（车辆工程专业论文）青藏铁路客车密封性能的设计研究.pdf

中文摘要 摘要：介绍了国外如日本、法国、德国等国家开展的车辆气密性与气密强度 方面的研究成果，以及为了减少压力波的影响，保证旅客的舒适度，车辆需要采 取空气压力密封标准。 借鉴国外研究成果和我国在2 0 0 】m l h 及以上速度级列车密封设计及试验鉴 定暂行规定中的要求，本文提出了青藏列车密封性要求。 从列车和乘客两个方面分析了影响车体密封的因素，提出了空气压力密封需 要从车辆结构和部件上给予考虑，总结了当前世界各国在高速列车上采用的主要 密封技术，提出了7 种检验列车密封性能的试验项目。 分析了青藏列车的结构特点，根据列车的实际情况设计了青藏列车的车门、 车窗以及车厢连接部位的结构。针对上述3 个主要部位，设计了密封结构并提出 了工艺要求。其中车门的密封采用充压密封形式，或填充物密封带与充压密封带 相结合的形式；车窗按照破损安全设计准则，观察窗玻璃组合件设计成两块玻璃 的组合方式；列车车厢间采用风琴式密封。 关键词：车辆气密性；青藏列车；密封技术；密封形式。 分类号； a b s t r a c t a b s l r i 认c t m 仃o d u t l l e 咖d yr c 刚t 西伽la i 唧fc 印a ：b i l i t yo fp 弘s e n g e r 们i n a n da i n i g l l t 蜘l g t l l i ns 唧e 锄商萨c o 州髂舳c h 髂j a p a i l f 瑚锄d g 锄锄y t 0m d u c et h ei i l f l u 胁c eo fp r 铭s u w a v e 龇dm a k es i t h ep 舔s g c r sc o m f o n ，也e 由m i nn c e dt a k et h es t 柚d a r df o ra i ：r p r o o f p r 器s u l e a r i l i n g 也es t u d yr e 娜no fo t l l e f c o u n t r i 器撒l dt l l er e q u i r 岱i n p r 0 v i s i o n a l r 9 弘l a t i o n s o n 2 0 0 k m h a n d a b o v e s p e e d 妇i i l s e a ld e s i 铲a n d o n i d 虹丘c a t i o n l h t ， w eg e tt h e q u i r 黜t so f s e a lf o rt r a i ni nq i n g l l a i - t i b e tr a i l w a y a n a l y z e 也es 饥l c t l l r a lc h a m c t e r i s t i 龉o f 仃a i ni nq i n 曲a i - 1 i b c tr a i l w a y ，a c c o r d i l l g t 0 也ea c t l l a ls i t u a t i o no f 仃a i ni nq i n g h a j t i b c tr a i l w a y ；d e s i 弘t h es p e c i a ld o 吣， w i l l d o w s 龇ds 讯l c 眦o f c o m p 盯n l 豫1 协i 1 1c o m 忙c 曲gp a i t s s p e c i a lt ot l e s em r e ep a n s ， d e s i g nl l l ea i r p r o o f 咖l c t l l 趾dr a i s e dt l l l l o l o g i c a lf 。q u i r 廿n e n t s t h ed o o 体a 地 a i r p r o o 蜘b ya i rp 瞄s u r c0 rf i l l t l l ew i i l d o w sc 鲫l p l yw i mt l l es a 蠡螬yd e s i 弘c r i t c r i a ， o b s e r v et l l ec o m b i n es t y l eo f t w o 百鹊s 器；t h ec 硎a g eu o i 髻ms e a l a n a l y z et h cf a c l o 巧w h i c hi n n u c ct h ea i r p r o o f c a p a c i 哆，g e tt l l er e s u l tt l l a tm ea i r p r e s s u r es e a l ss h 砌db ec o n s i d 硎i l is t r i l c “l r ea n dc o m p o n 蜘瞳st 、；i ，os i d 嚣s l m l m 盎r i z e 也em a i na i r 芦o o ft e c h n o l o g yu s e di nk g h - s p e e d 慨na l la r o u n d 也ew o r l d t b e r ca r e s e v 钮t e s t st oc b e c kt l l ea i l 0 0 f c a p a c i t yo f t l l e 佩n 1 娅y w o r d s ：蛳o fc a p a c i t yo f 仃a i i i l ；仃l i ni nq m 曲a i t i b c tr a i l w a y ；a i f p r o o f t e c h l o l o g y ；s t y l eo f s e a l c l a s s n o ： 致谢 本论文是在刘志明教授的亲切关怀和悉心指导下完成的，三年来，导师渊博 的专业知识、严谨治学的科研作风，给本人留下了深刻的印象，将使本人终身受 益。