1、1 1118118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 流线形车体结构流线形车体结构 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 第三节第三节 车体的密封隔声技术车体的密封隔声技术 第四节第四节 防火安全技术防火安全技术 第五节第五节 动车组连接装置动车组连接装置 2 2118118一、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 3 3118118一、列车空气动力学一、列车空气动力学 随着列车运行速度的提高，周围空气的动力作用随着列车运行速度
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；同时，列车一方面对列车和列车运行性能产生影响；同时，列车高速运行引起的气动现象对周围环境也产生影响，这高速运行引起的气动现象对周围环境也产生影响，这就是高速列车的空气动力学问题。其涉及的主要方面就是高速列车的空气动力学问题。其涉及的主要方面如下如下: : 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；动车组通过隧道时的表面压力； 列车风；列车风； 列车空气动力学的力和力矩等。列车空气动力学的力和力矩等。4 41181181. 动车组运行
3、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 5118118(2)(2)车头部附近的高负压区：从鼻尖向上及向两车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，到接近与车侧，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；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。6 6118118 因此，在动车（头
4、车）上布置空调装置及冷却因此，在动车（头车）上布置空调装置及冷却系统进风口时，应布置在靠近鼻尖的区域内，系统进风口时，应布置在靠近鼻尖的区域内，此处正压较大，进风容易；而排风口则应布置此处正压较大，进风容易；而排风口则应布置在负压较大的顶部与侧面。在负压较大的顶部与侧面。 另外，在有侧向风作用下，列车表面压力分布另外，在有侧向风作用下，列车表面压力分布发生很大变化，尤其对车顶小圆弧部位表面压发生很大变化，尤其对车顶小圆弧部位表面压力的影响最大。当列车在曲线上运行又遇到强力的影响最大。当列车在曲线上运行又遇到强侧风时，还会影响到列车的倾覆安全性。侧风时，还会影响到列车的倾覆安全性。7 71181
5、18 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列车交会时产生的最大压力脉动值是评价列车气动外形优劣的一项指标。气动外形优劣的一项指标。 在一运行列车与另一静止不动的列车会车时，在一运行列车与另一静止不动的列车会车时，以及两列等速或不等速相对运行的列车会车时，以及两列等速或不等速相对运行的列车会车时，将在两列相对运行列车一侧的侧墙上引起压力将在两列相对运行列车一侧的侧墙上引起压力波。波。 其原因是相对运动的列车车头对空气的挤压，其原因是相对运动的列车车头对空气的挤压，在与之交会的另一列车侧壁上掠过，使列车间在与之交会的另一列车侧壁上掠过
6、，使列车间侧壁上的空气压力产生很大的波动。侧壁上的空气压力产生很大的波动。8 8118118 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，会车压力波随着会车速度的大幅度提高，会车压力波幅值将幅值将急剧增大急剧增大，如图所示。，如图所示。 左图可见，当头部左图可见，当头部长细比长细比为为2.52.5，两列，两列车以等速相对运行会车以等速相对运行会车时，速度由车时，速度由250km/h250km/h提高到提高到350km/h350km/h，压力，压力波幅值由波幅值由1015Pa1015Pa增至增至1950Pa1950Pa，
7、增大近一倍。，增大近一倍。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9 9118118 (2)(2)会车压力波幅值随着头部长细比的增大而近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。似线性地减小。 (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。 我国我国铁路主要技术政策铁路主要技术政策中规定：中规定：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；350k
8、m/h350km/h时，线间距时，线间距5.0m5.0m。1010118118 (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) )。这主要由于会。这主要由于会车压力波幅值受到通过车的速度的影响。车压力波幅值受到通过车的速度的影响。11111181183. 动车组通过隧道时的表
