02—高速列车概论(车体)

第二章 高速列车车体技术
第一节 流线形车体结构 第二节 高速列车车体的轻量化设计
第三节 车体的密封隔声技术
第四节 防火安全技术
第五节 高速列车连接装臵
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第一节 流线形车体结构
一、列车空气动力学 二、高速列车头型设计 三、高速列车车身外型设计
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3.高速列车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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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(3)会车压力波幅值随会车高速列车侧墙间
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。
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二、高速列车头型设计 对于高速高速列车来说，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。
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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。
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（3）横向力 高速列车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。
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侧向阻力可以简略地用下面公式表示：
1 2 D CD V A 2
式中 CD—侧面阻力系数
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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
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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。
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2.高速列车头部流线化设计
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。
ρ—空气密度
V—列车速度
A—列车侧面投影面积
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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)。
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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；头部外形中，任意选取 的两曲面之间也要严格相切，以保证头部外形 的光滑性，这样既减少空气阻力，又可以降低 列车交会压力波幅值。
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三、高速列车车身外型设计
高速列车车身横断面形状设计有以下特点： 1. 整个车身断面呈鼓形，即车顶为圆弧形， 侧墙下部向内倾斜（ 5o左右）并以圆弧过渡到 底架，侧墙上部向内倾斜（ 3o左右）并以圆弧 过渡到车顶。
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(a)一拱方案
(b)二拱方案
(c)设导流板方案 中南大学信息院
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头车外形比较
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在设计俯视图最大轮廓线形时，首先要满 足司机室的宽度要求，然后再将鼻锥部分设计 为带锥度的椭圆形状。这样既有利于减小列车 交会压力波和改善尾部涡流影响的梭形，又兼 顾到有利于降低空气阻力的椭球面形状。 此外还应设计凹槽形的导流板，将气流引 向车头两侧。
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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。
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（2）升力
把高速列车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。
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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。
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1.高速列车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；
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。
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试验研究和计算表明，高速列车会车 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:
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会车压力波幅值与速度的关系曲线
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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。为了有效地减小高速 列车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。
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下图为德国 ICE 高速列车车身断面形状。这 不仅能减小空气阻力，而且有利于缓解列车交 会压力波及横向阻力、侧滚力矩的作用。
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车体断面比较
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2. 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。
（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；