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动车组概论车体 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望一、列车空气动力学一、列车空气动力学 二、动车组头型设计二、动车组头型设计 三、动车组车身外型设计三、动车组车身外型设计 第一节第一节流线形车体结构流线形车体结构2 2一、列车空气动力学一、列车空气动力学 随随着着列列车车运运行行速速度度的的提提高高，周周围围空空气气的的动动力力作作用用一一方方面面对对列列车车和和列列车车运运行行性性能能产产生生影影响响；同同时时，列列车车高高速速运运行行引引起起的的气气动动现现象象对对周周围围环环境境也也产产生生影影响响，这就是这就是高速列车的空气动力学高速列车的空气动力学问题。问题。3 31.1.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 从从风风洞洞试试验验结结果果来来看看，列列车车表表面面压压力力可可以以分为三个区域：分为三个区域：（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；（2 2）车车头头部部附附近近的的高高负负压压区区：从从鼻鼻尖尖向向上上及及向向两两侧侧，正正压压逐逐渐渐减减小小变变为为负负压压，到到接接近近与与车车身连接处的顶部与侧面，负压达最大值；身连接处的顶部与侧面，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。4 4 因因此此，在在动动车车（头头车车）上上布布置置空空调调装装置置及及冷冷却却系系统统进进风风口口时时，应应布布置置在在靠靠近近鼻鼻尖尖的的区区域域内内，此此处处正正压压较较大大，进进风风容容易易；而而排排风风口口则则应应布置在负压较大的顶部与侧面。布置在负压较大的顶部与侧面。在在有有侧侧向向风风作作用用下下，列列车车表表面面压压力力分分布布发发生生很很大大变变化化，尤尤其其对对车车顶顶小小圆圆弧弧部部位位表表面面压压力力的的影影响响最最大大。当当列列车车在在曲曲线线上上运运行行又又遇遇到到强强侧侧风时，还会影响到列车的倾覆安全性。风时，还会影响到列车的倾覆安全性。5 52.2.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 列列车车交交会会时时产产生生的的最最大大压压力力脉脉动动值值的的大大小小是评价列车气动外形优劣的一项指标。是评价列车气动外形优劣的一项指标。在在一一列列车车与与另另一一静静止止不不动动的的列列车车会会车车时时，以以及及两两列列等等速速或或不不等等速速相相对对运运行行的的列列车车会会车车时时，将将在在静静止止列列车车和和两两列列相相对对运运行行列列车车一一侧侧的的侧侧墙墙上引起压力波（压力脉冲）。上引起压力波（压力脉冲）。这这是是由由于于相相对对运运动动的的列列车车车车头头对对空空气气的的挤挤压压，在在与与之之交交会会的的另另一一列列车车侧侧壁壁上上掠掠过过，使使列列车间侧壁上的空气压力产生很大的波动。车间侧壁上的空气压力产生很大的波动。6 6 试试验验研研究究和和计计算算表表明明，动动车车组组会会车车压压力波幅值大小与下列因素有关：力波幅值大小与下列因素有关：(1)(1)随随着着会会车车速速度度的的大大幅幅度度提提高高，会会车车压力波的强度将急剧增大，如图所示压力波的强度将急剧增大，如图所示:7 7会车压力波幅值与速度的关系曲线会车压力波幅值与速度的关系曲线 8 8 由由上上图图可可见见，当当头头部部长长细细比比为为2.52.5，两两列列车车以以等等速速相相对对运运行行会会车车时时，速速度度由由250km/h250km/h提提高高 到到 350km/h350km/h，压压 力力 波波 幅幅 值值 由由 1015Pa1015Pa增增 至至1950Pa1950Pa，增大近一倍。，增大近一倍。(2)(2)会会车车压压力力波波幅幅值值随随着着头头部部长长细细比比的的增增大大而而近近似似线线性性地地显显著著减减小小。为为了了有有效效地地减减小小动动车车组组会会车车引引起起的的压压力力波波的的强强度度，应应将将动动车车（车车头头）的头部设计成细长而且呈流线型。的头部设计成细长而且呈流线型。9 9 (3)(3)会会车车压压力力波波幅幅值值随随会会车车动动车车组组侧侧墙墙间间距距增增大大而而显显著著减减小小。