动车组概论2车体.ppt
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1、动车组概论2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2 2第二章第二章动车组车体技术动车组车体技术第一第一节流流线形形车体体结构构 第二第二节动车组车体的体的轻量化量化设计 第三第三节车体的密封隔声技体的密封隔声技术 第四第四节防火安全技防火安全技术 第五第五节动车组连接装置接装置 3 3一、列一、列车空气空气动力学力学 二、二、动车组头型型设计 三、三、动车组车身外型身外型设计 第一节第一节流线形车体结构流线形车体结构4 4一、列一、列车空气空气动力
2、学力学 随随着着列列车运运行行速速度度的的提提高高,周周围空空气气的的动力力作作用用一一方方面面对列列车和和列列车运运行行性性能能产生生影影响响;同同时,列列车高高速速运运行行引引起起的的气气动现象象对周周围环境境也也产生生影影响响,这就是就是高速列高速列车的空气的空气动力学力学问题。5 51.动车组运行中列运行中列车的表面的表面压力力 从从风洞洞试验结果果来来看看,列列车表表面面压力力可可以以分分为三个区域:三个区域:(1)头车鼻尖部位正鼻尖部位正对来流方向来流方向为正正压区;区;(2)车头部部附附近近的的高高负压区区:从从鼻鼻尖尖向向上上及及向向两两侧,正正压逐逐渐减减小小变为负压,到到接
3、接近近与与车身身连接接处的的顶部与部与侧面,面,负压达最大达最大值;(3)头车车身、拖身、拖车和尾和尾车车身身为低低负压区。区。6 6 因因此此,在在动车(头车)上上布布置置空空调装装置置及及冷冷却却系系统进风口口时,应布布置置在在靠靠近近鼻鼻尖尖的的区区域域内内,此此处正正压较大大,进风容容易易;而而排排风口口则应布布置置在在负压较大的大的顶部与部与侧面。面。在在有有侧向向风作作用用下下,列列车表表面面压力力分分布布发生生很很大大变化化,尤尤其其对车顶小小圆弧弧部部位位表表面面压力力的的影影响响最最大大。当当列列车在在曲曲线上上运运行行又又遇遇到到强侧风时,还会影响到列会影响到列车的的倾覆安
4、全性。覆安全性。7 72.动车组会会车时列列车的表面的表面压力力 列列车交交会会时产生生的的最最大大压力力脉脉动值的的大大小小是是评价列价列车气气动外形外形优劣的一劣的一项指指标。在在一一列列车与与另另一一静静止止不不动的的列列车会会车时,以以及及两两列列等等速速或或不不等等速速相相对运运行行的的列列车会会车时,将将在在静静止止列列车和和两两列列相相对运运行行列列车一一侧的的侧墙上引起上引起压力波(力波(压力脉冲)。力脉冲)。这是是由由于于相相对运运动的的列列车车头对空空气气的的挤压,在在与与之之交交会会的的另另一一列列车侧壁壁上上掠掠过,使使列列车间侧壁上的空气壁上的空气压力力产生很大的波生
5、很大的波动。8 8 试验研研究究和和计算算表表明明,动车组会会车压力力波幅波幅值大小与下列因素有关:大小与下列因素有关:(1)随随着着会会车速速度度的的大大幅幅度度提提高高,会会车压力波的力波的强度将急度将急剧增大,如增大,如图所示所示:9 9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 1010 由由上上图可可见,当当头部部长细比比为2.5,两两列列车以以等等速速相相对运运行行会会车时,速速度度由由250km/h提提高高到到350km/h,压力力波波幅幅值由由1015Pa增增至至1950Pa,增大近一倍。,增大近一倍。(2)会会车压力力波波幅幅值随随着着头部部长细比比的的增增
6、大大而而近近似似线性性地地显著著减减小小。为了了有有效效地地减减小小动车组会会车引引起起的的压力力波波的的强度度,应将将动车(车头)的的头部部设计成成细长而且呈流而且呈流线型。型。1111 (3)会会车压力力波波幅幅值随随会会车动车组侧墙间距距增增大大而而显著著减减小小。为了了减减少少会会车压力力波波及及其其影影响响,应适当增大适当增大铁路的路的线间距。距。我国我国铁路主要技路主要技术政策政策中中规定:定:160km/h时,线间距距 4.2m;200km/h时,线间距距 4.4m;250km/h时,线间距距 4.6m;300km/h时,线间距距 4.8m;350km/h时,线间距距 5.0m。
7、1212 (4)会会车压力力波波幅幅值随随会会车长度度增增大大而而近近似成似成线性地明性地明显增大。增大。(5)会会车压力力波波幅幅值随随侧墙高高度度增增大大明明显减减小小,但但减减小小的的幅幅度度随随侧墙高高度度增增大大而逐而逐渐减小。减小。1313 (6)高高、中中速速列列车会会车时,中中速速车的的压力力波波幅幅值远大大于于高高速速车(一一般般高高1.8倍倍以以上上)。这是是由由于于会会车压力力波波的的主主要要影影响响因因素素是是通通过车的的速速度度,在在高高、中中速速列列车会会车时,中中速速车压力力波波主主要要受受其其通通过车高高速速车速速度度的的影影响响,高高速速车压力力波波主主要要受