对于导师在学业上的极大帮助，在此谨向导师致以深深的敬意和感激! 本人的厂方指导教师李瑞淳高工在论文的选题、研究方向、研究方法进行了 悉心的指导下，提出了很多有益的看法，在此向他表示衷心的感谢。 在攻读工程硕士学位期闻，还得到了北京交通大学机电学院孙守光教授和李 强教授的悉心指导和大力帮助，在此向他们表示衷心的感谢。 向在攻读工程硕士期间给予我关心帮助的老师和同学一并致以深深的谢意。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 最后，感谢在百忙中担任本论文评阅工作的专家、教授。 1 绪论 1 1 列车压力波与车辆密封性 以2 5 0 k i n ，l l _ - 3 5 0 h n m 的速度行驶的高速列车相当于低速飞行的民用客运飞 机，为了乘员的生命安全，保持车内的正常压力及给乘员提供舒适的旅途环境， 高速列车的车体应象民用客运飞机的客舱一样除了要满足增压舱的设计要求外还 应满足环境控制系统的要求及车厢内的噪声要求等，所以车体结构应采用气密性 的结构设计。另外，车体在生产制造的工艺性方面也应满足一定的环境技术要求 和制造安装等特殊要求。 当列车通过隧道时，空气压力要产生波动，特别是在车速较高时，乘客和机 务人员都会感到不舒服。以前，铁路部门对这个问题并未引起重视，因为隧道一 般都比较少而且短。在列车通过隧道时放慢车速即可。但是，近年来在新修的高 速铁路干线上，隧道越来越多，客车密封的问题不容忽视【阁。 行驶的客车要排开空气运动，与此同时，压力波动也就产生了。这种压力波 在空气中呈三维移动，其能量的积累以压缩的型式出现。 客车在空旷的路段行驶，乘客也能觉察到这种压力波。如果两列客车以较高 的速度相对而行，人对压力波的感觉就不仅仅是感觉到的问题，而是它的作用往 往会通过格格作响的车窗反映得特别明显。客车通过隧道时，却又是另一种现象： 在隧道里行驶的客车碰到的是隧道里形成的压力柱。因为隧道里有隧道墙壁封闭 着，空气不能轻易地给客车让路，于是便被压缩，而对于行驶的列车而言，空气 却以音速的超压力波的形式出现在列车面前。在隧道洞口处超压力波则被反射， 它到达列车端部以后就以降压波的形式出现，其时间的计算公式为： f ：上l ( s )( 1 1 ) 峰一哆 式中：i 隧道长，m ； v l 客车速度，m s ； 吃音速，砒。 列车尾部驶入隧道入口时，以音速超过客车的负压力波被解脱，同样也在隧 道洞口被反射，并以超过压力波的速度返回。在列车尾部前进的压力波与列车头 部反射回来的压力波相遇的地点，实际是这两种压力波叠加处，乘客对此会感到 不舒服。此时压力波形成的原因比较复杂，一般它与隧道的长度、列车的长度和 行车的速度有关。 两列车在隧道里相对行驶时，产生的压力波最强。最不利的情况是机械干扰 造成列车附近的压力波改变。计算这种压力波的改变要把从正面而来的和背离而 去的压力波相加。压力波的振幅与下列影响值有关： ( 1 ) 隧道的长度和横截面积； ( 2 ) 第一列列车的长度和运行速度； ( 3 ) 第二列列车的长度和运行速度； 列车通过隧道时，由于空间受到限制，它所受到的气动力和所造成的空气压 力变化与在空旷环境里相比有很大不同。列车高速通过隧道引起的空气动力效应 ( 空气瞬态压力波、空气阻力、列车风、微气压波等) 对列车运行的安全性、旅 客乘坐的舒适性、隧道支护结构、车体结构、隧道周围环境、能耗均有不良影响， 这是高速铁路隧道设计与高速列车设计中都必须解决的关键技术问题，同时也是 既有线隧道能否适应列车提速需要所必须考虑的重要问题。 试验研究表呀6 】，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 2 5 次方成正比。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，此时压力波与堵塞系数的2 1 6 o 0 6 次方成正比， 并且两列车进入隧道之间的时差对压力变化有极大的影响，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。 图1 1 是一列速度为2 0 0 l 列车和一列速度为2 5 0 虹l ，l l 列车在长2 0 6 5 m 隧 道中会车压力波的实测情况，从中可以看出最大压力波动达到近5k p a 。另外，隧 道中列车运行的气动将大大增加。对单节车辆而言，平均空气压差阻力比明线空 2 气阻力大8 0 9 0 。