为为了了减减少少会会车车压压力力波波及及其其影影响，应适当增大铁路的线间距。响，应适当增大铁路的线间距。我国铁路主要技术政策中规定：我国铁路主要技术政策中规定：160km/h160km/h时，线间距时，线间距4.2m4.2m；200km/h200km/h时，线间距时，线间距4.4m4.4m；250km/h250km/h时，线间距时，线间距4.6m4.6m；300km/h300km/h时，线间距时，线间距4.8m4.8m；350km/h350km/h时，线间距时，线间距5.0m5.0m。1010 (4)(4)会会车车压压力力波波幅幅值值随随会会车车长长度度增增大大而而近似成线性地明显增大。近似成线性地明显增大。(5)(5)会会车车压压力力波波幅幅值值随随侧侧墙墙高高度度增增大大明明显显减减小小，但但减减小小的的幅幅度度随随侧侧墙墙高高度度增增大大而逐渐减小。而逐渐减小。1111 (6)(6)高高、中中速速列列车车会会车车时时，中中速速车车的的压压力力波波幅幅值值远远大大于于高高速速车车(一一般般高高1.81.8倍倍以以上上)。这这是是由由于于会会车车压压力力波波的的主主要要影影响响因因素素是是通通过过车车的的速速度度，在在高高、中中速速列列车车会会车车时时，中中速速车车压压力力波波主主要要受受其其通通过过车车高高速速车车速速度度的的影影响响，高高速速车车压压力力波波主主要要受受其其通通过过车车中中速速车车速速度度的的影影响响，所所以以中中速车上的压力波幅值远大于高速车。速车上的压力波幅值远大于高速车。12123.3.动车组通过隧道时列车的表面压力动车组通过隧道时列车的表面压力 列列车车在在隧隧道道中中运运行行时时，将将引引起起隧隧道道内内空空气气压压力力急急剧剧波波动动，因因此此列列车车表表面面上上各各处处的的压压力力也也呈呈快快速速大大幅幅度度变变动动状状况况，完全不同于在明线上的表面压力分布。完全不同于在明线上的表面压力分布。1313 试试验验研研究究表表明明，压压力力幅幅值值的的变变动动与与列列车车速速度度，列列车车长长度度，堵堵塞塞系系数数(列列车车横横截截面面积积与与隧隧道道横横截截面面积积的的比比值值)、头头型型系系数数（长长细细比比，即即车车头头前前端端鼻鼻形形部部位位长长度度与与车车头头后后部部车车身身断断面面半半径径之之比比），以以及及列列车车侧侧面面和和隧隧道道侧侧面面的的摩摩擦擦系系数数等等因因素素有有关关，其其中中以以堵堵塞塞系系数数和和列列车车速速度度为为重重要要的影响参数。的影响参数。1414国外有的研究报告指出国外有的研究报告指出:单单列列车车进进入入隧隧道道的的压压力力变变化化大大约约与与列列车车速速度度的的平平方方成成正正比比，与与堵堵塞塞系系数数的的1.30.251.30.25次次方方成成正比例。正比例。两两列列车车在在隧隧道道内内高高速速会会车车时时车车体体所所受受到到的的压压力力变变化化更更为为严严重重，此此时时压压力力变变化化与与堵堵塞塞系系数数的的2.160.062.160.06次次方方成成正正比比。并并且且两两列列车车进进入入隧隧道道的的时时差差对对压压力力变变化化也也有有很很大大的的影影响响，当当形形成成波波形形叠叠加加时时将将引引起起很很高高的的压压力力幅幅值值和和变变化化率率，此此时时车车体体表面的瞬时压力可在正负数千帕之间变化。表面的瞬时压力可在正负数千帕之间变化。15154.4.列车风列车风 当当列列车车高高速速行行驶驶时时，在在线线路路附附近近产产生生空空气气运运动动，这这就就是是列列车车风风。当当列列车车以以200km/h200km/h速速度度行行驶驶时时，根根据据测测量量，在在轨轨面面以以上上0.814m0.814m、距距列列车车 1.75m1.75m处处 的的 空空 气气 运运 动动 速速 度度 将将 达达 到到17m/s17m/s（61.2km/h)61.2km/h)，这这是是人人站站立立不不动动能能够够承承受受的的风风速速，当当列列车车以以这这样样或或更更高高的的速速度度通通过过车车站站时，列车风将给铁路工作人员和旅客带来危害。时，列车风将给铁路工作人员和旅客带来危害。1616 高高速速列列车车通通过过隧隧道道时时，在在隧隧道道中中所所引引起起的的纵纵向向气气流流速速度度约约与与列列车车速速度度成成正正比比。