1、第四章：高速铁路客车第四章：高速铁路客车 第一节第一节 概概 述述第六节第六节 动车组动车组第二节：车体和车内设施第二节：车体和车内设施第三节：高速客车转向架第三节：高速客车转向架 摆式列车的基本原理是列车通过曲线时利用主动（或被动）车体倾摆技术推动车体绕一纵向中心线摆动，使车体向曲线内侧倾斜一定角度，部分或全部抵消列车通过曲线时车体未被平衡的离心加速度，第一节第一节 概概 述述高速客车按照车体结构方式的不同分为，一般车体和摆式车体。以改善旅客的乘坐舒适度，提高车辆通过曲线时的运行速度。要保证曲线上列车运行时旅客的舒适度和较少的养护维修工作，就必须确定合理的曲线超高参数，即实设超高、欠超高、过
2、超高的允许值。我国：等级较高的线路：hq70mm,过超高30mm 一般线路：hq90mm 既有线路上提速：hq110mm未被平衡的离心加速度与欠超高之间的关系未被平衡的离心加速度gc0.05g0.073g0.077g0.1g欠超高hq(mm)75110115.5150摆式列车在曲线上的最大速度限为：摆式列车在曲线上的最大速度限为：取取h=125mmh=125mm，h hd d=110mm=110mm曲线限速曲线限速采用摆式列车可抵消采用摆式列车可抵消70%70%的离心力，提高曲线限的离心力，提高曲线限速速30-40%,30-40%,提高旅行速度提高旅行速度15-20%15-20%。在既有线上进
3、行提速的有效手段按车体倾摆方法和倾摆原理不同分为：按车体倾摆方法和倾摆原理不同分为：被动式摆式车体（无源式或自然倾摆式摆式车体）被动式摆式车体（无源式或自然倾摆式摆式车体）车体摆心在车体重心的上方，靠车辆在通过曲线时的离心力作车体摆心在车体重心的上方，靠车辆在通过曲线时的离心力作用，使车体绕其摆心转动向内侧倾斜，摆动角一般小于用，使车体绕其摆心转动向内侧倾斜，摆动角一般小于3.5o主动式（有源式或强制式摆式车体）气动、液压、机电动主动式（有源式或强制式摆式车体）气动、液压、机电动 主动式摆式车体主动式摆式车体被动式摆式车体被动式摆式车体 通附加作用力的方式通附加作用力的方式使车体倾摆，摆动角一
4、使车体倾摆，摆动角一般在般在8 8o o1010o o，分为簧，分为簧上和簧间摆两种。上和簧间摆两种。日本滚子式倾摆机构 意大利液压倾摆头部设计为流线型造型，车体采用不锈钢板制造，每趟列车编组四到五节车厢，两个列车编组，每天广茂线上运行3个来回第六节 动车组一、动车组定义 所谓动车组就是由动力车和拖车或全部由若干动力车长期固定地连挂在一起组成的车组。动车组是当今世界高新技术的集成，采用了机械、材料、电子计算机、网络通信、工程仿真等领域的最新技术，是高速铁路的标志性装备。(1)动力集中配置 列车编组中两端（或一端是动力车，另一端是控制车）为动力车，中间为拖车。如法国的TGV和德国的ICE1高速列
5、车，如图所示。二、动车组动力配置方式(2)动力分散模式 列车编组中全部为动力车或大部分是动力车，小部分为拖车。如日本的0系高速列车和100系高速列车。三、动车组的组成（7部分）(1)车体-动车组车体分为带司机室车体带司机室车体和不带带司不带带司机室车体机室车体两种。(2)转向架-动车组转向架分动力转向架和非动力转向架。(3)连接、缓冲装置-连接缓冲装置可以实现机械连接、高压电器连接、辅助系统和列车供电连接、以及控制系统连接，包括：车钩、缓冲装置电气和空气装置。(4)制动装置-动车组常采用电气制动与空气制动的复合制动。动车组制动系统包括动力制动系统(再生制动)、空气制动系统（包括风源）、电子防滑
6、器、及基础制动装置等。(5)车辆内部设备-车辆内部设备是指服务于乘客的车内固定附属装置。如车内电气、供水、通风、取暖、空调、座席、车窗、车门、行李架、旅客信息服务系统等。(6)牵引传动系统为动车组提供牵引动力，包括：主电路、高压设备、受电弓、主断路器、其它高压设备、主变压器、牵引变流器、牵引电机、及电传动系统的保护等。(7)辅助供电系统-指除为牵引动力系统之外的所有需要用电力的负载设备提供电能的系统，包括辅助供电系统和蓄电池系统。四、动车组关键技术四、动车组关键技术1.流线型的头型与车体2.车体结构轻量化3.高性能转向架技术4.复合制动技术5.密接式车钩缓冲装置6.交流传动技术7.列车自动控制