图1 - 2 是两列列车在隧道里相遇时有关压力改变的情况。 塞 呵 爱 坦 a 可旷 图l 一1 2 列高速客车在隧道( 长2 0 6 5 m ) 会车时的压力变化 试验速度2 0 0 l m ，对开车速度2 5 0 4 m ，曲线l ，车厢外部压力变化；曲线2 ，车厢内 部压力变化( 没挂风档连接部) ；曲线3 ，车厢内部压力变化( 挂风档连接部) 图卜2 2 列i c e 列车在隧道( 长2 0 6 5 m ) 会车时的压力变化 试验车速度为2 0 0 k m b ，对开车速度为2 5 0 k 珊h ， 实线表示车厢外部压力变化，虚线为外部压力变化 3 1 2 课题的目的、意义 青藏铁路客车是“十五”期间国家四大标志性重点工程青藏铁路的重 要技术装备，也是体现青藏铁路“高起点、高质量、高标准”深刻技术内涵的活 动窗口。因此，青藏铁路客车的开发研制的原则是要具有良好的环境适应性、技 术性能的先进性、高标准的安全可靠性。 青藏铁路客车是运用在平均海拔高度4 0 0 0 m 以上的高原地区的特殊车辆，该 线路具有高海拔路段长( 海拔高程4 0 0 0 m 以上的路长达9 6 0 l ) 、空气稀薄、缺氧、 冻土范围广( 长达5 5 啮n ) 、冻土层深( 3 5 m ) 、且有岛状冻土、紫外线照射强烈 等特点。因而对青藏铁路客车对供氧与车辆密封方面的要求极高，具体体现在： 青藏高原铁路客车的运用环境条件极为特殊，其终点站拉萨的海拔高度为 3 6 5 0 m ，大气压力仅为6 4 k p a ( 低于标准大气压3 7 k p a ) ，线路的最高点唐古拉山口 海拔高度为5 0 7 2 m ，大气压力仅为5 4 k p a ( 低于标准大气压4 7 k p a ) ，新建线路的 平均海拔高度超过4 0 0 0 m ，平均大气压力为6 1 p a ( 低于标准大气压4 0 k p a ) 。空气 中氧的含量明显减少( 气压正常时空气中氧含量约为2 7 0 2 8 0 9 ，m 3 ，而海拔5 0 0 0 m 处空气中氧含量仅为1 7 0 9 m 3 ，比平原地区少1 3 左右) ，常人在此环境下会出现高 原反应，而缺氧是造成高原反应的主要原因。在保证正常供氧的前提下，必须做 好车辆的密封。 1 3 本论文的主要工作 本论文在搜集整理国内外有关车体密封理论和技术的基础上，开展了以下研 究工作： ( 1 ) 提出符合最低人体生理要求的青藏客车密封技术参数。 ( 2 ) 对影响列车与车辆密封性的连接密封性、车辆密封性与车体穿透密封性 开展深入研究。 ( 3 ) 制定解决列车连挂密封性、车辆密封性的具体措施，完成相关结构设计。 ( 4 ) 探讨了检验列车与车辆密封性的试验方法。 4 2 国内外关于车辆密封性的研究 车辆( 体) 气密性是高速列车( 动车组) 与青藏高原铁路客车的重要技术性 能指标之一，尤其是对于青藏高原铁铁路客车，车辆( 体) 气密性水平的高低几 乎影响到了其研制的成功与否，不容忽视。准确、真实地检测车辆( 体) 气密性 能，就成为了保障高速列车与青藏高原铁路客车成功研制的重要环节。因此，需 要认真调查研究国内外在此方面开展过的工作，及已经取得的成果，加以借鉴， 建立起符合我国高速铁路客车与青藏高原铁路客车研制需要的检测手段与措施， 配齐相应的基础设施与设备。 我国目前各型客车，包括广深线1 6 0 虹妇准高速客调列车，均无气密性可言， 对气密性问题尚未进行过实质性的研究。但对青藏旅客列车以及今后研制的高速 客车的气密性问题必须给以足够重视，其气密程度应与国外高速列车的水平相当。 我们应该借鉴国外高速列车气密性试验研究的成熟经验，根据我国具体情况 进行分析研究，提出我国青藏旅客列车气密性要求。并制定相应的检验方法进行 检验，不断改善和提高列车的气密性，满足舒适性要求。 2 1 国外关于车辆密封性的研究 国外如日本、法国、德国等在高速列车的技术领先的国家很早就开展了车辆 气密性与气密强度方面的研究。其中如德国则对每个批量的i c e 高速客车进行铝 合金车体及整车的气密性例行检验。日本不但对车辆的气密性要进行检测，同时 也对车体的气密强度提出了明确的要求。 这些要求对于提高青藏高原铁路客车的气密性指标至关重要。目前，国外对 高速列车的气密性要求有两种控制方法；其一是要求车内的压力由4 0 0 0 p a 降至 1 0 0 0 p a 的时间4 0 秒：其二是按行车速度与车内外的压力变化情况计算车辆允许 的总的孔隙面积，对应于2 5 0 k m h 的速度，全车的总的孔隙面积需要3 5 c m 2 。但 是测试方法均为检测车内压力由4 0 0 0 p a 降至1 0 0 0 p a 的时间要4 0 秒，车内的最 大压力变化率2 0 0 p a s 。而对于青藏高原铁路客车的气密性要求与试验，国际上 尚无成熟的经验可以借鉴，尽管其实际要求可能要高于高速列车，目前本论文参 照高速列车执行。 5 客运飞机的气密性试验及气密性要求与列车相比较，气密性试验方法基本相 同，试验内容与程序也大同小异，而气密性要求有所不同，由于飞机飞行条件和 速度与列车大不相同，因而飞机气密性试验压力值比列车车体气密性压力值高得 多。