9、面压力动车组通过隧道时的表面压力 列车在隧道中运行时，将引起隧道内空气压力列车在隧道中运行时，将引起隧道内空气压力急剧波动，因此列车表面上各处的压力也呈快急剧波动，因此列车表面上各处的压力也呈快速大幅度变动状况，完全不同于在明线上的表速大幅度变动状况，完全不同于在明线上的表面压力分布。面压力分布。 1212118118 隧道内和隧道口气压变化隧道内和隧道口气压变化5 511kPa11kPa 车内车内压力变化压力变化要求：要求： 车内压力波动不超过车内压力波动不超过1000Pa1000Pa，气压变化率不大，气压变化率不大于于200Pa/s200Pa/s。隧道截面面积隧道截面面积普通铁路普通铁路
10、30m30m2 2高速铁路：高速铁路：日本日本 64m64m2 2德国德国 94m94m2 2法国法国 100m100m2 2中国高速铁路拟选中国高速铁路拟选 100m100m2 21313118118 动车组通过隧道时的表面压力除上述动车组通过隧道时的表面压力除上述6 6种影响种影响因素外还有以下因素外还有以下3 3方面：方面：(1) (1) 堵塞系数堵塞系数 : :单列车进入隧道时：单列车进入隧道时：与与（1.051.051.551.55）成正比。成正比。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
11、摩擦系数。列车侧面和隧道侧面的摩擦系数。1414118118(3)(3)两列车进入隧道的时差对压力变化也有很大的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幅影响，当形成波的叠加时将引起很高的压力幅值和变化率，此时车体表面的瞬时压力可在正值和变化率，此时车体表面的瞬时压力可在正负数千帕之间变化。负数千帕之间变化。15151181184. 列车风的影响列车风的影响 当列车高速行驶时，在线路附近产生空气运动，当列车高速行驶时，在线路附近产生空气运动，这就是列车风。这就是列车风。 当列车以当列车以200km/h200km/h速度行驶时，根据测量，在速度行驶时，根据测
12、量，在轨面以上轨面以上0.814m0.814m、距列车、距列车1.75m1.75m处的空气运动处的空气运动速度将达到速度将达到17m/s17m/s（61.2km/h61.2km/h，风速，风速7 7级，接近级，接近8 8级级) )，这是人站立不动能够承受的风速。，这是人站立不动能够承受的风速。1616118118 高速列车通过隧道时，所引起的纵向气流速度高速列车通过隧道时，所引起的纵向气流速度约与列车速度成正比。在隧道中列车风将使得约与列车速度成正比。在隧道中列车风将使得道旁的工人失去平衡以及将固定不牢的设备等道旁的工人失去平衡以及将固定不牢的设备等吹落在隧道中，这都是一些潜在的危险。吹落在隧
13、道中，这都是一些潜在的危险。 国外有些铁路规定，在列车速度高于国外有些铁路规定，在列车速度高于160km/h160km/h行驶时不允许铁路员工进入隧道。行驶时不允许铁路员工进入隧道。17171181185. 列车空气动力学的力和力矩列车空气动力学的力和力矩 如图所示，作用于车辆上的空气动力学的力如图所示，作用于车辆上的空气动力学的力和力矩，其中有：空气阻力、上升力、横向力，和力矩，其中有：空气阻力、上升力、横向力，以及纵向摆动力矩、扭摆力矩和侧滚力矩。下以及纵向摆动力矩、扭摆力矩和侧滚力矩。下面作一简要介绍。面作一简要介绍。1818118118(1)(1)空气阻力空气阻力 空气阻力表示为：空气
14、阻力表示为： 式中式中 CxCx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 AVCRx2211919118118 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。 这说明，当速度提高这说明，当速度提高1 1倍时，空气阻力倍时，空气阻力（R R）提高约）提高约2 2倍。倍。2020118118(2)(2)升力升力 列车所受的升力与列车速度的平方成
15、正比。列车所受的升力与列车速度的平方成正比。正升力（向上）将使轮轨的接触压力减小，由正升力（向上）将使轮轨的接触压力减小，由此将对列车的牵引性能和动力学性能产生重要此将对列车的牵引性能和动力学性能产生重要影响。影响。 2121118118(3)(3)横向力横向力 动车组运行中遇到横向风时，车辆将受到动车组运行中遇到横向风时，车辆将受到横向力和力矩的作用，当风载荷达到一定程度横向力和力矩的作用，当风载荷达到一定程度时，横向力及其侧滚力矩、扭摆力矩将影响车时，横向力及其侧滚力矩、扭摆力矩将影响车辆的倾覆安全性。辆的倾覆安全性。2222118118 就车辆形状而言，车顶越有棱角，其阻力越大。就车辆形
16、状而言，车顶越有棱角，其阻力越大。 风洞试验研究表明，风洞试验研究表明，最佳的车体横断面形状应最佳的车体横断面形状应当是车体侧面平坦，且上下渐内倾当是车体侧面平坦，且上下渐内倾( (可以降低升可以降低升力力) )、顶部稍圆、车顶与车体侧面拐角处完全修、顶部稍圆、车顶与车体侧面拐角处完全修圆圆( (可以降低力矩可以降低力矩) )。 2323118118一、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 2424118118二、动车组头型设计二、动车组头型设计 对于高速动车组来说，列车