7、及故障诊断技术8.车厢密封与集便处理9.高性能受电弓10.摆式列车技术171.头型及车体流线化 对于高速动车组来说，列车头型设计非常重要，好的头型设计的优点：减少高速动车组运行的空气阻力；减小列车交会压力波变化；保证高速动车组运行稳定等。182.车体结构轻量化 节省牵引功率；最大限度地降低高速动车组的轴重；降低高速所引起的动力作用对线路结构、机车车辆结构的损伤；提高旅客乘坐舒适度。193.高性能转向架技术 作用：用来牵引和引导车辆沿轨道行驶 承受与传递来自车体及线路的各种载荷，并缓和其动作用力 是保证列车运行品质和安全的重要部分性能要求：具有高速运行的稳定性 具有运行的平稳性 高速通过曲线的性
8、能 20 4.复合制动技术 复合制动系统通常由制动控制系统、动力制动、空气制动(包括盘形制动和踏面制动)系统、微机控制的防滑器和非粘着制动装置等组成。高速列车对制动系统的要求：-对制动能力的要求-舒适度要求-安全可靠性要求-控制准确要求-维修方便要求-轻量化要求21 5.密接式车钩缓冲装置 目前世界各国高速列车（如日本、德国）普遍采用密接式车钩连接装置，该装置两车钩连接面的纵向间隙一般都小于2mm，上下、左右偏移也很小，对提高列车的运行平稳性和电气线路、风管的自动对接提供了保证。226.交流传动技术 交直传动系统，采用直流电动机驱动；交流传动系统，采用交流牵引电动机驱动。电机整流器/逆变器/3
9、23交流电机的优点：具有结构简单、运行可靠；体积小、重量轻；功率大：交流电机没有整流子结构对电动机功率的限制，牵引功率可以得到进一步提高；造价低、维修少，使用寿命长等。24 7.列车自动控制及故障诊断技术 列车自动控制系统对高速列车安全运行的重要作用，世界各国在发展高速铁路时都十分重视列车自动控制系统的研究和开发，许多国家作为先进列车控制系统(Advanced Train Control Systems)研制了多种基础技术设备。25两大类自动控制方式：一类是以设备为主、人控为辅的控制方式，以日本新干线采用的ATC(列车自动控制)方式为代表。另一类是人机共用、人控为主的方式，以法国TGV高速列车
10、为代表，主要采用有TVM300型安全防护系统及改进的TVM430型安全防护系统。德国ICE高速列车采用的FRS速差式机车信号和LZB型双轨条交叉电缆传输式列车控制设备等。268.车厢密封与集便处理 国外高速列车的运用实践表明：没有交会列车时，首尾压力在2.52.0kPa；有交会列车时特别在隧道内会车时，首尾压力在3.2kPa5.5kPa。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，重则头晕恶心，甚至造成耳膜破裂。27 高速列车必须具备密封性能良好的给排水系统和集便处理系统。全封闭式厕所，在国外高速列车上已有很长的使用历史，大致有以下四种形式：循环式厕所（较常用）真空式厕所（较
11、常用）喷射式厕所 带有生物作用处理箱的净水冲刷厕所289.高性能受电弓 高速受电特点接触网与受电弓的波动特性；在高速运行时的空气动态力也是高速受电的一个重要因素；受电弓从接触网大功率受电问题。29 对高速动车组受电弓的要求受电弓的滑板与接触导线之间要保持恒定的接触压力。尽可能减轻受电弓运动部分的重量，以保证与接触网有可靠的电接触。在结构设计上要充分考虑空气阻力，以减小甚至消除空气制动力对滑板与接触导线间接触压力的影响。滑板的材料、形状和尺寸应适应高速时良好的接触状态及耐磨性。受电弓升降弓时，初始动作迅速，终了动作较为缓慢，以确保在降弓时快速断弧，并防止升降弓时受电弓对接触网和底架有过大的冲击载
12、荷。五、中国五、中国CRH动车组概述动车组概述2、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：一是采用新材料，二是合理优化结构设计。（1）车体轻量化材料 耐候钢车体 不锈钢车体 铝合金车体(2)铝合金车体的三种结构: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 大型中空挤压铝型材与开口型材的混合结构 一、动车组一、动车组车内环境的车内环境的构成构成动车组的车内环境动车组的车内环境由多方面因素共同作用而构成。包由多方面因素共同作用而构成。包括：括：车内空气环境车内空气环境、车内声环境车内声环境、以及、以及车内光环境车内光环境。车内空气环境车内空气环境主要由主要由热环境热环境
