对压力变化也有很大两列车进入隧道的时差对压力变化也有很大的影响，当形成波的叠加时将引起很高的压力的影响，当形成波的叠加时将引起很高的压力幅值和变化率。幅值和变化率。9 93737二、动车组头型设计二、动车组头型设计1.1.头型设计的基本要求头型设计的基本要求头型设计考虑的两个基本参数是头型设计考虑的两个基本参数是阻力系数阻力系数和和长长细比。细比。(1)(1)阻力系数阻力系数C C：阻力系数与长细比：阻力系数与长细比直接有关。直接有关。(2)(2)长细比（头型系数）长细比（头型系数） ：高速列车头部的长细：高速列车头部的长细比一般要

7、求达到比一般要求达到3 3左右或者更大。左右或者更大。10103737头部长度与阻力系数对应关系头部长度与阻力系数对应关系111137372.2.动车组头部流线化设计动车组头部流线化设计(1)(1)头部纵向对称面上的外形轮廓线在满足司机室头部纵向对称面上的外形轮廓线在满足司机室净空高、前窗几何尺寸、玻璃形状、了望等条净空高、前窗几何尺寸、玻璃形状、了望等条件下，尽可能降低该轮廓线的垂向高度；件下，尽可能降低该轮廓线的垂向高度；(2)(2)俯视图最大轮廓线应满足司机室宽度的要求；俯视图最大轮廓线应满足司机室宽度的要求；(3)(3)头部外形与车身外形要严格相切。头部外形与车身外形要严格相切。(a)

8、(a)一拱方案一拱方案(b)(b)二拱方案二拱方案(c)(c)设导流板方案设导流板方案 12123737 1. 1.整个车身断面呈整个车身断面呈鼓形鼓形，即，即: :车顶为圆弧形，侧墙下车顶为圆弧形，侧墙下部向内倾斜（部向内倾斜（5 5o o左右）并以圆弧过渡到底架；侧墙左右）并以圆弧过渡到底架；侧墙上部向内倾斜（上部向内倾斜（3 3o o左右）并以圆弧过渡到车顶。左右）并以圆弧过渡到车顶。三、动车组车身外形设计三、动车组车身外形设计131337372.2.采用裙板遮挡车下设备。即可以减少空气阻力，采用裙板遮挡车下设备。即可以减少空气阻力，也可防止高速运行带来的砂石击打车下设备。也可防止高速运

9、行带来的砂石击打车下设备。3.3.车体表面光滑平整，尽量减少突出物。如：车体表面光滑平整，尽量减少突出物。如：塞拉门；塞拉门；内置式扶手；内置式扶手；翻板式脚蹬等。翻板式脚蹬等。4.4.采用橡胶大风挡，与车身保持平齐。采用橡胶大风挡，与车身保持平齐。14143737第二节第二节 车体的轻量化设计车体的轻量化设计 一、车体的轻量化设计的必要性一、车体的轻量化设计的必要性 二、车体结构的轻量化技术二、车体结构的轻量化技术 三、车内设备的轻量化技术三、车内设备的轻量化技术 四、转向架结构轻量化技术四、转向架结构轻量化技术 15153737一、车体的轻量化设计的必要性一、车体的轻量化设计的必要性 1.

10、1.轴重对轨道损伤的影响轴重对轨道损伤的影响 随着轴重的增加，钢轨承受轮载而产生的轮轨接触随着轴重的增加，钢轨承受轮载而产生的轮轨接触应力、轨头内部的剪切应力、局部应力和弯曲应力应力、轨头内部的剪切应力、局部应力和弯曲应力将相应增加，同时疲劳荷载作用下的应力水平也将将相应增加，同时疲劳荷载作用下的应力水平也将随之提高，从而大大缩短了钢轨的使用寿命。随之提高，从而大大缩短了钢轨的使用寿命。 国外研究结果表明，钢轨头部损伤几乎全是疲劳损国外研究结果表明，钢轨头部损伤几乎全是疲劳损伤，钢轨的疲劳折损率与轴载荷的伤，钢轨的疲劳折损率与轴载荷的2.252.253.83.8次方次方成正比。成正比。1616

11、37372.2.速度对轮轨间垂向动力作用的影响速度对轮轨间垂向动力作用的影响 列车运行中，如果车轮存在偏心和扁疤，或者列车运行中，如果车轮存在偏心和扁疤，或者遇到轨道不平顺时，将产生轮轨间的冲击载荷，遇到轨道不平顺时，将产生轮轨间的冲击载荷，这种载荷属于这种载荷属于“动态作用力动态作用力”。 右图为右图为B B0 0-B-B0 0式轴重式轴重为为20t20t的电力机车，以的电力机车，以160km/h160km/h速度过钢轨接头速度过钢轨接头时轮轨间总载荷的时间时轮轨间总载荷的时间历程。历程。17173737 P1 P1力的高频瞬时冲击作用很快被钢轨及轨道力的高频瞬时冲击作用很快被钢轨及轨道的惯

