第4章-高速铁路车辆(3、4、5节-11级-2).ppt

高速铁路运输设备,第4章高速铁路车辆,本章主要内容,4.1高速列车概述4.2高速动车组的关键技术4.3高速动车组的车体及车内设施4.4高速动车组车端连接装置4.5高速动车组转向架4.6高速牵引传动技术4.7高速动车组制动技术4.8高速动车组运用及维修,4.3高速动车组的车体及车内设施,动车组车体是车辆上容纳旅客（乘务人员）的部分，又是安装与连接车辆其他设备和部件的基础。分为带司机室的头车车体和中间车体。作为承载结构，其构造及功能与普速客车车体相仿，但有新要求，即采用了大量新技术、新材料和新工艺。,一、优良的空气动力学性能流线形车体结构二、轻量化的车体车体结构及车内设备三、良好的隔声性能车体密封技术四、较好的防火性能车内防火设计五、良好的车内环境车内环境控制,一、优良的空气动力学性能流线形车体结构,4.3高速动车组的车体及车内设施,1、动车组运行中列车的表面压力2、动车组会车时列车的表面压力3、动车组通过隧道时列车的表面压力4、列车风5、列车空气动力学的力和力矩,在铁路车辆中，一般需要研究的各种空气力学问题主要包括以下几个方面：,当列车高速行驶时，在线路附近产生空气运动。,空气阻力,一、优良的空气动力学性能流线形车体结构,4.3高速动车组的车体及车内设施,不同列车速度下空气阻力所占的比例,空气阻力占主导地位,动车组的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和振动阻力）组成。,设计车体外形（头、身、尾，车顶、车下设备）,降低表面粗糙度和列车高度,降低空气阻力,优良的空气动力学性能,一、优良的空气动力学性能流线形车体结构,4.3高速动车组的车体及车内设施,空气阻力可以简略地用下面公式表示：式中Cx空气阻力系数空气密度v列车速度A列车横截面积,一、优良的空气动力学性能流线形车体结构,4.3高速动车组的车体及车内设施,侧向阻力可以简略地用下面公式表示：式中CD侧面阻力系数空气密度v列车速度A列车侧面投影面积,一、优良的空气动力学性能流线形车体结构,4.3高速动车组的车体及车内设施,列车良好空气动力学性能的实现主要通过车体外形的特殊设计实现的。具体表现为：（1）头尾部为细长呈流线型状；（2）列车下部均设有导流罩，且能够方便开启；（3）列车纵断面尽量采用平滑过渡方式，形状不一致时应加过渡区段；（4）列车的外表面光滑平整，无明显的突出和凹陷；（5）列车的受电弓外形具有良好的空气动力学性能。,一、优良的空气动力学性能流线形车体结构,4.3高速动车组的车体及车内设施,1、动车组头型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、玻璃形状以及瞭望等条件。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。,一、优良的空气动力学性能流线形车体结构,4.3高速动车组的车体及车内设施,一、优良的空气动力学性能流线形车体结构,4.3高速动车组的车体及车内设施,(a)扁宽形,(b)椭球形,(c)梭形,(d)钝体形,一、优良的空气动力学性能流线形车体结构,4.3高速动车组的车体及车内设施,(a)一拱方案,(b)二拱方案,(c)设导流板方案,一、优良的空气动力学性能流线形车体结构,4.3高速动车组的车体及车内设施,头车外形比较,一、优良的空气动力学性能流线形车体结构,4.3高速动车组的车体及车内设施,长客动车组的原型车(SM3型)外型,一、优良的空气动力学性能流线形车体结构,4.3高速动车组的车体及车内设施,2、动车组车身外型设计动车组车身横断面形状设计有以下特点：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。