13、、湿环境湿环境和和空气品质空气品质等部等部分构成。分构成。热环境热环境好坏由好坏由空气温度空气温度的高低来判定；的高低来判定；湿环境湿环境的优劣由空气的的优劣由空气的干湿度干湿度来表征；来表征；空气品质空气品质则由则由新风新风(新鲜空气新鲜空气)量量的多少或的多少或空气的空气的洁净度洁净度来进行表征。来进行表征。第二节：车体和车内设施第二节：车体和车内设施我国空调客车车内空气参数我国空调客车车内空气参数空调参数空调参数控控 制制 标标 准准夏季夏季冬季冬季温度范围温度范围/oC相对湿度相对湿度/%空气流速空气流速/m/s新鲜空气量新鲜空气量/m3/h人人空气中含尘量空气中含尘量/mg/m3空气
14、中空气中CO2容积浓度容积浓度/%24 28 70 0.2520 25 1 0.1518 20 30 0.2015 20 1 0.15F 为了减少车厢为了减少车厢“热负荷热负荷”(或或“冷负荷冷负荷”)，就必须注意，就必须注意车厢的车厢的密封性和隔热性密封性和隔热性；车厢的密封性和隔热性的优劣，；车厢的密封性和隔热性的优劣，一方面会对一方面会对空调利用率空调利用率产生影响，另一方面也会对产生影响，另一方面也会对列车列车运行噪声运行噪声的大小产生影响。的大小产生影响。二二、车内环境、车内环境的的控制控制 车内环境控制车内环境控制就是根据客室内环境质量的不同要求，就是根据客室内环境质量的不同要求，
15、分别应用分别应用供暖供暖、通风通风或或空气调节空气调节技术来消除各种干扰，进技术来消除各种干扰，进而在车内建立并维持一种具有特定使用功能且能按需调控而在车内建立并维持一种具有特定使用功能且能按需调控的的“人造环境人造环境”。图图 分体式客车空调系统布置图分体式客车空调系统布置图1-通风机通风机；2-渐扩风道；渐扩风道；3-蒸发器蒸发器；4-水分离器；水分离器；5-电预热器电预热器；6-渐缩风渐缩风道；道；7-主风道主风道；8-回风道回风道；9-送风口送风口；10-回风口回风口；11-排风扇排风扇；12-排风口排风口；13-进风口进风口；14-滤尘器；滤尘器；15-补偿电热器补偿电热器；16-冷
16、凝器冷凝器；17-冷凝风扇；冷凝风扇；18-压压缩机缩机；19-贮液器。贮液器。顶送风的室内气流分布顶送风的室内气流分布(a)散流器平送、顶棚回风；散流器平送、顶棚回风；(b)散流器向下送风、下侧回风散流器向下送风、下侧回风工作区基本上处工作区基本上处于混合空气中于混合空气中工作区位于向下流动的气工作区位于向下流动的气流中，在向下流动的上部流中，在向下流动的上部是射流混合区。这种流型是射流混合区。这种流型的通风效率和换气效率较的通风效率和换气效率较高，主要用于有较高净化高，主要用于有较高净化要求的场合。要求的场合。合理的气流组织合理的气流组织下部送风的室内气流分布下部送风的室内气流分布工作区内
17、的气流近似工作区内的气流近似于单向流；换气效率于单向流；换气效率较高；既节省冷量，较高；既节省冷量，又有较高的室内空气又有较高的室内空气品质。品质。合理的气流组织合理的气流组织 CRH2动车组通风系统动车组通风系统1号车的风量分配号车的风量分配 CRH2动车组空调系统动车组空调系统圆弧底下出风式空调系统结构图圆弧底下出风式空调系统结构图1-蒸发器；蒸发器；2-电预热器；电预热器；3-通风机；通风机；4-温度传感器温度传感器 CRH2动车组换气装置动车组换气装置CRH2动车组空调系统动车组空调系统在制冷模式下，大约有在制冷模式下，大约有75以上的风量通过中间管道输送，以上的风量通过中间管道输送，