在在隧隧道道中中列列车车风风将将使使得得道道旁旁的的工工人人失失去去平平衡衡以以及及将将固固定定不不牢牢的的设设备备等等吹吹落落在在隧隧道道中中，这这都都是是一一些些潜潜在在的危险。的危险。国国外外有有些些铁铁路路规规定定，在在列列车车速速度度高高于于160km/h160km/h行行驶驶时时不不允允许许铁铁路路员员工工进进入入隧隧道道。列列车车速速度度稍稍低低时时，也也不不让让员员工工在在隧隧道道中中行行走走和和工工作，必须要在避车洞内等待列车通过。作，必须要在避车洞内等待列车通过。17175.5.列车空气动力学的力和力矩列车空气动力学的力和力矩 如如图图所所示示，作作用用于于车车辆辆上上的的空空气气动动力力学学的的力力和和力力矩矩，其其中中有有：空空气气阻阻力力、上上升升力力、横横向向力力，以以及及纵纵向向摆摆动动力力矩矩、扭扭摆摆力力矩矩和和侧侧滚滚力力矩矩。下下面作一简要介绍。面作一简要介绍。1818（1 1）空气阻力）空气阻力 减减少少动动车车组组的的空空气气阻阻力力对对于于实实现现高高速速运运行行和和节节能能都都有有重重要要意意义义，因因此此，需需要要对对车车体体外外形形进进行行最优化设计，以便最大可能地降低空气阻力。最优化设计，以便最大可能地降低空气阻力。动动车车组组的的运运行行阻阻力力主主要要由由空空气气阻阻力力和和机机械械阻阻力力（即即轮轮轨轨摩摩擦擦阻阻力力、轴轴承承等等滚滚动动部部件件的的摩摩擦擦阻阻力等）组成。力等）组成。1919空气阻力可以简略地用下面公式表示：空气阻力可以简略地用下面公式表示：式中式中 Cx Cx空气阻力系数空气阻力系数 空气密度空气密度 V V列车速度列车速度 A A列车横截面积列车横截面积 2020空气阻力主要由以下三个部分组成：空气阻力主要由以下三个部分组成：压差阻力：压差阻力：头部及尾部压力差所引起的阻力；头部及尾部压力差所引起的阻力；摩摩擦擦阻阻力力：由由于于空空气气的的粘粘性性而而引引起起的的、作作用用于于车体表面的剪切应力造成的阻力；车体表面的剪切应力造成的阻力；干干扰扰阻阻力力：车车辆辆的的突突出出物物(如如手手柄柄、门门窗窗、转转向向架架、车车体体底底架架、悬悬挂挂设设备备、车车顶顶设设备备、及及车车辆之间的连接风挡等辆之间的连接风挡等)所引起的阻力。所引起的阻力。2121 研研究究表表明明，空空气气阻阻力力与与速速度度的的平平方方成成正正比比，机械阻力则与速度成正比。机械阻力则与速度成正比。速速度度为为100km/h100km/h时时，空空气气阻阻力力和和机机械械阻阻力力各各占一半；占一半；速速度度提提高高到到200km/h200km/h时时，空空气气阻阻力力占占7070，机械阻力只占机械阻力只占3030；250km/h250km/h速速度度平平稳稳运运行行时时，空空气气阻阻力力约约占占列列车总阻力的车总阻力的80809090以上。以上。2222 法国对法国对TGVTGV动车的空气阻力（动车的空气阻力（R R）的测试结果：）的测试结果：V V100km/h100km/h时，时，R R5.526KN5.526KN；V V200km/h200km/h时，时，R R15.25KN15.25KN。这这说说明明，当当速速度度提提高高1 1倍倍时时，空空气气阻阻力力（R R）提高约）提高约2 2倍。倍。2323（2 2）升力）升力 把把动动车车组组表表面面的的局局部部压压力力高高于于周周围围空空气气压压力力的的称称为为正正，局局部部压压力力低低于于周周围围空空气气压压力力的的称称为为负负。作作为为一一个个整整体体，车车辆辆是是受受正正的的(向向上上的的)升升力力还还是是受受负负的的(向向下下的的)升升力力，取取决决于于车车辆辆所所有有截截面面的的表表面面压压力力累加结果是正还是负。累加结果是正还是负。升升力力也也与与列列车车速速度度的的平平方方成成正正比比。正正升升力力将将使使轮轮轨轨的的接接触触压压力力减减小小，为为此此将将对对列列车车的的牵牵引引和和动动力力学性能产生重要影响。学性能产生重要影响。2424（3 3）横向力）横向力 动动车车组组运运行行中中遇遇到到横横向向风风时时，车车辆辆将将受受到到横横向向力力和和力力矩矩的的作作用用，当当风风载载荷荷达达到到一一定定程程度度时时，横横向向力力及及其其侧侧滚滚力力矩矩、扭扭摆摆力力矩矩将将影影响响车车辆的倾覆安全性。辆的倾覆安全性。2525侧向阻力可以简略地用下面公式表示：侧向阻力可以简略地用下面公式表示：式中式中 C CD D侧面阻力系数侧面阻力系数 空气密度空气密度 V V列车速度列车速度 A A列车侧面投影面积列车侧面投影面积 2626 就就车车辆辆形形状状而而言言，车车顶顶越越有有棱棱角角，其其阻阻力力越越大大。