12、性反作用力抵消，很快衰减，来不及向上和的惯性反作用力抵消，很快衰减，来不及向上和向下传播，其破坏作用对钢轨和车轮最严重。它向下传播，其破坏作用对钢轨和车轮最严重。它直接影响钢轨轨头的接触应力，容易发生钢轨剥直接影响钢轨轨头的接触应力，容易发生钢轨剥离等接触疲劳；对车轮产生剧烈的冲击作用，导离等接触疲劳；对车轮产生剧烈的冲击作用，导致车轮扁疤等。致车轮扁疤等。18183737 P2 P2力可直接向钢轨以下和车轮以上传递，造成力可直接向钢轨以下和车轮以上传递，造成轨枕破裂、道床粉化和板结、严重者引起路基下陷；轨枕破裂、道床粉化和板结、严重者引起路基下陷；造成列车垂向动力学性能恶化，特别是降低滚动轴

13、造成列车垂向动力学性能恶化，特别是降低滚动轴承的疲劳寿命，在这种脉冲式激扰下，构架的动应承的疲劳寿命，在这种脉冲式激扰下，构架的动应力也将增大。力也将增大。 19193737202037373.3.高速动车组对轴重及簧下质量的要求高速动车组对轴重及簧下质量的要求(1) (1) 动车组的轴重要求动车组的轴重要求 国际铁路联盟（国际铁路联盟（UICUIC）规定：静态轴重允许）规定：静态轴重允许值为值为17t17t。(2)(2)动车组的簧下质量要求动车组的簧下质量要求 指转向架第一系弹性悬挂以下部分的质量指转向架第一系弹性悬挂以下部分的质量 簧下质量越小越有利簧下质量越小越有利21213737二、车

14、体结构的轻量化技术二、车体结构的轻量化技术 实现结构轻量化的主要途径有两个：一是采用实现结构轻量化的主要途径有两个：一是采用轻量化材料轻量化材料，二是结构优化设计。车体轻量化材，二是结构优化设计。车体轻量化材料有：料有：耐候钢、不锈钢和铝合金。耐候钢、不锈钢和铝合金。1.1.车体轻量化材料车体轻量化材料(1)(1)耐候钢：抗腐蚀性能，一般相当于普通碳素钢耐候钢：抗腐蚀性能，一般相当于普通碳素钢的的2 23 3倍。倍。(2)(2)不锈钢：与普通钢制车体结构相比，可减轻重不锈钢：与普通钢制车体结构相比，可减轻重量量10%10%20% 20% 22223737(3)(3)铝合金铝合金 制造工艺简单，

15、节省加工费用制造工艺简单，节省加工费用 减重效果好减重效果好 良好的运行品质良好的运行品质 耐腐蚀，可降低维修费耐腐蚀，可降低维修费 外表平滑美观外表平滑美观23233737采用大型中空挤压铝采用大型中空挤压铝型材焊接结构型材焊接结构采用骨架式铝合金车采用骨架式铝合金车体结构体结构大型中空挤压铝型材与开口大型中空挤压铝型材与开口型材的混合结构型材的混合结构 2. 2. 铝合金车体的结构形式铝合金车体的结构形式24243737CRH2CRH2型头车制造型头车制造25253737三、车内设备的轻量化技术三、车内设备的轻量化技术 车内设备重量约占客车总重量的车内设备重量约占客车总重量的2020，轻量

16、，轻量化具有重要意义。化具有重要意义。1.1.车内设备如门、窗、行李架、座椅、供水设备、车内设备如门、窗、行李架、座椅、供水设备、卫生设备等，均可选用轻合金或高分子工程材料卫生设备等，均可选用轻合金或高分子工程材料和复合材料。和复合材料。2.2.车内装饰板材：墙板广泛采用薄膜铝合金，顶板车内装饰板材：墙板广泛采用薄膜铝合金，顶板采用工程塑料等。采用工程塑料等。3.3.其它设备的轻量化：如电动机和变压器等其它设备的轻量化：如电动机和变压器等26263737四、转向架结构轻量化技术四、转向架结构轻量化技术1.1.采用焊接构架，可比铸钢构架减重采用焊接构架，可比铸钢构架减重5050左右。左右。2.2

17、.轮对采用空心车轴和小直径、轮对采用空心车轴和小直径、S S形薄辐板车轮。形薄辐板车轮。3.3.轴箱和齿轮箱采用铝合金轴箱，轴箱重量只有原轴箱和齿轮箱采用铝合金轴箱，轴箱重量只有原来钢制的来钢制的4040左右，齿轮箱亦减到原来的左右，齿轮箱亦减到原来的5656。27273737第三节第三节 车体的密封隔声技术车体的密封隔声技术 一、车体密封和隔声性能的要求一、车体密封和隔声性能的要求二、车体的密封技术措施二、车体的密封技术措施三、车内噪声控制技术措施三、车内噪声控制技术措施 28283737一、一、车体密封和隔声性能的要求车体密封和隔声性能的要求1.1.车体的密封性能的要求车体的密封性能的要求

