夯实基础 (5)课件讲解

动车组车体流线型设计主要讲解内容“01运行阻力02列车空气动力学““03动车组车身外型设计一、运行阻力动车组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。研究表明速度为100km/h时，空气阻力和机械阻力各占一半速度提高到200km/h空气阻力占70％机械阻力只占30％250km/h速度平稳运行空气阻力约占列车总阻力的80～90％以上一、运行阻力1压差阻力——头部及尾部压力差所引起的阻力2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3干扰阻力——车辆的突出物所引起的阻力空气阻力主要由以下三个部分组成：一、运行阻力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

一、运行阻力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空气阻力和机械阻力各占一半速度提高到200km/h空气阻力占70％机械阻力只占30％250km/h速度平稳运行空气阻力约占列车总阻力的80～90％以上一、运行阻力新干线电车的运行阻力比较（列车长400m）

一、运行阻力1V＝100km/h时，R＝5.526KN2V＝200km/h时，R＝15.25KN法国对TGV动车的空气阻力（R）的测试结果：这说明，当速度提高1倍时，空气阻力（R）提高约2倍。

随着列车运行速度的提高，一方面周围空气的动力作用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。其涉及的主要方面如下:二、列车空气动力学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动车组通过隧道时的表面压力等二、列车空气动力学从风洞试验结果来看，列车表面压力可以分为三个区域：1.动车组运行中列车的表面压力01头车鼻尖部位正对来流方向为正压区二、列车空气动力学1.动车组运行中列车的表面压力02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03头车车身、拖车和尾车车身为低负压区二、列车空气动力学1.动车组运行中列车的表面压力

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。二、列车空气动力学2.动车组会车时列车的表面压力

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）。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。二、列车空气动力学动车组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会车压力波幅值与速度的关系曲线二、列车空气动力学动车组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会车压力波幅值与速度的关系曲线长细比γ即车头前端鼻形部位长度与车头后部车身断面半径之比二、列车空气动力学动车组会车压力波幅值大小与下列因素有关：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

为了有效地减小动车组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。二、列车空气动力学动车组会车压力波幅值大小与下列因素有关：3会车压力波幅值随会车动车组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：1160km/h时——线间距≥4.2m2200km/h时——线间距≥4.4m3250km/h时——线间距≥4.6m4300km/h时——线间距≥4.8m5350km/h时——线间距≥5.0m二、列车空气动力学动车组会车压力波幅值大小与下列因素有关：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6会车压力波的主要影响因素是通过车的速度

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)。这是因为在高、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。二、列车空气动力学3.动车组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。二、列车空气动力学3.动车组通过隧道时列车的表面压力隧道行驶时的空气力学问题隧道、地下铁道内的压力、风速变动

隧道内的压缩波和隧道出口的微气压波二、列车空气动力学3.动车组通过隧道时列车的表面压力隧道行驶时的空气力学问题

列车进入隧道时产生的压缩波以音速在隧道内传播，到达隧道出口时，其压力波中的一部分变为脉冲状压力波，辐射到隧道外，此压力波称为隧道微气压波。此微气压波在板式轨道的长大隧道内要比在短隧道内强，在道碴轨道的长大隧道内要比短隧道内弱。

降低隧道微气压波相对措施的基本原理有：设置隧道入口缓冲盖、利用斜坑·竖坑、用带缝隙的挡板连接相邻隧道等方法，这些都已经达到了实用化。

车辆方面的相对措施有：车辆断面积的缩小以及车头形状的最优化等方法。二、列车空气动力学3.动车组通过隧道时列车的表面压力隧道行驶时的空气力学问题作用于车辆的非恒定力

进入隧道前后车辆侧面产生的压力波形二、列车空气动力学3.动车组通过隧道时列车的表面压力隧道行驶时的空气力学问题

结论：隧道中央侧和隧道壁面侧的压力变动差（差压）形成了作用于车辆的横向摇摆力矩，成为左右摇摆的原因。这一作用于车辆的非恒定空气力随着列车速度的提升而变大，有相向列车通过时变得更大。

措施：目前，为解决列车在隧道内行驶时的左右摇摆问题，采用了车体间抗蛇行减震器和半主动悬挂、主动悬挂。二、列车空气动力学3.动车组通过隧道时列车的表面压力隧道内列车表面压力幅值的变动与以下因素有关：01列车速度02列车长度03堵塞系数(列车横截面积与隧道横截面积的比值)04头型系数（长细比）五个因素05列车侧面和隧道侧面的摩擦系数等二、列车空气动力学3.动车组通过隧道时列车的表面压力

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。

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。二、列车空气动力学3.动车组通过隧道时列车的表面压力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；此外还应设计凹槽形的导流板，将气流引向车头两侧；最后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。在设计俯视图最大轮廓线形时三、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：两车辆连接处采用橡胶大风挡，与车身保持平齐整个车身断面呈鼓形车辆底部采用与车身横断面形状相吻合的裙板遮住车下设备车体表面光滑平整，尽量减少突出物特点三、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（5°左右）并以圆弧过渡到底架，侧墙上部向内倾斜（3°左右）并以圆弧过渡到车顶。三、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：避免地板下部设备的外露，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。整个车身断面呈鼓形车辆底部采用与车身横断面形状相吻合的裙板遮住车下设备三、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：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。整个车身断面呈鼓形车辆底部采用与车身横断面形状相吻合的裙板遮住车下设备车体表面光滑平整，尽量减少突出物三、动车组车身外型设计