飞机气密舱的气密试验方法有两种，其一是压降时间法，其二是泄漏量法。 这两种方与前述客车车体气密性试验方法相同。试验时采用何种方法，是由气密 性要求的内容及生产厂家的习惯未确定。 高速列车在会车时，特别是在隧道内会车时，车体表面将受到正负数千帕的 瞬时压力变化。压力波动传递到车厢内，旅客会感到不舒适，轻者压迫耳膜，重 则头晕恶心，甚至造成耳膜破裂。影响旅客舒适度的压力指标有两个：一是压力 变化的最大值，二是压力变化率的最大值。许多国家先后在压力波对旅客舒适性 的影响方面进行了研究。英国经研究于1 9 7 3 年提出暂定指标( 见表2 1 ) 。在此基 础上经压力舱试验，于1 9 7 6 年正式建立了英国铁路舒适度和安全性压力变化极限 指标( 见表2 - 2 ) 。 表2 1 英国铁路舒适性指标 压力变化k p a生理学现象 2 可忍受 3开始不舒适的平均值 4 非常不舒服 5 不舒服的上限开始有耳痛 8 很痛 9 强烈疼痛 1 3 耳膜可能有破裂 2 3几乎肯定耳膜有破裂 表2 2 英国铁路舒适性和安全压力主为化极限指标l 毋a 旅客舒适度乘坐安全性 很少发生变化( 3s 内) 35 反复发生变化( 即3 0 m i n 内 每5 1 5s 发生一次) o 4o 7 日本铁路近年来采用舒适度耳感极限图( 见图2 1 ) 来规定舒适程度。图2 一l 中以压力变化幅值为横坐标，压力变化率为纵坐标，斜线以下部分为舒适区，斜 线以上部分为非舒适区。 6 0234 压力n c p a 图2 1 舒适度耳感极限图 德国的试验研究表明，压力波对旅客舒适的影响除了取决于空气压力波变化 的幅度( p a ) 和压力上升或下降的梯度( p a s ) 之外，还取决于发生该波动的频繁 性。图2 2 中的曲线为大多数乘客“正好还没有不舒适感觉”时的压力变化与所需 时间的关系。 32468 l o1 2 时问如 图2 - 2 耳感不舒适度评定 我国目前尚未制定气压变化环境下人体舒适度标准，表2 3 为日本、德国车厢 内空气压力允许变化率标准，将来可以作为我国制定相应标准的参考依据。 表2 3 日本、德国车厢内气压变化率标准 国家标准说明 日本p t 2 0 0p 以可以放宽到p t 3 0 0p “s 德国p t 3 0 0 4 0 0p a s原定2 0 0 p a s 后放宽标准 7 1st皇、静皋斜r匿 g皋斟r坦 2 2 对车辆压力密封性的要求 由于国内以前在高速列车的密封研究方面的投入是很有限的，到现在为止， 国内仅四方车辆研究所建立过一个比较简陋的气密试验台，且还未真正进行过全 车的气密性试验。国内的铁路客车制造厂对车辆密封性的研究就更未进行过投入， 长客、四方两家工厂虽试制过2 7 0 虹地的中华之星客车，但由于试验手段简陋， 试验方法完全是一次性的，试验的结果也极为不理想( 达不到技术条件的要求： 由3 6 0 0 p a 降至1 3 5 0 p a 的时间1 8 秒) 。无法满足高原客车运用的需要。 为了减少压力波的影响，保证旅客的舒适度，车辆需要采取措施进行空气压 力密封。为此各国对高速列车都提出了自己的要求。 日本高速列车密封试验要求是将车体所有开启部位堵塞，车内压力由4 0 0 0 p a 降至1 0 0 0 p a 时间必须大于5 0 s 。 欧洲高速列车曾采用压力从4 0 0 0p a 降至l o o op a ，时间大于5 0s ( 车辆通过 台和空调设备关闭) 。现在德国，意大利等国家转而采用压力从36 0 0 p a 降至 1 3 5 0 p a ，时间大于1 8s 。 我国在2 0 0k m h 及以上速度级列车密封设计及试验鉴定暂行规定中要求： 整车落成后的密封性能要求达到车内外压力差从36 0 0 p a 降至1 3 5 0 p a 的时间 大于1 8s ；车体结构的内外压力差从36 0 0 p a 降至13 5 0 p a 的时间须大于3 6s ；组 成后的车窗、车门、风挡应能在4o o op a 的气动载荷的作用下保持良好的密封性， 对空调通风装置、供排水和卫生系统等也有一定的密封性要求。 本文建议青藏列车密封性要求为：车内的压力由4 0 0 0 p a 降至1 0 0 0 p a 的时间 4 0 秒。 2 2 1 青藏线主要车辆结构 l 、空调、密封与供氧 ( 1 ) 空调机组的功能与选型 从广义的空气调节装置的要求来讲，其功能应不仅限于制冷，而应具有调温、 调压、调湿、换气( 还要能将制氧设备制取的氧气通过送风装置送入客室) 的功 能。尤其是在青藏高原上，其最重要的功能不是调温，而是补气、调压( 增压) 与调湿。无论采用车顶单元式空调机组，还是采用分散式空调机组，都应具有上 述功能。从检修的角度来讲，车顶单元式空调机组便于在车辆段内整体吊装换修， 在方便程度和对检修人员的专业化要求方面都不是很高，无庸质疑，采用具有调 温、调压、调湿、换气功能的车顶单元式空调机组是最合适的，但现有的空调机 组肯定满足不了需要，必须重新开发具有以上功能的新机组。 ( 2 ) 车辆密封与压力控制 车辆密封应达到什么样的水平、车内的应如何压力控制，很值得商榷。在“青 藏铁路机车车辆总体技术条件”中提出了车内压力应保持高于车外压1 0 k p a 、 2 0 好a 、3 0 k p a 三个不同的等级。