通通过过风风洞洞试试验验研研究究认认为为，最最佳佳的的车车体体横横断断面面形形状状应应当当是是：车车体体侧侧面面平平坦坦，且且上上下下渐渐内内倾倾(可可以以降降低低升升力力)、顶顶部部稍稍圆圆、车车顶顶与与车车体体侧侧面面拐拐角角处处完完全全修修圆圆(可可以以降降低力矩低力矩)。2727二、动车组头型设计二、动车组头型设计 对对于于高高速速动动车车组组来来说说，列列车车头头型型设设计计非非常常重重要要，好好的的头头型型设设计计可可以以有有效效地地减减少少运运行行空空气气阻阻力力，列列车车交交会会压压力力波波和和解解决好运行稳定性等问题。决好运行稳定性等问题。28281.1.头型设计的基本要求头型设计的基本要求 (1)(1)阻力系数阻力系数 一一些些高高速速铁铁路路发发展展比比较较早早的的国国家家，通通过过试试验验研研究究和和理理论论计计算算，明明确确提提出出了了各各自自的的列列车车阻阻力力系数指标。系数指标。在在“德德国国联联邦邦铁铁路路城城间间特特快快列列车车ICEICE技技术术任任务书务书”中规定：中规定：列车前端的驱动头车空气阻力系数列车前端的驱动头车空气阻力系数C C0.170.17；列车末端的驱动头车空气阻力系数列车末端的驱动头车空气阻力系数C C0.190.19。2929 (2)(2)头型系数（长细比）头型系数（长细比）长长细细比比，即即车车头头前前端端鼻鼻形形部部位位长长度度与与车车头头后部车身断面半径之比。后部车身断面半径之比。头头、尾尾车车阻阻力力系系数数与与流流线线化化头头部部长长细细比比直直接接有有关关，高高速速列列车车头头部部的的长长细细比比一一般般要要求求达达到到3 3左右或者更大，如图所示：左右或者更大，如图所示：303031312.2.动车组头部流线化设计动车组头部流线化设计 头头部部纵纵向向对对称称面面上上的的外外形形轮轮廓廓线线，要要满满足足司司机机室室净净空空高高、前前窗窗几几何何尺尺寸寸、玻玻璃璃形形状状，以以及及了了望望等等条条件件。在在此此基基础础上上，尽尽可可能能降降低低该该轮轮廓廓线线的的垂垂向向高高度度，使使头头部部趋趋于于扁扁形形，这这样样可可以以减减小小压压力力冲冲击击波波，并并改改善善尾尾部部涡涡流流影影响响。同同时时，将将端端部部鼻鼻锥锥部部分分设设计计成成椭椭圆圆形形状状，可可以以减减少少列列车运行时的空气阻力，如图所示。车运行时的空气阻力，如图所示。3232(a)(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 3333头车外形比较头车外形比较3434 在在设设计计俯俯视视图图最最大大轮轮廓廓线线形形时时，首首先先要要满满足足司司机机室室的的宽宽度度要要求求，然然后后再再将将鼻鼻锥锥部部分分设设计计为为带带锥锥度度的的椭椭圆圆形形状状。这这样样既既有有利利于于减减小小列列车车交交会会压压力力波波和和改改善善尾尾部部涡涡流流影影响响的的梭梭形形，又又兼兼顾到有利于降低空气阻力的椭球面形状。顾到有利于降低空气阻力的椭球面形状。此此外外还还应应设设计计凹凹槽槽形形的的导导流流板板，将将气气流流引引向车头两侧。向车头两侧。3535 在在主主型型线线设设计计完完成成后后，还还要要做做到到头头部部外外形形与与车车身身外外形形严严格格相相切切；头头部部外外形形中中，任任意意选选取取的的两两曲曲面面之之间间也也要要严严格格相相切切，以以保保证证头头部部外外形形的的光光滑滑性性，这这样样既既减减少少空空气气阻阻力力，又又可可以以降降低低列车交会压力波幅值。列车交会压力波幅值。3636三、动车组车身外型设计三、动车组车身外型设计 动车组车身横断面形状设计有以下特点：动车组车身横断面形状设计有以下特点：1.1.整整个个车车身身断断面面呈呈鼓鼓形形，即即车车顶顶为为圆圆弧弧形形，侧侧墙墙下下部部向向内内倾倾斜斜（5 5o o左左右右）并并以以圆圆弧弧过过渡渡到到底底架架，侧侧墙墙上上部部向向内内倾倾斜斜（3 3o o左左右右）并并以以圆圆弧弧过渡到车顶。过渡到车顶。3737 下下图图为为德德国国ICEICE动动车车组组车车身身断断面面形形状状。这这不不仅仅能能减减小小空空气气阻阻力力，而而且且有有利利于于缓缓解解列列车车交交会会压力波及横向阻力、侧滚力矩的作用。