18、(1)(1)压力波对旅客舒适性的影响压力波对旅客舒适性的影响 国外高速列车的运用实践表明：国外高速列车的运用实践表明： 有交会列车时特别在隧道内会车时，速度有交会列车时特别在隧道内会车时，速度200km/h200km/h时，头部正压为时，头部正压为3.2kPa3.2kPa、尾部负压为、尾部负压为4.9kPa4.9kPa； 速度为速度为280km/h280km/h时，头部正压为时，头部正压为3.9kPa3.9kPa、尾部负、尾部负压为压为5.5kPa5.5kPa。 2929373730303737(2) (2) 对车体密封性能的要求对车体密封性能的要求 我国在我国在200km/h200km/h及

19、以上速度级列车密封设计及及以上速度级列车密封设计及试验鉴定暂行规定试验鉴定暂行规定中要求：中要求：整车落成后的密封性能试验，要求达到车内整车落成后的密封性能试验，要求达到车内压力从压力从3600Pa3600Pa降至降至1350Pa1350Pa的时间大于的时间大于18s18s；车体结构的密封性能要求压力从车体结构的密封性能要求压力从3600Pa3600Pa降至降至1350Pa1350Pa的时间须大于的时间须大于36s36s；组成后的车窗、车门、风挡应能在组成后的车窗、车门、风挡应能在6000Pa6000Pa的气动载荷作用下保持良好的密封性。的气动载荷作用下保持良好的密封性。313137372.2

20、.车体的隔声性能要求车体的隔声性能要求(1)(1)国外高速列车运行噪声的控制国外高速列车运行噪声的控制32323737(2)(2)车内噪声的标准极限值车内噪声的标准极限值 国际铁路联盟（国际铁路联盟（UICUIC）规定：）规定：- 客车车内噪声应小于客车车内噪声应小于65dB(A)65dB(A)；- 在隧道里，噪声可宽限在隧道里，噪声可宽限5dB(A)5dB(A)；- 在 过 道 、 厕 所 、 其 噪 声 水 平 不 能 超 过在 过 道 、 厕 所 、 其 噪 声 水 平 不 能 超 过75dB(A)75dB(A)。33333737二、车体的密封技术措施二、车体的密封技术措施(6(6方面方

21、面) )1.1.车体结构采用连续焊缝以消除焊接气隙；对不车体结构采用连续焊缝以消除焊接气隙；对不能施焊的部位，必须用密封胶密封；能施焊的部位，必须用密封胶密封；2.2.采用固定式车窗，保证在气动载荷下采用固定式车窗，保证在气动载荷下( (我国规定我国规定6000Pa)6000Pa)不会造成变形和破坏；不会造成变形和破坏；3.3.侧门采用密封性能良好的塞拉门；侧门采用密封性能良好的塞拉门； 4.4.空调环控设备设立压力控制，如在客室进排气空调环控设备设立压力控制，如在客室进排气风口安装压力保护阀等；风口安装压力保护阀等；343437375.5.厕所、洗脸室的水要通过密封装置排到车外；厕所、洗脸室

22、的水要通过密封装置排到车外；对直通车下的管路和电缆孔应采取必要的密封对直通车下的管路和电缆孔应采取必要的密封措施；措施；6.6.车辆出厂前都要通过整车气密性、水密性试验。车辆出厂前都要通过整车气密性、水密性试验。35353737三、车内噪声控制技术措施三、车内噪声控制技术措施 有两方面措施：一方面要削弱噪声源发出噪声有两方面措施：一方面要削弱噪声源发出噪声的强度，另一方面要提高车体的隔声性能。的强度，另一方面要提高车体的隔声性能。1.1.削弱噪声源发出噪声强度的措施（削弱噪声源发出噪声强度的措施（4 4个）个）: :(1)(1)在车轮上安装消音器和开发弹性车轮；在车轮上安装消音器和开发弹性车轮

23、；(2)(2)车体外形设计成流线形车体外形设计成流线形; ;(3)(3)采用橡胶风挡；采用橡胶风挡；(4)(4)在空调系统上安装消音器在空调系统上安装消音器。363637372.2.提高车体隔声性能的措施（提高车体隔声性能的措施（5 5个）个）(1)(1)采用双层墙结构，即地板、侧墙、车顶等多采用双层墙结构，即地板、侧墙、车顶等多层结构，在层间采用橡胶垫隔开，可增加层结构，在层间采用橡胶垫隔开，可增加隔声量隔声量4 45dB(A)5dB(A)；(2)(2)在车体金属（如地板）表面涂刷防振阻尼层，在车体金属（如地板）表面涂刷防振阻尼层，使钢结构的声频振动转化为热能消散，减使钢结构的声频振动转化为热能消散，减少了声波的辐射和声波振动的传递，从而少了声波的辐射和声波振动的传递，从而减少车内噪声；减少车内噪声；(3)(3)采用双层车窗；采用双层车窗；37373737(4)(4)车内选用吸声效果好的高分子聚合材料；车内选用吸声效果好的高分子聚合材料；(5)(5)提高车体气密性的措施，同样可以起隔声作提高车体气密性的措施，同样可以起隔声作用。用。 法国法国TGVTGVA A高速列车，通过各种隔声措施，速高速列车，通过各种隔声措施，速度达度达300km/h300km/h时客室内噪声值为时客室内噪声值为66dB(A)66dB(A)。