18、外侧的暖气管道输送外侧的暖气管道输送25。CRH3动车组空调系统动车组空调系统53912、车体的密封隔声性能(1)压力波对旅客舒适性的影响 5491(2)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部位堵塞，车内压力由4000Pa降至1000Pa的时间必须大于50s。欧洲高速列车曾采用压力从4000Pa降至1000Pa的时间大于50s(车辆通过台和空调设备关闭)。现 在，德 国、意 大 利 等 国 家 采 用 压 力 从3600Pa降至1350Pa的时间大于18s。5591 我国在200km/h及以上速度级列车密封设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
19、到车内压力从3600Pa降至1350Pa的时间大于18s；车体结构的密封性能要求压力从3600Pa降至1350Pa的时间须大于36s；组成后的车窗、车门、风挡应能在4000Pa的气动载荷作用下保持良好的密封性 5691（3）车体的密封技术 列车的密封需要从车体结构和部件上给以考虑。当前世界各国在高速列车上采用的密封技术主要有：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。5791采用固定式车窗，车窗的组装工艺要保证密封的可靠性和耐久性，同时保证在压力波造成的气动载荷下(我国“高速列车密封技术暂行规定”确定组成后的车窗应能承受6000Pa的气动载荷，)不会造成变形和破坏
20、。侧门采用密封性能良好的塞拉门；头、尾的端门要采用可充压缩空气的橡胶条；通过台风挡采用橡胶大风挡，并注意处理好渡板处的密封问题。5891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，在排气风道中装设带节气阀的排风机，安装压力保护通风机等，主要目的是既保证正常的通风换气又保证车内压力变化在限值之内。厕所、洗脸室的水不能采用直排式，而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措施。车辆出厂前都要通过整车气密性、水密性试验。61913、车内噪声的标准极限值车内噪声一般由以下几部分组成：车体外部传入车内的噪声，一般称之为空气声；由于各种原因导致的车体内表面结构振动，
21、特别是薄壁结构振动产生的辐射声，一般称之为结构振动噪声；各种车内设备、系统(如空调通风系统，各类管道等)，作为振源、声源所产生的噪声；上述各类噪声在车厢内部传播与反射所形成的混响声等组成。6291车内噪声的标准限值:德国铁路规定，速度为250km/h时，一等车噪 声 不 超 过 65d B(A)，二 等 车 不 超 过68dB(A)。国际铁路联盟（UIC）规定：客车车内噪声应小于65dB(A)。在隧道里，噪声可宽限5dB(A)。在过道、厕所、其噪声水平不能超过75dB(A)。63914、车内噪声控制技术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。（1）削弱噪声源发出噪声强度
22、的措施:在车轮上安装消音器和开发弹性车轮，可有效地降低轮轨噪声；车体外形设计成流线形，车体表面平整、光滑都有利于减小空气与车体的摩擦声；采用橡胶风挡，可减小撞击声；在空调系统上安装消音器，降低牵引电机风扇的噪声、驱动装置等设备的振动噪声。6491(2)提高车体隔声性能的措施采用双层墙结构，可增加隔声量45 dB(A)。所谓双层墙，就是指地板、侧墙、车顶等多层结构，在层间采用橡胶垫隔开，一方面起隔振作用，同时使声波不能通过金属螺钉（声桥）传递，有效地提高了车体的隔声性能；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，减少了声波的辐射和声波振动的传递，从而减少车内噪声；
23、6591采用双层车窗，减少从侧面传入车内的噪声；车内选用吸声效果好的高分子聚合材料；提高车体气密性的措施，同样可以起隔声作用。法国TGVA高速列车，通过各种隔声措施，速度达300km/h时客室内噪声值为66 dB(A)。5、真空集便系统组成水增压器喷嘴控制单元进口阀出口阀1、真空开关 2、集便系统控制盒 3、控制电源的连接器 4、滑动阀门 5、便池 6、便池的液位传感器7、集便管路 8、冲水喷嘴 9、水管第三节：高速客车转向架 高速转向架的发展方向主要有以下几点：高速转向架的发展方向主要有以下几点：(1)采用无摇枕结构。使结构简洁，重量轻，无磨耗，易维护。采用无摇枕结构。使结构简洁，重量轻，无
