02—高速列车(车体)

1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

高速列车连接装置

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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

第一节流线形车体结构

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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；（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。

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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。

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2.高速列车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。

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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

9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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(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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(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。

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(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。

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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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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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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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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。

19（1）空气阻力

减少高速列车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。高速列车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。

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空气阻力可以简略地用下面公式表示：

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

A

V C R x 22

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ρ=21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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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。

23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。