从国产2 0 0 h 油速度等级客车的运用情况和 2 0 0 h l h 客车的试制情况看，就是要达到保持l o l 【p a 的车内正压，也是非常困难的， 也是没有把握的。尽管如此，还是应该尽最大努力搞好车辆密封，既使是能让车 内压力高于车外7 8 k p a 也行。也可以减少由于供氧量太大而产生的能耗大，单 位体积气体内氧气浓度过大等问题。 根据2 0 0 妇沛速度等级客车与正在研制的2 7 0 h n h 高速列车的试制经验，在 影响车辆密封性的车体与登车门配合的密封性、穿透车体的各种管路的密封性、 车辆连挂密封性三个影响因素中，车体与登车门的配合的密封性是最难于控制的， 不仅对车体钢结构、门的制造精度要求极高，对它们之间的配合方式与关系要求 也极为特殊。因此，车辆密封结构设计的最关键部位就是车体与登车门之间的密 封结构，为此，一定要着力控制好车钢结构的制造精度，及其与登车门的配合关 系。 ( 3 ) 供氧 对于青藏铁路客车，供氧是必须的，在青藏新线的高海拔路段上，纵使车内 的压力能够高于车外l o k p a ，对于许多内地旅客，也脱离不了供氧的需要。但是， 补氧不是空调机组的功能，可以考虑采用分子筛式制氧机或其他形式的制氧机， 作为制氧设备，一方面通过空调系统向车内补充氧气，另一方面专为特殊体质乘 客供氧，同时为车载的氧气储藏设备灌充氧气。从而可以让车辆平时不携带与存 贮过多的氧气，提高安全性，而又能保证在必要时有足够的氧气供应。 2 、采暖 青藏铁路客车的采暖系统应该比较特殊。可以考虑采取两路供电采暖的方式， 一路采暖装置为恒定调温，另一路自动调温。一方面适应气低温、严寒的运用工 9 况，另一方面适应气温变化大的特殊运用工况。 3 、车体 从轻量化、耐腐蚀性、运用期内无检修的角度上讲，优先考虑的是不锈钢车 体或铝合金车体，比较不锈钢车体与铝合金车体，不锈钢车体有无需防腐涂装、 防雷击绝缘保护相对容易等优点，因此推荐采用不锈钢车体，并要达到以下主要 技术要求与指标： ( 1 ) 采用鼓形车体断面，要具有较低的运行阻力、良好的动态包络线，将运行 中受侧风的影响减至较低程度； ( 2 ) 车体轻量化度：1 3 5 k 咖2 ( 低合金钢车1 6 9 k g m 2 ) ， 车体钢结构自重：1 1 优( 低合金钢车1 3 2 t 1 3 8 t ) ： ( 3 ) 气密性：车内压力从3 6 0 0 p a 降至1 3 5 0 p a 的时间3 6 s 。 4 、转向架与制动系统 从尽量避免非金属元件受紫外线的影响，及青藏高原气压低、对空气簧防泄 漏要求高等方面问题的角度上讲，不妨优先考虑采用性能良好的二系簧为钢簧的 转向架，其主要性能指标要保证： 平稳性指标：w 2 5 脱轨系数：o 8 减载率：o 6 倾覆系数： o 8 轴重：1 6 5 t 无论是采用二系簧为空气簧还是钢弹簧的转向架，都要在尽可能地搞好转向 架的轻量化设计的同时，尽最大程度地减小簧下质量，以减少车辆在冻土区内对 线路的破坏作用。1 6 5 t 的轴重指标只应用来选定轴型，而真正用来考核轴重的指 标应控制在1 5 5 t 左右，甚至更低一些为好。 综合考虑青藏高原的特殊运用环境及与做为青藏铁路以外的非限定区间车， 或与非限定区间车连挂等因素，制动系统应采用以集成式电控制动机为主体的双 管制动系统。集成式电控制动机可在现有集成式f 8 或1 0 4 电控制动机的基础上改 进。改进后的制动机要保证能实现与现有干线提速客车的连挂。基础制动装置可 考虑盘形制动形式，采取每轴两盘，并加装性能优良的电子防滑器，同时考虑加 1 0 装踏面清扫器，着重解决粘着系数变化、及受低气压影响制动系统上闸速度加快 等方面的问题。 5 、给水卫生设备 青藏铁路客车的给水装置无技术难度可言，唯一注意的问题即是要注意特长 大交路的运用需要，保证足够的供水量。 青藏铁路客车的卫生排污系统颇有难度，在北大滩至安多的5 5 0 k m 长的连续 冻土区内，肯定要做到“滴水不漏”，污物用集便箱收集是无疑的，污水也要用单 独的污水箱收集，且夏季空调的冷凝水也不能滴向轨道，也须收集起来，在离开 此区间后进行排放。对于水箱、污物箱、污水箱要同时采取加设电热伴热装置与 良好的防寒绝缘两种防冻措施，以适青藏高原高寒的运用环境。 6 、车辆电气系统 按初期采用内燃机车牵引的模式设计，客车的供电系统，可采用由集中发电 车供电的a c 3 8 0 v 三相四线制供电系统。但要设置大容量蓄电池组、大容量外接 电源箱与充电机、适中容量的逆变器等辅助供电设备，以保证供电系统发生故障 时，有稳妥的应急措施。 车辆电气系统设计中一个要重点考虑的问题，即是电器元件的绝缘性能。尽 管与之相关的电气产品的外绝缘强度、电气间隙、爬电距离、冲击耐受电压等因 素受高原环境影响很大，然而要在有限的车内空间中，扩展电气元件的布置空间 是难以实现的，最主要的措施应该是以提高电气元件的外绝缘强度与冲击耐受电 压等措施为主，并且所有的车辆电气元件( 包括电缆线在内) 在装车之前均应经 过高原性能试验。 7 、门、窗等车辆设备要求 对于密封性要求的车辆来讲，登车门的密封性尤为重要。