24、磨耗，易维护。(2)进行强度分析和优化，并采用新结构和新材料。实现轻量进行强度分析和优化，并采用新结构和新材料。实现轻量化，减轻转向架自重特别是簧下重量，降低轮轨冲击。例如：化，减轻转向架自重特别是簧下重量，降低轮轨冲击。例如：空心车轴、铝合金齿轮箱和轴箱。空心车轴、铝合金齿轮箱和轴箱。(3)通过动力学软件分析和相关结构试验，优化悬挂参数，实通过动力学软件分析和相关结构试验，优化悬挂参数，实现参数的非线性控制，兼顾高速稳定性和曲线通过能力。现参数的非线性控制，兼顾高速稳定性和曲线通过能力。(4)采用主动和半主动悬挂装置，提高高速列车的舒适性。采用主动和半主动悬挂装置，提高高速列车的舒适性。(5
25、)开发转向架故障自动诊断系统，实时监测转向架运行状态，开发转向架故障自动诊断系统，实时监测转向架运行状态，及时发现隐患，实现按状态检修，降低全寿命成本，保证高及时发现隐患，实现按状态检修，降低全寿命成本，保证高速运行的安全等。速运行的安全等。CRH2型动车组转向架型动车组转向架 二系悬挂 高度调整阀 构架 驱动轮对 一系悬挂 轴箱 抗蛇行减振器 盘形制动装置（基础制动装置）驱动装置 牵引电动机 横向液压减振器 横向液压减振器 二系悬挂 高度调整阀 构架 拖车轮对 盘形制动(基础制动装置)一系悬挂 轴箱 抗蛇行减振器 二、主要技术参数二、主要技术参数 转向架最大运行速度：转向架最大运行速度：25
26、0 km/h（定员最大轴重以下时）（定员最大轴重以下时）寿命：寿命：20年年 定员最大轴重：定员最大轴重：14t以下（按照乘客以下（按照乘客80 kg/人人 换算）换算）重量：重量：动力转向架动力转向架 7.5 t以下以下 拖车转向架拖车转向架 7.0 t以下以下 簧下重量：动力转向架簧下重量：动力转向架 2.0 t以下以下 拖车转向架拖车转向架 2.0 t以下以下 固定轴距：固定轴距：2500 mm 车轮直径：车轮直径：860 mm(磨耗到限磨耗到限790 mm)使用环境温度使用环境温度 -25+40 CRH1CRH1动车组由五动三拖组成，安装有十个动力转向动车组由五动三拖组成，安装有十个动
27、力转向架和六个拖车转向架，即动车和拖车分别安装动力转架和六个拖车转向架，即动车和拖车分别安装动力转向架和拖车转向架。向架和拖车转向架。CRH1(BSP)转向架转向架 1 动力转向架 2 非动力转向架CHR1动车组的转向架布置 CRH5转向架一系悬挂装置采用转向架一系悬挂装置采用拉杆轴箱定位方式，拉杆轴箱定位方式，二系悬挂系统由二系悬挂系统由上枕梁上枕梁、空气弹簧系统、抗侧滚扭杆、二、空气弹簧系统、抗侧滚扭杆、二系横向减振器、二系垂向减振器、抗蛇行减振器、防过充系横向减振器、二系垂向减振器、抗蛇行减振器、防过充装置、横向档和牵引装置等组成；传动装置由齿轮箱、装置、横向档和牵引装置等组成；传动装置
28、由齿轮箱、万万向轴向轴、安全装置和、安全装置和体悬式电机体悬式电机组成，转向架与车体间采用组成，转向架与车体间采用“Z”形双牵引装置，传递牵引力和制动力；基础制动采形双牵引装置，传递牵引力和制动力；基础制动采用轴盘制动。用轴盘制动。动力转向架与非动力转向架的主要区别是，（动力转向架与非动力转向架的主要区别是，（1）动力转向架有）动力转向架有1根动力轴和根动力轴和1根非动力轴，而非动力转向架有根非动力轴，而非动力转向架有2根非动力轴；根非动力轴；（2）动力轴上装有两个制）动力轴上装有两个制动轴盘和一组齿轮箱，非动力轴上装有三个制动轴盘；（动轴盘和一组齿轮箱，非动力轴上装有三个制动轴盘；（3）动力转向架构架）动力转向架构架比非动力转向架构架在横梁上多了一个齿轮箱拉杆座。比非动力转向架构架在横梁上多了一个齿轮箱拉杆座。动力转向架动力转向架 非动力转向架非动力转向架 思考题：思考题：1、高速动车组关键技术及发展现状；2、我国高速铁路动车组车型车型及技术演变；3、动车组转向架新技术及发展趋势；4、我国高速动车组车体及车内设备技术现状。5、摆式车体的类型与技术优势分析