,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。,一、优良的空气动力学性能流线形车体结构,4.3高速动车组的车体及车内设施,德国ICE动车组车身断面形状,车体断面比较,长客动车组车体结构断面布置图,一、优良的空气动力学性能流线形车体结构,4.3高速动车组的车体及车内设施,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。,车体表面光滑平整，尽量减少突出物。如侧门采用塞拉式；扶手为内置式；脚蹬做成翻板式，使侧面关闭时可以包住它。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。,一、优良的空气动力学性能流线形车体结构,4.3高速动车组的车体及车内设施,100系,一、优良的空气动力学性能流线形车体结构,4.3高速动车组的车体及车内设施,空气动力学导流罩装置图,一、优良的空气动力学性能流线形车体结构二、轻量化的车体车体结构及车内设备三、良好的隔声性能车体密封技术四、较好的防火性能车内防火设计五、良好的车内环境车内环境控制,4.3高速动车组的车体及车内设施,二、轻量化的车体车体结构及车内设备,4.3高速动车组的车体及车内设施,3、途径：轻型材料合理设计,2、轻量化部件：车体结构车内设备转向架悬挂设施及其他设备,1、轻量化意义：降低轴重（减少线路损害）节约能源（减少动力能耗）缩短制动距离（减轻制动系统的负担）,二、轻量化的车体车体结构及车内设备,4.3高速动车组的车体及车内设施,4、车体轻量化材料耐候钢车体不锈钢车体铝合金车体,二、轻量化的车体车体结构及车内设备,4.3高速动车组的车体及车内设施,5、车体结构的轻量化设计世界各国的铝合金车体的三种结构:大型中空挤压铝型材焊接结构（单壳结构）采用航空骨架式铝合金车体结构大型中空挤压铝型材与开口型材的混合结构（双壳结构）,二、轻量化的车体车体结构及车内设备,4.3高速动车组的车体及车内设施,采用大型中空挤压铝型材焊接结构（单壳结构）,二、轻量化的车体车体结构及车内设备,4.3高速动车组的车体及车内设施,采用航空骨架式铝合金车体结构,二、轻量化的车体车体结构及车内设备,4.3高速动车组的车体及车内设施,双壳结构,二、轻量化的车体车体结构及车内设备,4.3高速动车组的车体及车内设施,6、车内设备的轻量化技术车内设备材料，首先应满足功能要求和防火阻燃要求，装饰板应反映时代感，车内设备约占客车总重量的20，轻量化具有重要意义。车内设备如门、窗、行李架、座椅、供水设备、卫生设备等等，均可选用轻合金或高分子工程材料和复合材料，使设备重量大大减轻。车内装饰板材广泛采用薄膜铝合金墙板，工程塑料顶板等。,一、优良的空气动力学性能流线形车体结构二、轻量化的车体车体结构及车内设备三、良好的隔声性能车体密封技术四、较好的防火性能车内防火设计五、良好的车内环境车内环境控制,4.3高速动车组的车体及车内设施,三、良好的隔声性能车体密封技术,4.3高速动车组的车体及车内设施,1、车体的密封性能：压力波对旅客舒适性的影响；车外压力的波动会反应到车厢内，使旅客感到不舒服，轻者压迫耳膜，重则头晕恶心甚至造成耳膜破裂。