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高速动车组技术4动车组车体技术
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、拖车和尾车车身为低负压区。
因此,在动车(头车)上布臵空调装臵及冷却系 统进风口时,应布臵在靠近鼻尖的区域内,此处正压 较大,进风容易;而排风口则应布臵在负压较大的顶 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。
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:
1 2 R Cx V A 2
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。
(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。
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。
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。
(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:
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。
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)、长细比(亦称头型系数, 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。
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) ,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。
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。
主要内容 学习目标 新课讲授 本节小结
本节习题
【主要内容】
第二章 动车组车体技术
第一节 流线形车体结构
第二节
第三节
动车组车体的轻量化设计
车体的密封隔声技术
第四节
防火安全技术
第一节 流线型车体结构 一、列车空气动力学
二、动车组头型设计
三、动车组车身外型设计
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。
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。
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 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。