尽管现今铁路提速 客车、2 0 0 h 恤速度等级客车正在试制中的2 7 0 l a i 汕客车均采用了塞拉门做为登车 门，而且其密封性也在逐步提高，但从实际运用与检验的结果来看，均达不到使 车内压力从4 0 0 0 p a 降至1 0 0 0 p a 的时间大于5 0 s 的水平，甚至达不到使车内压力从 3 6 0 0 p a 降至1 3 5 0 p a 的时间大于3 6 s 的水平，可以说满足不了青藏铁路客车的运用 需要。因此，本次应优先考虑具有双重密封结构、或充气式密封结构的高密封性 塞拉门。 车窗可以采用全密封的固定车窗，至于其他车内设备可以与内装结构结合在 一起，在充分考虑特长交路运用特点与青藏地区民俗的基础上合理协调地进行整 体设计。 8 、质量控制 青藏铁路客车，尤其是关键零部件的质量控制至关重要，且不说格拉段1 1 4 2 k m 长的新线能否设检修站，既使中途设有检修站，在小南川至塞曲连续9 6 0 b 1 长的 4 0 0 0 m 以上的高海拔地区中，对笨重的车辆的车辆零部件进行检修的难度是可想 而知的。因此，在青藏铁路客车的研制过程不仅要对其关键零部件，而且要对每 一个零部件都进行严格的质量控制，确保其可靠性、稳定性、安装牢固性、使用 安全性，将可能发生的故障减到最低程度，将维修工作量减到最小程度。 鉴于青藏铁路的情况特殊，其使用车辆的密封性必须有相应的设计。 2 3 本章小结 本章介绍了国外如日本、法国、德国等国家开展的车辆气密性与气密强度方 面的研究成果，以及为了减少压力波的影响，保证旅客的舒适度，车辆需要采取 空气压力密封标准。 借鉴国外研究成果和我国在2 0 0h n m 及以上速度级列车密封设计及试验鉴 定暂行规定中的要求，本文提出了青藏列车密封性要求。 3 影响车辆密封性的因素和解决方法 3 1 影响车辆密封性的因素 为了避免对乘客产生不舒服的影响，在列车上需要采取一些必要的措施。为 此，有必要先搞清楚，压力波对客车和乘客究竟有哪些影响。 列车车体既是司机驾驶和乘客乘坐空间的边界，又是安装和连接列车其他部 分的基础，一般由底架、侧墙、车顶和端墙等部件组成。在车体密封设计方面， 要求设计者或开发者转变和更新设计理念，研究和采纳新的设计规范和标准，用 现代设计手段和方法，实现车体的全新设计。在制造方面，要求制造企业采用新 材料、新工艺和新设备，在简化制造过程的同时，提高车体的制造质量。列车车 体的制造水平的高低，直接关系到设计目标能否达到。 采取密封措施要涉及到客车的以下组成部分：车厢、车窗、车门( 脚蹬门) 、 车辆连接部、端墙门、空调设备、厕所设备。 1 、关于青藏高原的环境条件，及其对客车所产生的影响可以归纳如下： ( 1 ) 海拔高程大、气压低、缺氧：青藏高原的平均高度为4 0 0 0 m 以上，藏北 高原平均高度为5 0 0 0 m 以上。空气稀薄、缺氧，青藏铁路新线沿线平均气压为5 8 0 i n b 缸，藏北高原的平均气压为5 4 9i n b a r ，空气含氧量仅为1 6 6 鲈n 3 ，为海平面处的 5 9 ，易对人引起头痛、反应迟钝、心率加快、晕眩等高原反应。 ( 2 ) 气温低、温差大：青藏高原的年平均气温为2 6 ，在0 以下，一月 份的气温在2 0 以下，七月份的平均气温为8 1 2 。极端最低温度3 6 - 4 5 ， 极端最高温度2 5 。一日之中最大温差可达2 2 。 ( 3 ) 大风日多、风力强、暴风雪多、气候多变、相对湿度低、紫外线照射强 烈：青藏铁路新线沿线年平均大风日数1 1 5 1 6 0 天，最大风速达2 0 2 8 l i l ，s ，平均 雷暴日数6 8 8 2 天，时常还伴有风吹雪与滚地雷等特殊气候现象，最大积雪厚度 1 4 4 0 n 皿；年平均降水量2 6 0 4 3 0 n 1 l ，年平均蒸发量1 3 3 啦! 7 6 0 i i m ，平均相对 湿度不高，为5 0 左右。另外，紫外线照射强烈，年太阳总辐射量约为内地的 1 1 2 一1 4 6 左右。 ( 4 ) 高原冻土范围广：在青藏铁路新线上北起北大滩，南至安多，约有5 5 0 m 长连续多年的冻土区，冻土深度约为3 5 m 。 ( 5 ) 生态环境脆弱：人烟稀少，植被稀疏，从青海格尔木至西藏那曲城北， 约8 0 0 k m 罕有人烟，格尔木至纳赤台为荒漠。植被稀疏，遭破坏后，难以恢复。 ( 6 ) 自然环境保护情况特殊：青藏铁路新线经过可可西里和羌塘两个国家级 自然保护区和三江源、林周澎波黑颈鹤、拉萨拉鲁湿地三个省级自然保护区。特 别是新线经过长江、黄河、努江的源头区，对其下游的生态环境有很大的影响。 2 、交路影响 ( 1 ) 特长大交路：青藏铁路新线的站距大，途中可提供给养的站距很长，检 修的站距更长，甚至途中可能不设检修站。 ( 2 ) 救援困难：一旦列车中途抛锚，即出现“机破”，很难在短时间内实施 救援。 3 、青藏高原的恶劣气候条件对客车产生的特殊要求，可以归纳如下： ( 1 ) 要求车辆的空调系统，在外气压力、温度、相对湿度较低，且气候多变 的条件下，能够正常调节车内的压力、温度、湿度，还要具有补气、增压功能。 ( 2 ) 要求车辆具有良好的密封性：由于外气压力很低、多变，即使采用了具 有良好的特殊功能的空调机组，如不对车辆采取严格密封措施。