,2、高速列车的声源：轮轨噪声（碰撞、摩擦声）；空气沿车体表面流动产生的摩擦声和受电弓与接触网导线的摩擦声；风挡等构件的撞击声。列车进出隧道产生的压缩波和反射波所产生的噪声等。,车辆的密封质量对列车的空气动力学性能及对车内环境控制的影响很大。,4.3高速动车组的车体及车内设施,3、列车的密封需要从车体结构和部件上给以考虑。当前世界各国在高速列车上采用的密封技术主要有：车体结构的密封采用连续焊缝以消除焊接气隙；对不能施焊的部位，必须用密封胶密封；固定式车窗的密封多硫橡胶等材料，采用填充式密封以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不会造成变形和破坏。侧门密封，采用密封性能良好的塞拉门；端门密封，头、尾的端门要采用可充压缩空气的橡胶条；通过台，通过台风挡采用橡胶大风挡，并注意处理好渡板处的密封问题；空调装置密封；厕所密封。,三、良好的隔声性能车体密封技术,4.3高速动车组的车体及车内设施,为了降低车内噪声，一方面要削弱噪声源发出噪声的强度，另一方面要提高车体的隔声性能。4、削弱噪声源发出噪声强度的措施（1）在车轮上安装消音器和开发弹性车轮，可有效地降低轮轨噪声：（2）车体外形设计成流线形，车体表面平整、光滑都有利于减小空气与车体的摩擦声；（3）采用橡胶风挡，可减小撞击声；（4）在空调系统上安装消音器，降低牵引电机风扇的噪声、驱动装置等设备的振动噪声。,三、良好的隔声性能车体密封技术,4.3高速动车组的车体及车内设施,5、提高车体隔声性能的措施,（1）采用双层墙结构，可增加隔声量45dB（A）。（2）在车体金属（如地板）表面涂刷防振阻尼层，使钢结构的声频振动转化为热能消散，减少了声波的辐射和声波振动的传递，从而减少车内噪声；（3）采用双层车窗，减少从侧面传入车内的噪声；（4）车内选用吸声效果好的高分子聚合材料；（5）提高车体气密性的措施，同样可以起隔声作用。,三、良好的隔声性能车体密封技术,一、优良的空气动力学性能流线形车体结构二、轻量化的车体车体结构及车内设备三、良好的隔声性能车体密封技术四、较好的防火性能车内防火设计五、良好的车内环境车内环境控制,4.3高速动车组的车体及车内设施,四、较好的防火性能车内防火设计,4.3高速动车组的车体及车内设施,1、高速列车防火系统设计原则系统集成、预防为主、应急对策、以人为本。系统集成：防火措施按区域配套，通过列车网络构成防火系统的集成响应、信号传递和信息显示；预防为主：所有材料与器件的选用以防止不会发生火燃或防止火种蔓延为主体，将火情发生因素压到最小程度，达到预防火灾的要求；应急对策：一旦火灾发生，有严格的分级应急对策，将火灾限制在区域内，限制在低等级火警之下；以人为本：一切应急对策均以“以人为本”为出发点，防止措施的最终手段要以实现旅客的安全转移为目的。,4.3高速动车组的车体及车内设施,2、防火结构设计（1）选用耐火材料车辆使用的耐火材料，主要指阻燃、低烟、低毒的高分子材料和耐火涂料。根据车型和部位不同选择不同等级的防火、防烟毒材料。卧车包间的隔墙全部采用防火板包上，隔墙里添加阻燃材料；采用阻燃风挡。在两头端门关闭时保证10min内不致火灾蔓延至邻车。,（2）车门有自动和手动开关功能失火时能安全疏散旅客；车窗上设有应急手柄或备有应急手锤，平时手锤封在盒内，火警时操纵应急手柄打开车窗或用手锤把窗玻璃击碎。