压力波及横向阻力、侧滚力矩的作用。3838车体断面比较车体断面比较39392.2.车车辆辆底底部部形形状状对对空空气气阻阻力力的的影影响响很很大大，为为了了避避免免地地板板下下部部设设备备的的外外露露，采采用用与与车车身身横横断断面面形形状状相相吻吻合合的的裙裙板板遮遮住住车车下下设设备备，以以减减少少空空气气阻阻力力，也也可可防防止止高高速速 运运行行带带来来的的沙沙石石击击打打车车下设备。下设备。40403.3.车车体体表表面面光光滑滑平平整整，尽尽量量减减少少突突出出物物。如如侧侧门门采采用用塞塞拉拉式式；扶扶手手为为内内置置式式；脚脚蹬蹬做做成成翻翻板板式式，使侧面关闭时可以包住它。使侧面关闭时可以包住它。4.4.两两车车辆辆连连接接处处采采用用橡橡胶胶大大风风挡挡，与与车车身身保保持持平平齐，避免形成空气涡流。齐，避免形成空气涡流。4141第二节第二节 动车组车体的轻量化设计动车组车体的轻量化设计一、轴重对轮轨相互作用的影响一、轴重对轮轨相互作用的影响 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 4242一、轴重对轮轨相互作用的影响一、轴重对轮轨相互作用的影响 1.1.轴重对轨道损伤的影响轴重对轨道损伤的影响 随随着着轴轴重重的的增增加加，钢钢轨轨承承受受轮轮载载而而产产生生的的轮轮轨轨接接触触应应力力、轨轨头头内内部部的的剪剪切切应应力力、局局部部应应力力和和弯弯曲曲应应力力将将相相应应增增加加，同同时时疲疲劳劳荷荷载载作作用用下下的的应应力力水水平平也也将将随随之之提提高高，从从而而大大大大缩缩短短了了钢钢轨的使用寿命。轨的使用寿命。4343 研究结果表明，钢轨头部损伤几乎全是疲研究结果表明，钢轨头部损伤几乎全是疲劳损伤，钢轨折损率随轴重的增加而增加。劳损伤，钢轨折损率随轴重的增加而增加。法国依据钢轨疲劳损伤统计资料的分析得法国依据钢轨疲劳损伤统计资料的分析得出，钢轨疲劳折损率与轴载荷的出，钢轨疲劳折损率与轴载荷的2.252.25次方成正次方成正比关系。比关系。美国认为与轴载荷的美国认为与轴载荷的3.83.8次方成正比。次方成正比。4444 接触理论表明，轮、轨面上的接触应力和接触理论表明，轮、轨面上的接触应力和轨头内部的剪切应力与轴载荷成正比，且与车轨头内部的剪切应力与轴载荷成正比，且与车轮直径及踏面外形有关。所以减小轴重可减少轮直径及踏面外形有关。所以减小轴重可减少钢轨的损伤和提高其使用寿命。钢轨的损伤和提高其使用寿命。日本高速列车为动力分散式，早期的轴重日本高速列车为动力分散式，早期的轴重和簧下质量较大，轮轨动力作用和因此产生的和簧下质量较大，轮轨动力作用和因此产生的钢轨磨耗和破坏严重，所以日本在高速列车的钢轨磨耗和破坏严重，所以日本在高速列车的发展中非常重视降低轴重。发展中非常重视降低轴重。45452.2.高速对轮轨间垂向动力作用的影响高速对轮轨间垂向动力作用的影响 列列车车运运行行中中，如如果果存存在在车车轮轮偏偏心心和和扁扁疤疤，或或者者遇遇到到轨轨道道不不平平顺顺时时，将将产产生生轮轮轨轨间间的的冲冲击击载载荷荷，这这种种载载荷荷属属于于“动动态态作作用用力力”。下下图图为为B0-B0B0-B0式式电电力力机机车车以以160km/h160km/h速速度度进进行行线线路路试试验验得得出出的的过过轨轨接接头头时时轮轮轨轨间间总总载载荷荷的的时时间间历历程程。该该电电力力机车的轴重为机车的轴重为20t20t。4646 上上图图中中，纵纵坐坐标标为为垂垂向向总总载载荷荷与与车车轮轮静静载载荷荷之之比比，横横坐坐标标为为时时间间（msms）；虚虚线线为为轮轮轨轨系系统统冲冲击击响响应应的的理理论论计计算算值值，实实线线为为实实测测值值。由由图图可可见见，在在这这个个冲冲击击过过程中，轮轨间的载荷出现两个峰值程中，轮轨间的载荷出现两个峰值P1P1和和P2P2。4747 P1P1力力出出现现在在轮轮轨轨冲冲击击后后的的瞬瞬时时（约约0.30.30.4ms0.4ms），频频率率为为500Hz500Hz1000Hz1000Hz，称称之之为为高高频频力，其值为车轮静载的力，其值为车轮静载的5 5倍左右。倍左右。P1P1力力的的高高频频瞬瞬时时冲冲击击作作用用很很快快被被钢钢轨轨及及轨轨道道的的惯惯性性反反作作用用力力抵抵消消，很很快快衰衰减减，来来不不及及向向上上和和向向下下传传播播，其其破破坏坏作作用用对对钢钢轨轨和和车车轮轮最最严严重重。