也难以保持客室 内的正压与氧气供应。从某种程度上讲，其对车辆的密封性要求比现有2 0 0 虹汕 动车组客车还要高一些。至少要达到2 7 0 虹儿高速列车的水平。 ( 3 ) 要求车辆设置能够制取氧气的设备，以向车内提供必备的氧气，为特殊 体质虚弱的人输送氧气。 ( 4 ) 要求车辆具有良好隔热性能与采暖措施，由于严寒与气温多变，车辆不 仅需有良好的隔热保温性，其采暖装置还应具有随每日气温的迅速变化，自动调 节采暖温度的性能。 ( 5 ) 要求转向架、密封风挡及车外电气连接元件中的外露橡胶件，非金属件 有良好的抗紫外线照射、防老化的性能。 ( 6 ) 要求车辆达到较高的轻量化水平，以保证由于受环境影响的有限机车功 率，牵引列车达到预定的速度目标。 ( 7 ) 要求电气元器件在恶劣的气候环境条件下达到正常的稳定性。 根据以上三种特殊要求，对青藏线的车门、车窗、车体连接部的设计有具体 的要求。 1 4 j e 塞銮适太堂童些亟堂焦监塞毖夔奎援蜜塾丝鲍固塞塑鲣迭直洼 3 1 1 列车 在列车的外部，压力波将影响以下两种情况： ( 1 ) 列车车厢变形( 见图3 1 ) ，同时引起车厢容积及其内压力的改变。在现 在商业化运营的客车上，由于外部压力改变造成车厢变形，而引起内部压力改变 大约为l o 。 ( 2 ) 由于许多地方漏气，所以内部压力过一段时间以后，很快就与外部压力 平衡。 这两种效应即使在最好的客车上也无法避免。事实上，任何列车都做不到绝 对的密封。 列车密封的概念，只能借助于密封性常熟来评论。如果列车内外压力接近平 衡，指数函数的形式也接近，那么曲线上升，内、外压力差几乎成正比( 见图3 - 2 ) 。 t 为密封性常数，其公式为： 刀 弘j 赢 ( 3 - 1 ) 式中：卸内、外压力差； 咖出内部压力梯度。 列车准静态的t 值可以非常简单的测出： f 弘面而 ( 3 - 2 ) 式中：卜时间； 卸。开始时的压力差； 卸：终了时的压力差。 根据图3 - 2 ，p 1 和p 2 选择的比例关系是指数常熟萨1 ，在l n ( p l p 2 ) = l = 1 时，用( p l p 2 ) 表示下降，即t = t 。 如果列车没有封闭，它的漏气性由多处没密封的漏气处组成。这样，就可以 把列车每个漏气处，或者说，列车的列车各个组成部分分别列为t 值( 这与车厢 的容积有关) ，把这许多t 值相加： 上：三+ 三+ o ( 3 3 ) 一= 一+ 一+ + 一 l j 。j ， 名敷弓 乃 从公式( 3 - 3 ) 中可以求得列车没封闭部分的密封性。如果组成部分l 的密封 性1l = 5 0 s ，而组成部分2 的密封性12 = 5 s ，那么，根据公式( 3 - 3 ) 计算，可得 1 5 出t - 量是4 5 5 s 。如果修改t l 为1 0 0 ，1 t 是4 7 6 s ：如果修改。2 为1 0 0 ，1 且 t 是4 8 3 s 。列车密封性能的提高，应该从还没封闭的组成开始。 图3 1外部压力作用造成的客车车厢变形 图3 - 2 压力分布图 3 1 2 乘客 ， 人的耳朵能够记录声波，即使是空气压力很小，波动甚微，人的耳朵也感受 得到。通过隧道产生的压力波动，哪怕是频率很小，甚至超过人的适应范围之外， 也会造成耳朵有不舒适感。 为了研究压力的改变与人的舒适感之间的关系，慕尼黑联邦铁路中央局 ( b z a ) 做过多次实验，用人分别在声室里和在新修建的铁路干线上列车行驶时 做实验，两者进行对比。这些实验表明，人对压力波动的忍受能力并没有严格的、 1 6 固定不变的界限。 设备对乘客起不良影响的主要因素与下列情况有关： ( 1 ) 压力波动的高低，p a ； ( 2 ) 压力上升或下降的梯度，p a s 1 ； ( 3 ) 这些效应的频率。 压力波动高低与压力上升或下降的梯度之间的关系可以这样来确定：压力改 变越大，它的一阶导数就越小( 见图3 - 3 ) 。 图3 3 旅客对压力变化率适应曲线图 间隔一定时间( 例如每小时一次) ，超过一定的数值，一般乘客也不会抱怨的； 如果超过这些数值的频率加快，那么乘客肯定会表示不满的。 3 1 3 德国联邦铁路对车厢密封性的要求 在高速铁路上运营的客车，在最不利的情况下是在隧道里会车。要求计算出 隧道里会车时的压力差，不得超出规定的范围6 0 0 0 p a ，这个范围对车和人都不 会有损害。达到这个规定要求应该没问题。 要求客车的密封性达到以上要求，开始时相当困难。b z a 在开始做实验设计 密封客车时，并非凭空设想，他们当时就得知，日本铁路的经验是压力改变超过 1 0 0 0 p a 、压力变化梯度超过2 0 0 p 以时，乘客就会感到不舒服。所以，德国联邦铁 1 7 路从一开始就要求客车生产厂家，在行驶状态下一定要超过日本的水平。但是， 在实践中发现，不可能用每辆车( 德国联邦铁路要验收的车) 都去做隧道会车实 验。实际上，后来的解决办法也很简单：用准静态密封性常数值t 值确定客车是 否达到密封性要求。 这种做法有以下两点好处： ( 1 ) 客车生产厂家不再负责客车外部的压力变化； ( 2 ) 密封性常数值t 值可以通过简单的静态压力实验来获得。另外，在维修 车辆时，还可以检查这个密封性常数值t 值。 