,四、较好的防火性能车内防火设计,一、优良的空气动力学性能流线形车体结构二、轻量化的车体车体结构及车内设备三、良好的隔声性能车体密封技术四、较好的防火性能车内防火设计五、良好的车内环境车内环境控制,4.3高速动车组的车体及车内设施,五、良好的车内车内环境控制,4.3高速动车组的车体及车内设施,动车组车内环境控制系统的功能是将一定量的车外新鲜空气和车内再循环空气混合后，经过过滤、冷却或加热、减湿或加湿等处理，以一定的流速送入车内，并将车内一定量的污浊空气排出车外。动车组车内环境控制系统为完成上述任务，通常由通风系统、制冷系统、供热系统、加湿系统以及自动控制系统等五大系统组成。,按所面向对象的不同，高速动车组车辆设备可分为：基本设备（车门、车窗等）；旅客生活保障设备（座椅、饮水卫生设备、空调系统）；列车行车设备（司机室、动车组车辆故障监测与诊断设备）。,五、良好的车内车内环境控制,4.3高速动车组的车体及车内设施,长客动车组一等车,长客动车组酒吧车,长客动车组普通卫生间,长客动车组残疾人卫生间,本章主要内容,4.1高速动车组概述4.2高速动车组的关键技术4.3高速动车组的车体及车内设施4.4高速动车组车端连接装置4.5高速动车组转向架4.6高速牵引传动技术4.7高速动车组制动技术4.8高速动车组运用及维修,4.4高速动车组车端连接装置,目前世界各国高速列车（如日本、德国）普遍采用密接式车钩连接装置，该装置两车钩连接面的纵向间隙一般都小于2mm，上下、左右偏移也很小，对提高列车的运行平稳性和电气线路、风管的自动对接提供了保证。,一、动车组对车钩的性能要求,1、纵向间隙要求,2、具有足够的强度和刚度。,动力集中式动车组要求车钩的压缩载荷不小于1500kN，拉伸载荷不小于1000kN。动力分散式动车组要求车钩的压缩载荷及拉伸载荷都不小于1000kN。,3、具有车钩自动连挂和分解功能。,4、具有电气和风管自动对接或手动整体连接功能。,4.4高速动车组车端连接装置,二、动车组对风挡的性能要求,风挡的空气阻力应尽量小。风挡的隔声性能要好。风挡的密封性能要好要有足够的强度。要有较好的抗弯曲性能。满足火灾、分解等其他要求。良好的阻尼特性。,4.4高速动车组车端连接装置,4.4高速动车组车端连接装置,43,三、密接式车钩及缓冲装置沙库,1、沙库密接式车钩缓冲装置包括三类：用于动车组单元之间的自动密接式车钩缓冲装置用于动车组内部各车辆之间的半永久式车钩缓冲装置用于列车（动车组）全端的可伸缩密接式车钩缓冲装置。,2、沙库车钩缓冲装置主要由以下组成钩头;电力连接器及风管连接器;含小容量缓冲器的车钩钩体;尾部橡胶缓冲器;中心调整装置;钩头电加热装置;含于钩身之中能够吸收较大冲击能量的金属压溃管等。,44,4.4高速动车组车端连接装置,45,沙库车钩缓冲装置,46,(a)待挂状态,(b)闭锁（连挂）状态,(c)解钩状态,1壳体；2钩舌；3中心轴；4钩锁连杆；15钩锁弹簧；6钩舌定位杆；7钩舌定位杆弹簧；8定位杆顶块；9定位杆顶块弹簧；l0解钩风缸。,3、沙库自动密接式车钩缓冲装置连挂原理,4.4高速动车组车端连接装置,四、密接式车钩及缓冲装置柴田1929年柴田卫氏（设计普通车钩的柴田兵卫氏之弟）提出了密接式车钩的设计方案，1931年完成了研制和现车试验，1932年开始在普通电动车上全面采用这种柴田密接式车钩。1958年，开始研制新干线用密接式车钩，对以前的密接式车钩从材质、结构、制造工艺、风管连接器等进行了多项改进，以适应新干线高速电动车组对密接式车钩的要求。,47,4.4高速动车组车端连接装置,1、柴田车钩缓冲装置的特点车钩缓冲装置由车钩、车钩尾框、橡胶缓冲器和复原装置组成，如图所示。,4.4高速动车组车端连接装置,1、柴田车钩缓冲装置的特点：车钩的纵向间隙小于1.5mm；车钩强度高、缓冲器容量低。