17、头型设对于高速动车组来说，列车头型设计非常重要，好的头型设计可以有效地计非常重要，好的头型设计可以有效地减少运行空气阻力，列车交会压力波和减少运行空气阻力，列车交会压力波和解决好运行稳定性等问题。解决好运行稳定性等问题。 25251181181.1.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阻力系数和头型设计考虑的两个基本参数是阻力系数和长细比。长细比。 (1)(1)阻力系数阻力系数C C 一些高速铁路发展比较早的国家，通过试验一些高速铁路发展比较早的国家，通过试验研究和理论计算，明确提出列车阻力系数的指标。研究和理论计算，明确提出列车阻力系数的指标。德国德国ICEIC
18、E列车技术任务书中规定：列车技术任务书中规定：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。 2626118118 (2) (2)长细比长细比（头型系数）（头型系数） 长细比，即车头前端鼻形部位长度与车头长细比，即车头前端鼻形部位长度与车头后部车身断面半径之比。后部车身断面半径之比。 头、尾车阻力系数与流线化头部长细比直头、尾车阻力系数与流线化头部长细比直接有关接有关 高速列车头部的长细比一般要求达到高速列车头部的长细比一般要求达到3 3左右左右或者更大，如图所示：或者更大
19、，如图所示：272711811828281181182.2.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设计头部纵向对称面上的外形轮廓线设计 要满足司机室净空高、前窗几何尺寸、玻璃形要满足司机室净空高、前窗几何尺寸、玻璃形状、了望等状、了望等 尽可能降低该轮廓线的垂向高度，使头部趋于尽可能降低该轮廓线的垂向高度，使头部趋于扁形，这样可以减小压力波，并改善尾部涡流扁形，这样可以减小压力波，并改善尾部涡流影响影响 将端部鼻锥部分设计成椭圆形状，可以减少列将端部鼻锥部分设计成椭圆形状，可以减少列车运行时的空气阻力车运行时的空气阻力2929118118(a)(a)一
20、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 3030118118头车外形比较头车外形比较3131118118(2) (2) 俯视图最大轮廓线形设计俯视图最大轮廓线形设计 满足司机室的宽度要求满足司机室的宽度要求 将鼻锥部分设计为带锥度的椭圆形状。这样既将鼻锥部分设计为带锥度的椭圆形状。这样既有利于减小列车交会时的压力波和改善尾部涡有利于减小列车交会时的压力波和改善尾部涡流影响，又有利于降低空气阻力。流影响，又有利于降低空气阻力。 设计凹槽形的导流板，将气流引向车头两侧。设计凹槽形的导流板，将气流引向车头两侧。3232118118(3)(3)头部外形与车身外形
21、过渡头部外形与车身外形过渡 在主型线设计完成后，还要做到头部外形与车在主型线设计完成后，还要做到头部外形与车身外形严格相切身外形严格相切 头部外形中，任意选取的两曲面之间也要严格头部外形中，任意选取的两曲面之间也要严格相切，这样既可减少空气阻力，又可以降低列相切，这样既可减少空气阻力，又可以降低列车交会压力波。车交会压力波。 3333118118一、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 3434118118三、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
22、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.整个车身断面呈鼓形，即车顶为圆弧形，整个车身断面呈鼓形，即车顶为圆弧形，侧墙下部向内倾斜（侧墙下部向内倾斜（5 5o o左右）并以圆弧过渡到左右）并以圆弧过渡到底架，侧墙上部向内倾斜（底架，侧墙上部向内倾斜（3 3o o左右）并以圆弧左右）并以圆弧过渡到车顶。过渡到车顶。3535118118 下图为德国下图为德国ICEICE动车组车身断面形状。这不动车组车身断面形状。这不仅能减小空气阻力，而且有利于缓解列车交会仅能减小空气阻力，而且有利于缓解列车交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。36361181
23、18车体断面比较车体断面比较37371181182.2.车辆底部形状对空气阻力的影响很大，为了避免车辆底部形状对空气阻力的影响很大，为了避免地板下部设备的外露，采用与车身横断面形状相地板下部设备的外露，采用与车身横断面形状相吻合的裙板遮住车下设备，以减少空气阻力，也吻合的裙板遮住车下设备，以减少空气阻力，也可防止高速运行带来的沙石击打车下设备。可防止高速运行带来的沙石击打车下设备。3.3.车体表面光滑平整，尽量减少突出物。如侧门采车体表面光滑平整，尽量减少突出物。如侧门采用塞拉式；扶手为内置式；脚蹬做成翻板式，使用塞拉式；扶手为内置式；脚蹬做成翻板式，使侧面关闭时可以包住它。侧面关闭时可以包住
24、它。4.4.两车辆连接处采用橡胶大风挡，与车身保持平齐，两车辆连接处采用橡胶大风挡，与车身保持平齐，避免形成空气涡流。避免形成空气涡流。3838118118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 3939118118一、一、轴重及轮轨动态作用力的影响轴重及轮轨动态作用力的影响 1.1.轴重对轨道损伤的影响轴重对轨道损伤的影响 随着轴重的增加，钢轨承受轮载而产生的轮随着轴
