动车组概论2(车体机械)【PPT课件】
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国外研究结果表明，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。钢轨疲劳 折损率与轴载荷的2.25～3.8次方成正比关系。
25
2.速度对轮轨间垂向动力作用的影响
列车运行中，如果车轮存在偏心和扁疤，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“动态作用力”。
右图为B0-B0式轴重 为20t的电力机车，以 160km/h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。
9
4.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， 即列车风。
高速列车通过隧道时，列车风约与列车速度成 正比。列车风将使得道旁的工人失去平衡、固 定不牢的设备被吹落等，造成危险。
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。
10
5.列车空气动力学的力和力矩
23
第二节 动车组车体的轻量化设计
一、轴重对轮轨相互作用的影响 二、车体结构的轻量化技术 三、车内设备的轻量化技术 四、转向架结构轻量化技术
24
一、轴重对轮轨相互作用的影响
1.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。
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
4
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是评价列 车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， 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 波。
5
影响动车组会车压力波幅值大小的6个因素：
(1)随着会车速度的大幅度提高，会车压力波幅值 将急剧增大，如图所示。
14
(2)长细比γ（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。 高速列车头部的长细比一般要求达到3左右或
者更大。 头、尾车阻力系数与长细比γ直接有关，如图
所示：
15
16
2.动车组头部流线化设计
(1)头部纵向对称面上的外形轮廓线设计 • 在满足司机室净空高、前窗几何尺寸、玻璃形
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。
11
不同速度下的空气阻力所占比例：
– 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％；பைடு நூலகம்
– 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。
• 侧墙上部向内倾斜 （ 3o 左 右） 并 以 圆弧 过渡到车顶。
22
2.采用裙板遮挡车下设备，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。
3.车体表面光滑平整，尽量减少突出物。如采用 塞拉式侧门；扶手为内置式；脚蹬做成翻板式， 使侧门关闭时可以包住它。
4.两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。
12
第一节 流线形车体结构
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
13
二、动车组头型设计
1.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
长细比。 (1)阻力系数C
例如：德国ICE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C＝0.17； – 列车末端的驱动头车空气阻力系数C＝0.19。
状、了望等条件下，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，并改善尾部涡流影响 • 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
17
(a)一拱方案 (b)二拱方案
(c)设导流板方案
18
(2) 俯视图最大轮廓线形设计
• 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。 • 设计凹槽形的导流板，将气流引向车头两侧。
会车压力波幅值与速度的关系曲线
左图可见，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。
6
• 列车长度； • 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）； • 列车侧面和隧道侧面的摩擦系数。
19
(3)头部外形与车身外形过渡 • 头部外形中，任意选取的两曲面之间要严格相切 • 头部外形与车身外形严格相切
20
第一节 流线形车体结构
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
21
三、动车组车身外型设计
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
2
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；
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
3
（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。
第一节 流线形车体结构
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
1
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,其主要涉及以下方面:
• 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 • 动车组通过隧道时的表面压力 • 列车风的影响 • 空气动力学的力和力矩
26
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（ms）；虚线为轮－轨系统冲击响应的理论计算值， 实线为实测值。
27
P1 力 出 现 在 轮 轨 冲 击 后 的 瞬 时 （ 约 0.3 ～ 0.4ms），频率为500Hz～1000Hz，称之为 高频力，其值为车轮静载的5倍左右。
P1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。
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2.速度对轮轨间垂向动力作用的影响
列车运行中，如果车轮存在偏心和扁疤，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“动态作用力”。
右图为B0-B0式轴重 为20t的电力机车，以 160km/h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。
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4.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， 即列车风。
高速列车通过隧道时，列车风约与列车速度成 正比。列车风将使得道旁的工人失去平衡、固 定不牢的设备被吹落等，造成危险。
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。
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5.列车空气动力学的力和力矩
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第二节 动车组车体的轻量化设计
一、轴重对轮轨相互作用的影响 二、车体结构的轻量化技术 三、车内设备的轻量化技术 四、转向架结构轻量化技术
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一、轴重对轮轨相互作用的影响
1.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。
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
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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是评价列 车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， 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 波。
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影响动车组会车压力波幅值大小的6个因素：
(1)随着会车速度的大幅度提高，会车压力波幅值 将急剧增大，如图所示。
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(2)长细比γ（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。 高速列车头部的长细比一般要求达到3左右或
者更大。 头、尾车阻力系数与长细比γ直接有关，如图
所示：
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2.动车组头部流线化设计
(1)头部纵向对称面上的外形轮廓线设计 • 在满足司机室净空高、前窗几何尺寸、玻璃形
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。
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不同速度下的空气阻力所占比例：
– 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％；பைடு நூலகம்
– 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。
• 侧墙上部向内倾斜 （ 3o 左 右） 并 以 圆弧 过渡到车顶。
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2.采用裙板遮挡车下设备，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。
3.车体表面光滑平整，尽量减少突出物。如采用 塞拉式侧门；扶手为内置式；脚蹬做成翻板式， 使侧门关闭时可以包住它。
4.两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。
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第一节 流线形车体结构
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
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二、动车组头型设计
1.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
长细比。 (1)阻力系数C
例如：德国ICE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C＝0.17； – 列车末端的驱动头车空气阻力系数C＝0.19。
状、了望等条件下，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，并改善尾部涡流影响 • 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
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(a)一拱方案 (b)二拱方案
(c)设导流板方案
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(2) 俯视图最大轮廓线形设计
• 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。 • 设计凹槽形的导流板，将气流引向车头两侧。
会车压力波幅值与速度的关系曲线
左图可见，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。
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• 列车长度； • 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）； • 列车侧面和隧道侧面的摩擦系数。
19
(3)头部外形与车身外形过渡 • 头部外形中，任意选取的两曲面之间要严格相切 • 头部外形与车身外形严格相切
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第一节 流线形车体结构
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
21
三、动车组车身外型设计
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
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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；
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
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（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。
第一节 流线形车体结构
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
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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,其主要涉及以下方面:
• 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 • 动车组通过隧道时的表面压力 • 列车风的影响 • 空气动力学的力和力矩
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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（ms）；虚线为轮－轨系统冲击响应的理论计算值， 实线为实测值。
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P1 力 出 现 在 轮 轨 冲 击 后 的 瞬 时 （ 约 0.3 ～ 0.4ms），频率为500Hz～1000Hz，称之为 高频力，其值为车轮静载的5倍左右。
P1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。