8、受其其通通过车中中速速车速速度度的的影影响响,所所以以中中速速车上上的的压力波幅力波幅值远大于高速大于高速车。14143.动车组通通过隧道隧道时列列车的表面的表面压力力 列列车在在隧隧道道中中运运行行时,将将引引起起隧隧道道内内空空气气压力力急急剧波波动,因因此此列列车表表面面上上各各处的的压力力也也呈呈快快速速大大幅幅度度变动状状况况,完全不同于在明完全不同于在明线上的表面上的表面压力分布。力分布。1515 试验研研究究表表明明,压力力幅幅值的的变动与与列列车速速度度,列列车长度度,堵堵塞塞系系数数(列列车横横截截面面积与与隧隧道道横横截截面面积的的比比值)、头型型系系数数(长细比比,即即车
9、头前前端端鼻鼻形形部部位位长度度与与车头后后部部车身身断断面面半半径径之之比比),以以及及列列车侧面面和和隧隧道道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速速度度为重重要要的影响参数。的影响参数。1616国外有的研究国外有的研究报告指出告指出:单列列车进入入隧隧道道的的压力力变化化大大约与与列列车速速度度的的平平方成正比,与堵塞系数的方成正比,与堵塞系数的1.30.25次方成正比例。次方成正比例。两两列列车在在隧隧道道内内高高速速会会车时车体体所所受受到到的的压力力变化化更更为严重重,此此时压力力变化化与与堵堵塞塞系系数数的的2.160.06次次方
10、方成成正正比比。并并且且两两列列车进入入隧隧道道的的时差差对压力力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将将引引起起很很高高的的压力力幅幅值和和变化化率率,此此时车体体表表面的瞬面的瞬时压力可在正力可在正负数千帕之数千帕之间变化。化。17174.列列车风 当当列列车高高速速行行驶时,在在线路路附附近近产生生空空气气运运动,这就就是是列列车风。当当列列车以以200km/h速速度度行行驶时,根根据据测量量,在在轨面面以以上上0.814m、距距列列 车 1.75m处 的的 空空 气气 运运 动 速速 度度 将将 达达 到到17m/s(61.2km/h),这是是人人站站立立
11、不不动能能够承承受受的的风速速,当当列列车以以这样或或更更高高的的速速度度通通过车站站时,列列车风将将给铁路路工工作作人人员和和旅旅客客带来来危危害。害。1818 高高速速列列车通通过隧隧道道时,在在隧隧道道中中所所引引起起的的纵向向气气流流速速度度约与与列列车速速度度成成正正比比。在在隧隧道道中中列列车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备等等吹吹落落在在隧隧道道中中,这都都是是一一些些潜潜在在的的危危险。国国外外有有些些铁路路规定定,在在列列车速速度度高高于于160km/h行行驶时不不允允许铁路路员工工进入入隧隧道道。列列车速速度度稍稍低低时
12、,也也不不让员工工在在隧隧道道中中行行走走和和工工作,必作,必须要在避要在避车洞内等待列洞内等待列车通通过。19195.列列车空气空气动力学的力和力矩力学的力和力矩 如如图所所示示,作作用用于于车辆上上的的空空气气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,以以及及纵向向摆动力力矩矩、扭扭摆力力矩矩和和侧滚力力矩矩。下下面作一面作一简要介要介绍。2020(1)空气阻力)空气阻力 减减少少动车组的的空空气气阻阻力力对于于实现高高速速运运行行和和节能能都都有有重重要要意意义,因因此此,需需要要对车体体外外形形进行行最最优化化设计,以便最大可能地降低空
13、气阻力。,以便最大可能地降低空气阻力。动车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(即即轮轨摩摩擦擦阻阻力力、轴承承等等滚动部部件件的的摩摩擦擦阻阻力等)力等)组成。成。2121空气阻力可以空气阻力可以简略地用下面公式表示:略地用下面公式表示:式中式中Cx空气阻力系数空气阻力系数空气密度空气密度V列列车速度速度A列列车横截面横截面积 2222空气阻力主要由以下三个部分空气阻力主要由以下三个部分组成:成:压差阻力:差阻力:头部及尾部部及尾部压力差所引起的阻力;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