25、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、局部应力轨接触应力、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随之提高，从而大大缩短了钢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。轨的使用寿命。4040118118 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
26、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。4141118118 接触理论表明：轮轨之间的接触应力和轨接触理论表明：轮轨之间的接触应力和轨头内部的剪切应力与轴载荷成正比，且与车轮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钢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钢轨的使用寿命。轨的损伤和提高钢轨的使用寿命。 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
27、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。42421181182.2.轮轨动态作用力的影响轮轨动态作用力的影响 列车运行中，如果存在车轮偏心和扁疤，列车运行中，如果存在车轮偏心和扁疤，或者遇到轨道不平顺时，将产生轮轨间的冲击或者遇到轨道不平顺时，将产生轮轨间的冲击载荷，这种载荷属于载荷，这种载荷属于“动态作用力动态作用力”。下图为。下图为B B0 0-B-B0 0式电力机车以式电力机车以160km/h160km/h速度进行线路试验速度进行线路试验得出的过轨接头时轮轨间总载荷的时间历程。得出的过轨接头时轮轨间总载荷的时间
28、历程。该电力机车的轴重为该电力机车的轴重为20t20t。4343118118 上图中，纵坐标为垂向总载荷与车轮静载荷之比，横上图中，纵坐标为垂向总载荷与车轮静载荷之比，横坐标为时间（坐标为时间（msms）；虚线为轮轨系统冲击响应的理）；虚线为轮轨系统冲击响应的理论计算值，实线为实测值。由图可见，在这个冲击过论计算值，实线为实测值。由图可见，在这个冲击过程中，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。4444118118 P1 P1力出现在轮轨冲击后的瞬时（约力出现在轮轨冲击后的瞬时（约0.30.30.4ms0.4ms），频率为），频率为500Hz500Hz10
29、00Hz1000Hz，称之为高频，称之为高频力，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力的高频瞬时冲击作用很快被钢轨及轨力的高频瞬时冲击作用很快被钢轨及轨道的惯性反作用力抵消，很快衰减，来不及向道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上和向下传播，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，容易发重。它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生钢轨剥离等接触疲劳；对车轮产生剧烈的冲击作用，导致车轮扁疤等。击作用，导致车轮扁疤等。4545118118 P2 P2力出现在轮轨冲击
30、力出现在轮轨冲击2ms2ms以后，持续时间较以后，持续时间较长，频率为长，频率为20Hz20Hz100Hz100Hz，称之为中频力，其，称之为中频力，其值为车轮静载的值为车轮静载的2.52.53.53.5倍。倍。 P2P2力可直接向钢轨以下和车轮以上传递，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、严重者引起造成轨枕破裂、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，特别是降低滚动轴承的疲劳寿命，在这种脉冲式别是降低滚动轴承的疲劳寿命，在这种脉冲式激扰下，构架的动应力也将增大。激扰下，构架的动应力也将增大。 4646
31、118118 上图为各种车速下的轮轨冲击力响应。从图中可上图为各种车速下的轮轨冲击力响应。从图中可以看出，以看出，P1P1力和力和P2P2力随行车速度的提高而增大，当速力随行车速度的提高而增大，当速度由度由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力增力增加加0.80.8倍。倍。 012 3 4 5 6 7 8 9 105004003002001000V=250km/hV=200km/hV=160km/hV=120km/hV=80km/hV=40km/h时间 t(ms)轮轨力 P (kN)P1P247471181183.3
32、.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
33、为14.2t14.2t，TGVTGV因拖车采用铰接式因拖车采用铰接式转向架，其平均轴重相对高一些，为转向架，其平均轴重相对高一些，为16t16t。 4848118118(2) (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 国际铁路联盟国际铁路联盟(UIC)(UIC)在在“高速列车技术条件高速列车技术条件”中对轴重有明确规定：允许的静态轴重为中对轴重有明确规定：允许的静态轴重为17t17t，新建线路和新建线路和300km/h300km/h速度运行时，每个轮子作速度运行时，每个轮子作用在正常维护线路钢轨上的静态和动态力之和用在正常维护线路钢轨上的静态和动态力之和不得超过不得