它它直直接接影影响响钢钢轨轨轨轨头头的的接接触触应应力力，容容易易发发生生钢钢轨轨剥剥离离等等接接触触疲疲劳劳；对对车车轮轮产产生生剧剧烈烈的的冲冲击作用，导致车轮扁疤等。击作用，导致车轮扁疤等。4848 P2P2力力出出现现在在轮轮轨轨冲冲击击2ms2ms以以后后，持持续续时时间间较较长长，频频率率为为20Hz20Hz100Hz100Hz，称称之之为为中中频频力力，其其值为车轮静载的值为车轮静载的2.52.53.53.5倍。倍。P2P2力力可可直直接接向向钢钢轨轨以以下下和和车车轮轮以以上上传传递递，造造成成轨轨枕枕破破裂裂、道道床床粉粉化化和和板板结结、严严重重者者引引起起路路基基下下陷陷；造造成成列列车车垂垂向向动动力力学学性性能能恶恶化化，特特别别是是降降低低滚滚动动轴轴承承的的疲疲劳劳寿寿命命，在在这这种种脉脉冲冲式式激扰下，构架的动应力也将增大。激扰下，构架的动应力也将增大。4949 上图为各种车速下的轮轨冲击力响应。从图中可以上图为各种车速下的轮轨冲击力响应。从图中可以看出，看出，P1P1力和力和P2P2力随行车速度的提高而增大，当速度力随行车速度的提高而增大，当速度由由80km/h80km/h提高到提高到250km/h250km/h时，时，P1P1力增加力增加1 1倍，倍，P2P2力增加力增加0.80.8倍。倍。50503.3.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）动车组的最大轴重、平均轴重）动车组的最大轴重、平均轴重 牵引动力集中配置的动车组，动力车的轴牵引动力集中配置的动车组，动力车的轴重为最大。如法国重为最大。如法国TGV-ATGV-A的最大轴重为的最大轴重为17t17t，德，德国国ICE-2ICE-2的最大轴重为的最大轴重为19.5t19.5t。尽管这些高速列。尽管这些高速列车的最大轴重比较高，但整列车中大量拖车的车的最大轴重比较高，但整列车中大量拖车的轴重较轻，因而列车的平均轴重较低，如轴重较轻，因而列车的平均轴重较低，如ICE-ICE-2 2的平均轴重为的平均轴重为14.2t14.2t，TGVTGV因拖车采用雅克比因拖车采用雅克比式转向架，其平均轴重相对高一些，为式转向架，其平均轴重相对高一些，为16t16t。51512 2各国高速动车组的轴重、簧下质量各国高速动车组的轴重、簧下质量 欧欧洲洲铁铁路路联联盟盟在在“高高速速列列车车技技术术条条件件”中中对对轴轴重重有有明明确确规规定定：允允许许的的静静态态轴轴重重为为17t17t，新新建建线线路路和和300km/h300km/h速速度度运运行行时时，每每个个轮轮子子作作用用在在正正常常维维护护线线路路钢钢轨轨上上的的静静态态和和动动态态力力之之和和不不得得超超过过170KN170KN。表表2-12-1列列出出了了各各国国高高速速列列车车轴轴重重比比较较。表表2-22-2列列出出了了若若干干典典型型高高速速机机车车和和动车的簧下质量。动车的簧下质量。525253535454二、车体结构的轻量化技术二、车体结构的轻量化技术 普通速度车体结构的自重在普通速度车体结构的自重在14t14t左右，而左右，而国外高速客车车体结构重量为国外高速客车车体结构重量为10t10t左右。总体左右。总体上看，实现结构轻量化的主要途径有两个：一上看，实现结构轻量化的主要途径有两个：一是采用新材料，二是合理优化结构设计。是采用新材料，二是合理优化结构设计。55551.1.车体轻量化材料车体轻量化材料耐候钢车体耐候钢车体 不锈钢车体不锈钢车体 铝合金车体铝合金车体56562.2.车体结构的轻量化设计车体结构的轻量化设计 (1)(1)车体结构的优化设计车体结构的优化设计 日本日本100100系动车组，采用耐候钢（系动车组，采用耐候钢（SPASPA），车），车体钢结构自重仅为体钢结构自重仅为10.3t10.3t我国的我国的“168”“168”客车，也采用耐候钢制造，客车，也采用耐候钢制造，车体钢结构自重为车体钢结构自重为13.113.113.2t 13.2t 5757(2)(2)铝合金车体的三种结构铝合金车体的三种结构:大型中空挤压铝型材焊接结构大型中空挤压铝型材焊接结构 采用航空骨架式铝合金车体结构采用航空骨架式铝合金车体结构大型中空挤压铝型材与开口型材的混合结构大型中空挤压铝型材与开口型材的混合结构 5858采用大型中空挤压铝型材焊接结构采用大型中空挤压铝型材焊接结构5959采用航空骨架式铝合金车体结构采用航空骨架式铝合金车体结构6060德国德国ICEICE铝合金车体断面铝合金车体断面61616262三、车内设备的轻量化技术三、车内设备的轻量化技术 车车内内设设备备材材料料，首首先先应应满满足足功功能能要要求求和和防防火火阻阻燃燃要要求求，装装饰饰板板应应反反映映时时代代感感，车车内内设设备备约约占客车总重量的占客车总重量的2020，轻量化具有重要意义。