车钩的拉伸破坏强度为1600KN，但橡胶缓冲装置的最大容量为10KJ。全部采用复型橡胶缓冲器，缓冲性能良好。由于不需要与以前的车辆连挂，根据动车组车体高度情况，车钩高度取为1000mm。,49,4.4高速动车组车端连接装置,2、复型橡胶缓冲器在1960年1978年，因橡胶缓冲装置具有结构简单、成本低、可靠性高等特点，被迅速推广至几乎所有车种上。但由于橡胶缓冲装置有一定的初压缩力，在性能上存在一定范围的缓冲盲区，给客车的舒适性带来了不利影响，常有因车辆振动惊醒乘客的情况。,4.4高速动车组车端连接装置,车钩牵引时，压缩左边的缓冲器，右边的缓冲器随着张开（因有初压缩量），并随时占满因压缩左边缓冲器出现的空间。车钩压缩时的工作原理与此相同。因此，无论是牵引还是压缩，缓冲装置中的从板均不离开从板座，既避免了从板与从板座间因出现间隙而发生冲击，又消除了缓冲盲区，大大提高了车辆的乘坐舒适性。复型橡胶缓冲器于1979年正式推广应用。,4.4高速动车组车端连接装置,2、复型橡胶缓冲器,五、我国的密接式车钩缓冲装置近些年，随着我国动车组的开发、运用，四方车辆研究所在开发北京地铁密接式车钩缓冲装置的基础上，吸收日本、欧洲密接式车钩的经验，开发了采用金属环簧缓冲器的密接式车钩缓冲装置，在“蓝箭”号、“先锋”号和“中华之星”等动车组上装用。,又经过改进，采用弹性胶泥缓冲器的密接式车钩缓冲装置已部分推广应用于25T型提速客车，明显地改善了列车纵向冲击性能，取得了较好的运用效果。虽然国产密接式车钩缓冲装置的开发时间不长，与国外的同类产品相比还存在很大差距，但也取得了一些成功经验，下面作一比较。,4.4高速动车组车端连接装置,1、与沙库车钩缓冲装置相比不足之处有：车钩破坏强度为1800kN，所传递地纵向牵引力和压缩载荷分别为1000kN和1200kN。而沙库车钩缓冲装置却能分别传递1000kN和1500kN纵向牵引和压缩载荷，压缩载荷甚至可以提高到2200kN。橡胶缓冲元件只能产生不太大的变形，只有很小的缓冲容量、较低的使用寿命。而沙库车钩缓冲装置的橡胶缓冲元件可产生高达55mm的变形位移，具有较高的缓冲容量、较长的使用寿命。用于列车（动车组）前端的可伸缩密接式车钩缓冲装置国内还是空白，对于半永久式车钩缓冲装置也缺乏深入的研究。钩缓装置在低温环境下的工作性能，包括在冰雪天气下的连挂与解钩性能需要改善。,4.4高速动车组车端连接装置,优点：钩头借鉴了日本车钩的经验，采用了圆锥形的钩头，与沙库车钩的棱锥形钩头相比，更方便制造、便于保证制造精度。车钩与缓冲器之间采取法兰型式的连接，与沙库车钩缓冲装置结构相比，更容易实现与现有车钩的兼容连接。,54,1、与沙库车钩缓冲装置相比,4.4高速动车组车端连接装置,2、与日本的车钩缓冲装置相比不足之处：无论是G1型缓冲器，还是弹性胶泥缓冲器，都做不到零初压力或很低的初压力，因此，缓和列车冲击的性能不是最理想。在安装结构上借鉴了沙库的经验，与日本的钩缓结构相比，其安装结构相对简单。,55,4.4高速动车组车端连接装置,过渡车钩中心线距轨面最高高度要求：,4.4高速动车组车端连接装置,本章主要内容,4.1高速动车组概述4.2高速动车组的关键技术4.3高速动车组的车体及车内设施4.4高速动车组车端连接装置4.5高速动车组转向架4.6高速牵引传动技术4.7高速动车组制动技术4.8高速动车组运用及维修,4.5高速动车组转向架,高稳定性高平稳性良好的曲线通过能力,一、高速列车转向架应具备的性能,安全舒适高临界速度低能耗低噪声,合理设计,4.5高速动车组转向架,二、高速列车