最后用密封车做了第一批试验，并且在隧道里做了会车实验，结果表明，不 用完全照搬日本的模式也可以使压力的变化不得超过1 0 0 0 p a 、压力变化的梯度不 得超过2 0 0 p 柏。b z a 的实验也认为，德国联邦铁路没有必要要求得那么高。 要求在试运行时，提出更好得检验方法即大胆提出主观上满意的乘坐舒适度， 把客车的密封性常数值t 值定为8 s 。实验表明，在通过标准隧道( 2 k m 长) 时， 舒适度的临界值完全符合规定，即两列列车在隧道里面会车时，超过了临界值， 但是时间很短。因此规定在计算时，客车的密封性常数值t 值最低限度为8 s 。 新型车的密封性常数可以高一些。具体规定是：密封客车的密封性常数值t 值最低限度为1 0 s ( 包括车辆连接部) ；高速动车组( 1 c e ) 的会车最低限度为1 8 s 。 3 2 提高列车密封性的主要措施 根据青藏铁路的环境条件，可以确定研制青藏铁路客车，主要研究的内容及 技术关键如下： ( 1 ) 研究并开发具有适应外气压力、温度、湿度变化能力，并具有补气、增压、 调湿功能的空调机组。其中的技术关键是补气、增压与在调节温度的同时调节湿 度。 ( 2 ) 加强对车辆的密封性的控制，同时对车体结构与车门配合的密封性、穿透 密封性、连接密封性采取措施。其中的技术关键在于车体结构与登车门配合的密 封性的控制。 ( 3 ) 研究在恶劣的运用环境工况中如何确保转向架的运用品质问题。其中的技 术关键是在做好防风沙保护与抗紫外线照射的影响下，选择好二系悬挂装置的结 构与参数。 ( 4 ) 研究侧向风力对车辆倾覆性及减载率的影响，控制好车辆的安全性。其 中的技术关键是车辆断面的设计与重量调配。 ( 5 ) 研究开发抗风沙、抗暴风雪侵蚀能力强，不受紫外线照射影响，且具有良 好密封性的不锈钢车体。 ( 6 ) 研究解决外气压力低、气候多交对制动系统的影响，以及防风沙保护功能。 其中的技术关键是适应气候多变对轮轨粘着性能的影响。 ( 7 ) 研究解决电气装置在恶劣的运用环境条件的稳定性。其中的技术关键是解 决在电气产品冲击耐受电压值大幅度下降的情况下，保证其电气绝缘性能。 ( 8 ) 研究解决门、窗上的非金属密封元件的抗紫外线影响问题。 3 2 1 车体的密封性要求 密封舱的密封性要求有两个方面的内容：即水密性要求和气密性要求。 ( 1 ) 水密性要求 密封舱结构的水密性要求是防止外界雨水和冷凝水等进入密封舱内。其要求 的内容和水平应满足高速列车的环境技术要求。 ( 2 ) 气密性要求 密封舱结构的气密性要求主要是满足环境控制系统的要求，保持车厢内的正 常压力，降低车内噪音及给乘员提供舒适的旅途环境。其要求的内容和民用客运 飞机的要求相似，要求的水平应满足高速列车的具体技术要求。 3 2 2 列车密封舱的组成及密封形式 ( 1 ) 密封舱的组成 列车密封舱的组成和民用客运飞机的密封舱的组成基本相同，都是由壁板、 地板、门、窗等组成，其密封结构的形式也基本相同。 ( 2 ) 密封舱的密封形式 为保证增压密封舱具有良好的密封性，根据密封舱的组成其密封形式有机械 密封、气密带密封和密封剂密封三种。 1 9 机械密封 在气密区的紧固件( 如：铆钉、螺栓等) 均采用干涉配合连接。这种密封形 式比较简单，密封效果好，但生产制造工艺要求高，施工难。一般用于车体密封。 密封带密封 主要用于大的漏气源和活动部件的密封。这种密封形式的密封范围大且可靠， 制造安装方便，一般用于门、窗等大的活动部件与车体之间的密封。 密封剂密封 这种密封形式在民用客运飞机的结构中应用很普遍。这种形式的密封是使用 密封剂对密封结构的规定密封区域进行缝内密封和缝外密封。对不同的工作环境 及不同的结构连接形式采用的密封剂及其密封形式也不相同，这要根据具体情况 而定。在高速列车中这种形式也主要用于车体结构的密封。 空气压力密封需要从车辆结构和部件上给予考虑。当前世界各国在高速列车 上采用以下密封技术。 ( 1 ) 车体结构取消排水孔，采用连续焊缝以消除焊接气隙，对直通车下的管 路和电缆孔应采取必要的密封措施。 ( 2 ) 车窗的组装工艺要保证密封的可靠性和耐久性，同时保证在压力波造成 的气动载荷下( 我国高速列车密封技术暂行规定确定组成后的车窗应能承受 6o o op a 的气动载荷) 不会造成变形和破坏。 ( 3 ) 侧门采用密封性能良好的塞拉门，通过台风挡使密封结构和端墙门具备 密封性能。 ( 4 ) 空调环控设备设立压力控制，如在客室进排气风口安装压力保护阀，在 排气风道中装设带节气阀的排风机，安装压力保护通风机等，主要目的是既保证 正常的通风换气又保证车内压力变化在限值之内。 ( 5 ) 采用密封式集便厕所。 总之，一辆车的不密封性是由多个不密封性总合而成的。为了保证车辆总体 密封，需要提高和保证车体结构和各部件的密封性能。 3 3 密封性能试验 列车密封性能的试验项目应包括：车体金属结构的漏气检查。车体的气密性 试验，车门气密性试验，车窗气密性试验，风挡的气密性试验，空调装置的气密 性试验；整车落成后的车辆气密性试验，整车落成后的车辆水密性试验。 ( 1 ) 车体金属结构的漏气检查 在车体金属结构组焊完成后，将所有开口处进行气密