，轻量化具有重要意义。1.1.车车内内设设备备如如门门、窗窗、行行李李架架、座座椅椅、供供水水设设备备、卫卫生生设设备备等等等等，均均可可选选用用轻轻合合金金或或高高分分子子工工程程材料和复合材料，使设备重量大大减轻。材料和复合材料，使设备重量大大减轻。6363 仅仅座座椅椅一一项项，日日本本采采用用铝铝钢钢合合制制或或全全铝铝制制双双人人座座椅椅，其其重重量量由由原原钢钢制制的的56kg56kg分分别别降降为为32kg32kg和和24kg24kg，聚聚碳碳酸酸脂脂（PCPC）板板材材作作为为透透明明车车窗窗材材料料，重重量量约约为为同同厚厚度度玻玻璃璃的的1/151/15，而而且且透透光光、耐耐压压、耐耐冲冲击击均均较较普普通通玻玻璃璃好好，能能方方便便地地制制作作车车辆辆通通长的车窗。长的车窗。2.2.车车内内装装饰饰板板材材广广泛泛采采用用薄薄膜膜铝铝合合金金墙墙板板，工工程程塑料顶板等。塑料顶板等。64643.3.其它设备的轻量化其它设备的轻量化 如如日日本本100100系系采采用用直直流流牵牵引引电电机机，每每台台重重量量为为825kg(825kg(功功率率为为230kw)230kw)，而而300300系系采采用用交交流流感感应应电电机后，每台重量仅为机后，每台重量仅为390kg(390kg(功率增至功率增至300kw)300kw)。德德国国（ICE3ICE3）的的主主变变压压器器铁铁芯芯采采用用优优质质铁铁铝铝合合金金，使使导导磁磁率率提提高高4 45 5倍倍，又又将将铜铜编编线线改改为为铝铝编编线线，冷冷却却使使用用硅硅油油，这这样样其其总总重重由由11.511.5吨吨降降为为7 7吨等等。吨等等。6565四、转向架结构轻量化技术四、转向架结构轻量化技术 降降低低转转向向架架自自重重是是高高速速转转向向架架技技术术开开发发的的一一个个重重要要方方面面，它它对对改改善善车车辆辆振振动动性性能能和和减减小小轮轮轨轨之之间间的的动动力力作作用用均均具具有有显显著著效效果果。国国外外高高速速转转向向架架轻轻量量化化的的主主要要措措施施之之一一是是采采用用无无摇摇枕枕结构，此外还有很多轻量化措施：结构，此外还有很多轻量化措施：66661 1构构架架结结构构轻轻量量化化。采采用用焊焊接接构构架架可可比比铸铸钢钢结结构减重构减重5050左右。左右。2 2轮轮对对轻轻量量化化。采采用用空空心心车车轴轴和和小小直直径径车车轮轮；采用采用S S形薄辐板车轮。形薄辐板车轮。德德国国MBBMBB公公司司研研制制了了玻玻璃璃钢钢（FRPFRP）轮轮心心，车车轮轮由由钢钢质质车车箍箍、FRPFRP轮轮心心和和钢钢质质轮轮毂毂三三部部分分组组成成，其其簧簧下下质质量量至至少少降降低低了了2020（100Kg100Kg左左右右）；采采用用双双排排圆圆锥锥滚滚子子轴轴承承，同同时时承承受受径径向向和和轴轴向向载载荷荷，其其重重量量只只有有40Kg40Kg，约约为为日日本本新新干干线线原原用轴承重量的一半。用轴承重量的一半。67673 3轴轴箱箱和和齿齿轮轮箱箱采采用用铝铝合合金金制制作作。铝铝合合金金轴轴箱箱的的重重量量只只有有原原来来的的4040左左右右，齿齿轮轮箱箱亦亦减减到到原原来的来的5656。通通过过对对车车体体结结构构、转转向向架架结结构构、车车内内设设备备及及其其它它设设备备从从选选材材和和结结构构优优化化设设计计上上采采取取措措施施，可使车辆自重（轴重）明显降低。可使车辆自重（轴重）明显降低。68686969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、车体的密封隔声性能一、车体的密封隔声性能二、车体的密封技术二、车体的密封技术三、车内噪声控制技术三、车内噪声控制技术 7070一、车体的密封隔声性能一、车体的密封隔声性能1.1.车体的密封性能车体的密封性能(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 车外压力的波动会反应到车厢内，使旅车外压力的波动会反应到车厢内，使旅客感到不舒服，轻者压迫耳膜，重则头晕客感到不舒服，轻者压迫耳膜，重则头晕恶心，甚至造成耳膜破裂。