34、超过170KN170KN。 表表2-12-1列出了各国高速列车列出了各国高速列车轴重比较。表轴重比较。表2-22-2列出了若干典型高速机车和列出了若干典型高速机车和动车的簧下质量。动车的簧下质量。4949118118表表2-1 2-1 动车组最大轴重和平均轴重动车组最大轴重和平均轴重50501181185151118118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 5252
35、118118二、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。 53531181181.1.车体轻量化材料与结构车体轻量化材料与结构(1)(1)轻量化材料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(2)(2)铝合金车体的三种结构铝合金车体的三种结构: :大
36、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5454118118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航空骨架式铝合采用航空骨架式铝合金车体结构金车体结构德国德国ICEICE铝合金车体断面铝合金车体断面555511811856561181182.2.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
37、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，车客车，也采用耐候钢制造，车体钢结构自重为体钢结构自重为13.113.113.2t 13.2t 5757118118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 5858118118三、车内设备的轻量化技术三、车内设备的轻量化技术 车内设备材料，首先应满足功能要求和防车内设备
38、材料，首先应满足功能要求和防火阻燃要求，装饰板应反映时代感，车内设备火阻燃要求，装饰板应反映时代感，车内设备约占客车总重量的约占客车总重量的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、卫生设备等等，均可选用轻合金或高分子工程卫生设备等等，均可选用轻合金或高分子工程材料和复合材料，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。5959118118 仅座椅一项，日本采用铝钢合制或全铝制双仅座椅一项，日本采用铝钢合制或全铝制双人座椅，其重量由原钢制的人座椅，其重量由原钢制的56kg56kg分
39、别降为分别降为32kg32kg和和24kg24kg。 聚碳酸脂（聚碳酸脂（PCPC）板材作为透明车窗材料，重量）板材作为透明车窗材料，重量约为同厚度玻璃的约为同厚度玻璃的1/151/15，而且透光、耐压、耐，而且透光、耐压、耐冲击均较普通玻璃好，能方便地制作车辆通长冲击均较普通玻璃好，能方便地制作车辆通长的车窗。的车窗。2.2.车内装饰板材广泛采用薄膜铝合金墙板，工程车内装饰板材广泛采用薄膜铝合金墙板，工程塑料顶板等。塑料顶板等。60601181183.3.其它设备的轻量化其它设备的轻量化 如日本如日本100100系采用直流牵引电机，每台重量为系采用直流牵引电机，每台重量为825kg(825k
40、g(功率为功率为230kw)230kw)，而，而300300系采用交流感应电系采用交流感应电机后，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)。 德国（德国（ICE3ICE3）的主变压器铁芯采用优质铁铝）的主变压器铁芯采用优质铁铝合金，使导磁率提高合金，使导磁率提高4 45 5倍，又将铜编线改为铝倍，又将铜编线改为铝编线，冷却使用硅油，这样其总重由编线，冷却使用硅油，这样其总重由11.511.5吨降为吨降为7 7吨等等。吨等等。6161118118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
41、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 6262118118四、转向架结构轻量化技术四、转向架结构轻量化技术 降低转向架自重是高速转向架技术开发的降低转向架自重是高速转向架技术开发的一个重要方面，它对改善车辆振动性能和减小一个重要方面，它对改善车辆振动性能和减小轮轨之间的动力作用均具有显著效果。轮轨之间的动力作用均具有显著效果。国外高国外高速转向架轻量化的主要措施之一是采用无摇枕速转向架轻量化的主要措施之一是采用无摇枕结构，此外还有很多轻量化措施：结构，此外还有很多
42、轻量化措施：63631181181 1构架结构轻量化。采用焊接构架可比铸钢结构架结构轻量化。采用焊接构架可比铸钢结构减重构减重5050左右。左右。2 2轮对轻量化。采用空心车轴和小直径车轮；轮对轻量化。采用空心车轴和小直径车轮；采用采用S S形薄辐板车轮。形薄辐板车轮。 德国德国MBBMBB公司研制了玻璃钢（公司研制了玻璃钢（FRPFRP）轮心，）轮心，车轮由钢质车箍、车轮由钢质车箍、FRPFRP轮心和钢质轮毂三部分轮心和钢质轮毂三部分组成，其簧下质量至少降低了组成，其簧下质量至少降低了2020（100Kg100Kg左左右）；采用双排圆锥滚子轴承，同时承受径右）；采用双排圆锥滚子轴承，同时承受