14、体表面的剪切应力造成的阻力;力造成的阻力;干干扰阻阻力力:车辆的的突突出出物物(如如手手柄柄、门窗窗、转向向架架、车体体底底架架、悬挂挂设备、车顶设备、及及车辆之之间的的连接接风挡等等)所引起的阻力。所引起的阻力。2323 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,机械阻力机械阻力则与速度成正比。与速度成正比。速速度度为100km/h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/h时,空空气气阻阻力力占占70,机械阻力只占机械阻力只占30;250km/h速速度度平平稳运运行行时,空空气气阻阻力力约占占列列车总阻力的阻力
15、的8090以上。以上。2424 法国法国对TGV动车的空气阻力(的空气阻力(R)的)的测试结果:果:V100km/h时,R5.526KN;V200km/h时,R15.25KN。这说明明,当当速速度度提提高高1倍倍时,空空气气阻阻力力(R)提高)提高约2倍。倍。2525(2)升力)升力 把把动车组表表面面的的局局部部压力力高高于于周周围空空气气压力力的的称称为正正,局局部部压力力低低于于周周围空空气气压力力的的称称为负。作作为一一个个整整体体,车辆是是受受正正的的(向向上上的的)升升力力还是是受受负的的(向向下下的的)升升力力,取取决决于于车辆所所有有截截面面的的表表面面压力力累加累加结果是正果
16、是正还是是负。升升力力也也与与列列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轨的的接接触触压力力减减小小,为此此将将对列列车的的牵引引和和动力力学性能学性能产生重要影响。生重要影响。2626(3)横向力)横向力 动车组运运行行中中遇遇到到横横向向风时,车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,当当风载荷荷达达到到一一定定程程度度时,横横向向力力及及其其侧滚力力矩矩、扭扭摆力力矩矩将将影影响响车辆的的倾覆安全性。覆安全性。2727侧向阻力可以向阻力可以简略地用下面公式表示:略地用下面公式表示:式中式中CD侧面阻力系数面阻力系数空气密度空气密度V列列车速度速度A列列车侧
17、面投影面面投影面积 2828 就就车辆形形状状而而言言,车顶越越有有棱棱角角,其其阻阻力力越越大大。通通过风洞洞试验研研究究认为,最最佳佳的的车体体横横断断面面形形状状应当当是是:车体体侧面面平平坦坦,且且上上下下渐内内倾(可可以以降降低低升升力力)、顶部部稍稍圆、车顶与与车体体侧面面拐拐角角处完完全全修修圆(可可以以降降低力矩低力矩)。2929二、二、动车组头型型设计 对于于高高速速动车组来来说,列列车头型型设计非非常常重重要要,好好的的头型型设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,列列车交交会会压力力波波和和解解决好运行决好运行稳定性等定性等问题。30301.头型型设计的
18、基本要求的基本要求(1)阻力系数阻力系数 一一些些高高速速铁路路发展展比比较早早的的国国家家,通通过试验研研究究和和理理论计算算,明明确确提提出出了了各各自自的的列列车阻阻力力系数指系数指标。在在“德德国国联邦邦铁路路城城间特特快快列列车ICE技技术任任务书”中中规定:定:列列车前端的前端的驱动头车空气阻力系数空气阻力系数C0.17;列列车末端的末端的驱动头车空气阻力系数空气阻力系数C0.19。3131 (2)头型系数(型系数(长细比)比)长细比比,即即车头前前端端鼻鼻形形部部位位长度度与与车头后部后部车身断面半径之比。身断面半径之比。头、尾尾车阻阻力力系系数数与与流流线化化头部部长细比比直直
19、接接有有关关,高高速速列列车头部部的的长细比比一一般般要要求求达达到到3左右或者更大,如左右或者更大,如图所示:所示:323233332.动车组头部流部流线化化设计 头部部纵向向对称称面面上上的的外外形形轮廓廓线,要要满足足司司机机室室净空空高高、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。在在此此基基础上上,尽尽可可能能降降低低该轮廓廓线的的垂垂向向高高度度,使使头部部趋于于扁扁形形,这样可可以以减减小小压力力冲冲击波波,并并改改善善尾尾部部涡流流影影响响。同同时,将将端端部部鼻鼻锥部部分分设计成成椭圆形形状状,可可以以减减少少列列车运行运行时的空气阻力,如的空
