CRH动车组车体(课堂PPT)

1.车体结构的构造原则为了的满足高速列车的运用要求，动车组的设计不同于我国现行通常客车设计。动车组的设计应该在满足铁路限界的条件下，具有良好的空气动力学性能，具有轻量化的车体结构，很好的密封性能以及安全可靠的使用寿命。我国时速为200公里速度级的动车组，在引进国外原型车的基础上，进行了适合国情并具有全新的现代意识改造。车体结构的构造原则体现在如下几个方面。动车组车体2车体钢结构：底架、侧墙、端墙和车顶等。1.1满足铁路限界要求1.2车体的轻量化设计车体结构既要满足轻量化的要求又必须保证结构的强度和刚度要求以及高寿命的安全度和可靠性要求。设计寿命达到20年以上。车体结构轻量化的实现主要是通过选用轻型的材料及合理的设计得以实现。强度刚度轻量化1.3完好的空气动力学外形动车组具有良好的空气动力学性能。列车良好空气动力学性能的实现主要通过车体外形的特殊设计实现的。具体表现为：（1）头尾部为细长流线型状；（2）列车下部均设有导流罩，且能够方便开启；（3）列车纵断面尽量采用平滑过渡方式，形状不一致时应加过渡区段；（4）列车的外表面光滑平整，无明显的突出和凹陷；（5）列车的受电弓外形具有良好的空气动力学性能。1.4严格的车辆密封要求车辆的密封质量对列车的空气动力学性能及对车内环境控制的影响很大。车辆整车落成后的密封性能应达到下列指标：（1）车辆各部不得有渗漏水的现象。（2）在关闭门窗及空调设备对外开口的情况下，车内外压力差由4000Pa降至1000Pa的时间应大于50s。（3）在车辆间的连接方式上要采用气密式风挡。车辆间的各种连接应设有防雨措施及解编时的保护措施。车辆密封的实现主要通过以下几个方面：车体结构的密封连续焊接的方式。固定车窗的密封多硫橡胶等材料，保证耐油性、耐溶剂性、耐水性、耐腐蚀性等；采用填充式密封，有好的弹性、结合性、耐气候性、抗冲击性及足够的粘接强度。移动车门的密封密封胶条实现。1.5人机工程设计CRH3型动车组司机室1stclasscoach一等座车一等座车二等座车餐车吧台区卫生间拥有VIP座席的商务车厢和观光车厢有VIP座席的京沪高铁商务车厢商务车厢的小厨房乘务员需掌握基本英语会话能力和沿途23站点人文地理知识。全力提供“陆地航班”式的高水平服务。正线全长：约1318公里时速：300公里运行时间：全程直达4小时48分左右票价：1750,935,555时速：250公里运行时间：全程直达7小时56分左右票价：650,4101.6其它方面的要求车辆设计对环境保护的要求内装选材中的防火考虑及措施车辆整车隔热系数K值的限制值列车零部件的保养、维修与换修的通用性、互换性、便利性及可靠性值便于对车体内外的机械化清洗作业2.车体结构设计的具体要求车体结构是车辆的主要承载结构。对于动车组车辆的结构设计应该满足以下要求：(1)车体承载结构采用车体全长的大型中空铝合金型材组焊而成，或采用不锈钢车体，为薄壁筒型整体承载结构。(2)车体承载结构的底架、侧墙、车顶、端墙以及设备舱组成为一个整体。(3)车头前端鼻部的开闭机构应能在司机室中操纵。(4)车体所用材料应符合环境保护和防火的要求。(5)车下安装设备应采用吊挂安装方式，保证运用安全和安装方便。(6)车下导流罩与侧墙应圆滑过渡，在限界允许的条件下距轨面的距离应尽可能小。(7)室前端下方装有排障器，排障器中央的底部能承受137kN的静压力。其距轨面高度110+10mm（在车轮踏面磨耗允许范围内可调）。(8)车底架设四个顶车位，以便将车体顶起。(9)脚蹬结构应采用可伸缩式结构，以便适应5001200mm站台高度要求。3.流线形车体结构列车空气动力学动车组头型设计动车组车身外型设计3.1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，这就是高速列车的空气动力学问题。（1）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三个区域：①头车鼻尖部位正对来流方向为正压区；②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，到接近与车身连接处的顶部与侧面，负压达最大值；③头车车身、中间车和尾车车身为低负压区。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，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。（2）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的大小是评价列车气动外形优劣的一项指标。在一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，将在静止列车和两列相对运行列车一侧的侧墙上引起压力波（压力脉冲）。这是由于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，使列车间侧壁上的空气压力产生很大的波动。试验研究和计算表明，动车组会车压力波幅值大小与下列因素有关：①随着会车速度的大幅度提高，会车压力波的强度将急剧增大，如图所示:会车压力波幅值与速度的关系曲线由上图可见，当头部长细比γ为2.5，两列车以等速相对运行会车时，速度由250km/h提高到350km/h，压力波幅值由1015Pa增至1950Pa，增大近一倍。②会车压力波幅值随着头部长细比的增大而近似线性地显著减小。为了有效地减小动车组会车引起的压力波的强度，应将动车（车头）的头部设计成细长而且呈流线型。③会车压力波幅值随会车动车组侧墙间距增大而显著减小。为了减少会车压力波及其影响，应适当增大铁路的线间距。我国《铁路主要技术政策》中规定：160km/h时，线间距≥4.2m；200km/h时，线间距≥4.4m；250km/h时，线间距≥4.6m；300km/h时，线间距≥4.8m；350km/h时，线间距≥5.0m。④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。