43、径向和轴向载荷，其重量只有向和轴向载荷，其重量只有40Kg40Kg，约为日本，约为日本新干线原用轴承重量的一半。新干线原用轴承重量的一半。64641181183 3轴箱和齿轮箱采用铝合金制作。铝合金轴箱轴箱和齿轮箱采用铝合金制作。铝合金轴箱的重量只有原来的的重量只有原来的4040左右，齿轮箱亦减到左右，齿轮箱亦减到原来的原来的5656。 通过对车体结构、转向架结构、车内设通过对车体结构、转向架结构、车内设备及其它设备从选材和结构优化设计上采取备及其它设备从选材和结构优化设计上采取措施，可使车辆自重（轴重）明显降低。措施，可使车辆自重（轴重）明显降低。65651181186666118118第三
44、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 6767118118一、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，使旅客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，重则头晕恶感到不舒服，轻者压迫耳膜，重则头晕恶心，甚至造成耳膜破裂。许多国家先后在心，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研压力波对旅客
45、舒适性的影响方面进行了研究。究。 6868118118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：列车时，头、尾车外面的气流压力变化为：头部受头部受2.5KPa2.5KPa左右的正压、尾部为左右的正压、尾部为2.0KPa2.0KPa左左右的负压；右的负压；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：速度气流测定结果：速度200km/h200km/h时，头部正压时，头部正压为为3.2KPa3.2KPa、尾部负压为、
46、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。 69691181187070118118(2) (2) 对车体密封性能的要求对车体密封性能的要求 日本高速列车密封试验，要求将车体所有开启日本高速列车密封试验，要求将车体所有开启部位堵塞，车内压力由部位堵塞，车内压力由4000Pa4000Pa降至降至1000Pa1000Pa的时的时间必须大于间必须大于50s50s。 欧洲高速列车曾采用压力从欧洲高速列车曾采用压力从4000Pa4000Pa降至降至1000Pa1000P
47、a的时间大于的时间大于50s(50s(车辆通过台和空调设备关闭车辆通过台和空调设备关闭) )。 德国、意大利等国家采用压力从德国、意大利等国家采用压力从3600Pa3600Pa降至降至1350Pa1350Pa的时间大于的时间大于18s18s。7171118118 我国在我国在200km/h200km/h及以上速度级列车密封设计及以上速度级列车密封设计及试验鉴定暂行规定及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
48、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的气动载荷作用下保持良好的密封性性 72721181182.2.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 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与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；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。
49、 列车进出隧道产生的压缩波和反射波所产生的列车进出隧道产生的压缩波和反射波所产生的噪声等。噪声等。7373118118(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技术任务书技术任务书中，对高速列车运行噪声作了技术规定：距铁中，对高速列车运行噪声作了技术规定：距铁路中心线路中心线25m25m处，当列车运行速度为处，当列车运行速度为250km/h250km/h时，时，列车通过的最大声级不得高于列车通过的最大声级不得高于88dB(A)88dB(A)；列车；列车运行速度为运行速度为280km/h280km/h时，通过
50、的最大声级不得时，通过的最大声级不得高于高于89dB(A)89dB(A)。7474118118 日本多年来投入了大量人力物力财力降低新干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。目前日本新干线距铁线铁路噪声，效果显著。目前日本新干线距铁路中心路中心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)，达到了新干线，达到了新干线环境噪声标准限值。即：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室外工业，商业区或