20、气阻力,如图所示。所示。3434(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 3535头车外形比较头车外形比较3636 在在设计俯俯视图最最大大轮廓廓线形形时,首首先先要要满足足司司机机室室的的宽度度要要求求,然然后后再再将将鼻鼻锥部部分分设计为带锥度度的的椭圆形形状状。这样既既有有利利于于减减小小列列车交交会会压力力波波和和改改善善尾尾部部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到有利于降低空气阻力的椭球面形状。球面形状。此此外外还应设计凹凹槽槽形形的的导流流板板,将将气气流流引引向向车头两两侧。3737 在在主主型型线设计
21、完完成成后后,还要要做做到到头部部外外形形与与车身身外外形形严格格相相切切;头部部外外形形中中,任任意意选取取的的两两曲曲面面之之间也也要要严格格相相切切,以以保保证头部部外外形形的的光光滑滑性性,这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列车交会交会压力波幅力波幅值。3838三、三、动车组车身外型身外型设计 动车组车身横断面形状身横断面形状设计有以下特点:有以下特点:1.整整个个车身身断断面面呈呈鼓鼓形形,即即车顶为圆弧弧形形,侧墙下下部部向向内内倾斜斜(5o左左右右)并并以以圆弧弧过渡渡到到底底架架,侧墙上上部部向向内内倾斜斜(3o左左右右)并并以以圆弧弧过渡到渡到车顶。39
22、39 下下图为德德国国ICE动车组车身身断断面面形形状状。这不不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解解列列车交交会会压力波及横向阻力、力波及横向阻力、侧滚力矩的作用。力矩的作用。4040车体断面比较车体断面比较41412.车辆底底部部形形状状对空空气气阻阻力力的的影影响响很很大大,为了了避避免免地地板板下下部部设备的的外外露露,采采用用与与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下下设备,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 运运行行带来来的的沙沙石石击打打车下下设备。42423.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
23、物物。如如侧门采采用用塞塞拉拉式式;扶扶手手为内内置置式式;脚脚蹬蹬做做成成翻翻板板式式,使使侧面关面关闭时可以包住它。可以包住它。4.两两车辆连接接处采采用用橡橡胶胶大大风挡,与与车身身保保持持平平齐,避免形成空气,避免形成空气涡流。流。4343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、一、轴重重对轮轨相互作用的影响相互作用的影响 二、二、车体体结构的构的轻量化技量化技术 三、三、车内内设备的的轻量化技量化技术 四、四、转向架向架结构构轻量化技量化技术 4444一、一、轴重重对轮轨相互作用的影响相互作用的影响 1.轴重重对轨道道损伤的影响的影响 随随着着轴重重的的增增加加
24、,钢轨承承受受轮载而而产生生的的轮轨接接触触应力力、轨头内内部部的的剪剪切切应力力、局局部部应力力和和弯弯曲曲应力力将将相相应增增加加,同同时疲疲劳荷荷载作作用用下下的的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短短了了钢轨的使用寿命。的使用寿命。4545 研究研究结果表明,果表明,钢轨头部部损伤几乎全是疲几乎全是疲劳损伤,钢轨折折损率随率随轴重的增加而增加。重的增加而增加。法国依据法国依据钢轨疲疲劳损伤统计资料的分析得料的分析得出,出,钢轨疲疲劳折折损率与率与轴载荷的荷的2.25次方成正次方成正比关系。比关系。美国美国认为与与轴载荷的荷的3.8次方成正比。次方成正比。4646
25、 接触理接触理论表明,表明,轮、轨面上的接触面上的接触应力和力和轨头内部的剪切内部的剪切应力与力与轴载荷成正比,且与荷成正比,且与车轮直径及踏面外形有关。所以减小直径及踏面外形有关。所以减小轴重可减少重可减少钢轨的的损伤和提高其使用寿命。和提高其使用寿命。日本高速列日本高速列车为动力分散式,早期的力分散式,早期的轴重重和簧下和簧下质量量较大,大,轮轨动力作用和因此力作用和因此产生的生的钢轨磨耗和破坏磨耗和破坏严重,所以日本在高速列重,所以日本在高速列车的的发展中非常重展中非常重视降低降低轴重。重。47472.高速高速对轮轨间垂向垂向动力作用的影响力作用的影响 列列车运运行行中中,如如果果存存在
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