⑤会车压力波幅值随侧墙高度增大明显减小，但减小的幅度随侧墙高度增大而逐渐减小。⑥高、中速列车会车时，中速车的压力波幅值远大于高速车(一般高1.8倍以上)。这是由于会车压力波的主要影响因素是通过车的速度，在高、中速列车会车时，中速车压力波主要受其通过车高速车速度的影响，高速车压力波主要受其通过车中速车速度的影响，所以中速车上的压力波幅值远大于高速车。（3）动车组通过隧道时列车的表面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速大幅度变动状况，完全不同于在明线上的表面压力分布。试验研究表明，压力幅值的变动与列车速度，列车长度，堵塞系数(列车横截面积与隧道横截面积的比值)、头型系数（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），以及列车侧面和隧道侧面的摩擦系数等因素有关，其中以堵塞系数和列车速度为重要的影响参数。国外有的研究报告指出:单列车进入隧道的压力变化大约与列车速度的平方成正比，与堵塞系数的1.3±0.25次方成正比例。两列车在隧道内高速会车时车体所受到的压力变化更为严重，此时压力变化与堵塞系数的2.16±0.06次方成正比。并且两列车进入隧道的时差对压力变化也有很大的影响，当形成波形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负数千帕之间变化。（4）列车风当列车高速行驶时，在线路附近产生空气运动，这就是列车风。当列车以200km/h速度行驶时，根据测量，在轨面以上0.814m、距列车1.75m处的空气运动速度将达到17m/s（61.2km/h,七级风力)，这是人站立不动能够承受的风速，当列车以这样或更高的速度通过车站时，列车风将给铁路工作人员和旅客带来危害。高速列车通过隧道时，在隧道中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。国外有些铁路规定，在列车速度高于160km/h行驶时不允许铁路员工进入隧道。列车速度稍低时，也不让员工在隧道中行走和工作，必须要在避车洞内等待列车通过。（5）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。下面作一简要介绍。①空气阻力减少动车组的空气阻力对于实现高速运行和节能都有重要意义，因此，需要对车体外形进行最优化设计，以便最大可能地降低空气阻力。动车组的运行阻力主要由空气阻力和机械阻力（即轮轨摩擦阻力、轴承等滚动部件的摩擦阻力等）组成。空气阻力可以简略地用下面公式表示：AVCRx221式中Cx—空气阻力系数；ρ—空气密度V—列车速度；A—列车横截面积空气阻力主要由以下三个部分组成：压差阻力：头部及尾部压力差所引起的阻力；摩擦阻力：由于空气的粘性而引起的、作用于车体表面的剪切应力造成的阻力；干扰阻力：车辆的突出物(如手柄、门窗、转向架、车体底架、悬挂设备、车顶设备、及车辆之间的连接风挡等)所引起的阻力。研究表明:空气阻力与速度的平方成正比，机械阻力则与速度成正比。速度为100km/h时，空气阻力和机械阻力各占一半；速度提高到200km/h时，空气阻力占70％，机械阻力只占30％；250km/h速度平稳运行时，空气阻力约占列车总阻力的80～90％以上。法国对TGV动车的空气阻力（R）的测试结果：V＝100km/h时，R＝5.526KN；V＝200km/h时，R＝15.25KN。这说明，当速度提高1倍时，空气阻力（R）提高约2倍。②升力把动车组表面的局部压力高于周围空气压力的称为正，局部压力低于周围空气压力的称为负。作为一个整体，车辆是受正的(向上的)升力还是受负的(向下的)升力，取决于车辆所有截面的表面压力累加结果是正还是负。升力也与列车速度的平方成正比。正升力将使轮轨的接触压力减小，为此将对列车的牵引和动力学性能产生重要影响。③横向力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。侧向阻力可以简略地用下面公式表示：式中CD—侧面阻力系数ρ—空气密度V—列车速度A—列车侧面投影面积AVCDD221就车辆形状而言，车顶越有棱角，其阻力越大。通过风洞试验研究认为，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(可以降低升力)、顶部稍圆、车顶与车体侧面拐角处完全修圆(可以降低力矩)。3.2动车组头型设计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。（1）头型设计的基本要求①阻力系数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，明确提出了各自的列车阻力系数指标。②头型系数（长细比）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。头、尾车阻力系数与流线化头部长细比直接有关，高速列车头部的长细比一般要求达到3左右或者更大，如图所示：0系新干线列车,1964年，220km/h100系新干线列车,1985年，230km/h500系新干线列车,1997年，300km/h300系新干线列车,1992年，270km/h流线型形状：能使流场绕三维物体外表面顺畅流动，在交界面处不产生或基本不产生流动分离现象的三维物体形状，即自然的空气流动形状。钝型形状：三维物体端面与来流方向垂直或接近于垂直，对气流有明显滞止影响，在交界面处会产生大的流动分离现象的物体形状。（2）动车组头部流线化设计头部纵向对称面上的外形轮廓线，要满足司机室净空高、前窗几何尺寸、玻璃形状，以及了望等条件。在此基础上，尽可能降低该轮廓线的垂向高度，使头部趋于扁形，这样可以减小压力冲击波，并改善尾部涡流影响。同时，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，如图所示。设导流板方案二拱方案一拱方案头车外形比较3.3动车组车身外型设计动