许多国家先后恶心，甚至造成耳膜破裂。许多国家先后在压力波对旅客舒适性的影响方面进行了在压力波对旅客舒适性的影响方面进行了研究。研究。7171 国外高速列车的运用实践表明，没有交会国外高速列车的运用实践表明，没有交会列车时，头、尾车外面的气流压力变化为：头列车时，头、尾车外面的气流压力变化为：头部受部受2.5KPa2.5KPa左右的正压、尾部为左右的正压、尾部为2.0KPa2.0KPa左右的左右的负压；负压；有交会列车时特别在隧道内会车时，车外有交会列车时特别在隧道内会车时，车外气流压力会大幅度变化，对进入隧道列车的气气流压力会大幅度变化，对进入隧道列车的气流测定结果：速度流测定结果：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、尾部负压为部负压为5.5KPa5.5KPa。72727373(2)(2)对车体密封性能的要求对车体密封性能的要求 日日本本高高速速列列车车密密封封试试验验，要要求求将将车车体体所所有有开开启启部部位位堵堵塞塞，车车内内压压力力由由4000Pa4000Pa降降至至1000Pa1000Pa的的时间必须大于时间必须大于50s50s。欧欧洲洲高高速速列列车车曾曾采采用用压压力力从从4000Pa4000Pa降降至至1000Pa1000Pa的的时时间间大大于于50s(50s(车车辆辆通通过过台台和和空空调调设设备备关闭关闭)。现现在在，德德国国、意意大大利利等等国国家家采采用用压压力力从从3600Pa3600Pa降至降至1350Pa1350Pa的时间大于的时间大于18s18s。7474 我国在我国在200km/h200km/h及以上速度级列车密封设及以上速度级列车密封设计及试验鉴定暂行规定中要求：计及试验鉴定暂行规定中要求：整车落成后的密封性能试验，要求达到车整车落成后的密封性能试验，要求达到车内压力从内压力从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降降至至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4000Pa4000Pa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 75752.2.车体的隔声性能车体的隔声性能(1)(1)高速列车的噪声源高速列车的噪声源 高速列车的声源主要是：高速列车的声源主要是：轮轨噪声（碰撞、摩擦声）；轮轨噪声（碰撞、摩擦声）；空气沿车体表面流动产生的摩擦声和受电弓空气沿车体表面流动产生的摩擦声和受电弓与接触网导线的摩擦声；与接触网导线的摩擦声；风挡等构件的撞击声。风挡等构件的撞击声。列车进出隧道产生的压缩波和反射波所产生列车进出隧道产生的压缩波和反射波所产生的噪声等。的噪声等。7676(2)(2)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 德国在联邦铁路城间特快列车德国在联邦铁路城间特快列车ICEICE技术任技术任务书中，对高速列车运行噪声作了技术规定：务书中，对高速列车运行噪声作了技术规定：距铁路中心线距铁路中心线25m25m处，当列车运行速度为处，当列车运行速度为250km/h250km/h时，列车通过的最大声级不得高于时，列车通过的最大声级不得高于88dB(A)88dB(A)；列车运行速度为；列车运行速度为280km/h280km/h时，通过的时，通过的最大声级不得高于最大声级不得高于89dB(A)89dB(A)。7777 日本多年来投入了大量人力物力财力降低日本多年来投入了大量人力物力财力降低新干线铁路噪声，效果显著。目前日本新干线新干线铁路噪声，效果显著。目前日本新干线距铁路中心距铁路中心25m25m处列车通过最大声级为：处列车通过最大声级为：高架桥、高路堤区段高架桥、高路堤区段656575dB(A)75dB(A)，达到了，达到了新干线环境噪声标准限值。即：新干线环境噪声标准限值。即：居民住宅室外的最大噪声级居民住宅室外的最大噪声级70dB(A)70dB(A)；工业，商业区或有少量居民居住混合区的工业，商业区或有少量居民居住混合区的室外室外75dB(A)75dB(A)。78787979(3)(3)车内噪声的标准极限