铁道机车专业教学武汉铁路黄秀川79课件

铁道机车专业教学资源库武汉铁路职业技术学院主讲：黄秀川《高速动车组技术》课程武汉铁路职业技术学院黄秀川高速动车组的技术要求目录CONTENTS01可靠性、可用性、可维修性和安全性02节能与环保03重量管理04防火安全性及材料可靠性、可用性、可维修性和安全性可靠性（Reliability）可用性（Availability）可维修性（Maintainability）安全性（Safety）中国铁路长期以来始终坚持“让人民群众满意”的根本标准，努力践行“人民铁路为人民”的宗旨；“安全优质、兴路强国”的新时期铁路精神，这是突破以往精神理念的新发展，更是指引铁路职工前进的新思路；新时期，切实为社会提供“安全、准时、快捷、高效”的运输服务是实现“安全优质、兴路强国”目标的具体体现；我国高速动车组已经成为中华民族伟大复兴的一张靓丽名片，高速动车组这一运输产品应满足下列技术要求：可靠性、可用性、可维修性和安全性1.可靠性

我国在高速列车设计中第一次把可靠性问题纳人高速列车的设计核心指标，这是因为可靠性问题曾经伤害过我国的机车车辆工业。从我国铁路大提速开始，提速和高速机车车辆的结构可靠性问题时有发生。我国在铁路提速过程中所出现的大量结构可靠性问题，对高速列车自主创新来说是前车之鉴。因此，在高速列车的设计中，可靠性应该单独作为一个设计和考核的指标。可靠性的概念产品的可靠性是产品在规定的条件下运行时，在规定的时间内保持规定功能的能力。可靠性、可用性、可维修性和安全性1.可靠性可靠性的概念有以下特征：关注故障判定故障发生的可能性，用定量的形式表达；评价故障对系统功能的影响程度。可靠性的定量衡量参数为可靠度或MTBF，是概率参数。可靠性设计和分析的主要任务可靠性表征产品故障的频繁程度和危害程度，是产品的一种固有属性，主要由设计决定，可靠性设计和分析的主要任务是降低故障发生的概率和降低故障的影响。可靠性、可用性、可维修性和安全性1.可靠性故障——不能满足规定的功能故障的种类：功能丧失功能降低故障的可恢复性软故障－没有物理损伤硬故障－有物理损伤规定功能常用故障判据逆向表达性能界限破坏极限过应力工作极限设计裕度技术规范正常工作区可靠性、可用性、可维修性和安全性2.可维修性可维修性的概念可维修性是产品在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到产品所规定状态的能力。对高速列车而言，就是在列车发生故障时容易修理和方便维护的性能。可维修性的概念具有以下特征：关注故障，是针对故障的一种活动；可维修性的定量衡量参数为：平均维修时间（MTTR，MTTM），是时间参数。可靠性、可用性、可维修性和安全性2.可维修性可维修性的属性：可维修性是表征产品预防故障和修复故障的能力，表达产品维修的难易程度，是产品设计所赋予的一种固有属性。可维修性设计和分析的主要任务：主要任务是建立以可靠性为中心的维修设计（RCM－ReliabilityCenterMaintainability），相当于容易发生故障的地方容易修复。维修类别包括：预防性维修：预防故障的维修，是计划性的，常称为维护或保养；修复性维修：处理故障的维修，是非计划性的，常称为修理或修复。可靠性、可用性、可维修性和安全性2.可维修性高速列车可维修性设计的定性要求如下：（1）良好的可达性：维修时接近维修部位的难易程度。（2）提高标准化和互换性程度：高速列车零部件的标准化、互换性和通用化是维修性的重要要求。（3）具有完善的防差错措施和识别标记。（4）保障维修安全：维修活动时应避免人员伤亡或设备损坏。（5）检验诊断准确、迅速、简便。（6）重视贵重件的可修复性。（7）减少维修内容、降低维修技术要求。可靠性、可用性、可维修性和安全性2.可维修性高速列车可维修性设计的定性要求如下：（8）符合维修人机工程要求：维修人机工程是研究维修作业人员的各种能力，如体力、感观力、耐受力、心理承受和人体尺寸等因素与机器之间的关系，以保证其持续工作的能力和维修效率。高速列车维修性设计定量要求：维修性定量指标很多，如维修度M（t）、平均修复时间MTTR、最大修复时间MTTRmax、预防维修周期MTBMpt、维修费用等。可靠性、可用性、可维修性和安全性3.可用性可用性的概念可用性是产品在任意随机时刻需要和开始执行任务时，处于可工作或可使用状态的程度；可用性的描述可用性常用可用时间占总时间的比值来描述，即：

可用性＝可用时间/（可用时间＋不可用时间）可用性是可靠性、维修性和运用保障的综合特性：可靠性越好，则可用时间越长；维修性越好，则维修时间越短，不可用时间越短；运用保障特性越好，则维修等待时间越短。可靠性、可用性、可维修性和安全性4.安全性安全性的概念安全性是指产品不发生系统危险事件（HazardEvent，也称为事故，如人员伤亡、系统损坏、重大财产损失、危害员工健康与环境等）的能力。安全性的概念具有以下特征：关注危险，铁路产品的危险包括：

——违反政府法规

——人员伤亡

——重大财产损失

——环境破坏涉及到在各种环境条件和工作条件下，在运营、维护和维修过程中发生的所有危险；故障是危险的主要来源，危险性故障是全部故障的子集。节能与环保节能与环保的概念节能是指以减少能源消耗的方式，保护资源，减少对环境的污染。节能的途径提高能源使用效率；减少能源消耗；降低传统能源的消耗量。节能与环保节能的意义节能可以带来更多的金融资本，环境质量，国家安全，人身安全和人体舒适度。节能可减少温室气体排出到大气层，让大气中的温室气体含量稳定在一个适当的水平，减少恶劣气候对人类造成伤害的机会。高速列车在节能与环保方面的主要对策列车空气动力学设计车体轻量化设计列车降噪设计等。节能与环保1.列车空气动力学设计列车空气阻力的类型：列车表面空气摩擦阻力空气压差阻力节能与环保1.列车空气动力学设计整列车的主要减阻措施：（1）高速列车两端的端车头部采用流线型，列车前端能减轻气流滞止的影响，后端能减缓涡流或改变尾流结构，从而降低头尾车的空气阻力。（2）基于列车空气摩擦阻力形成的机理，在列车外形设计时尽可能降低表面积，即可减小列车空气摩擦阻力。（3）合理设计列车头尾流线外形，包括增加流线型头部长度，合理设计流线型头部俯视形状等。节能与环保1.列车空气动力学设计整列车的主要减阻措施：（4）相邻车辆链接部位采用外风挡结构，将车体连接部分的外表面延伸使得两车体外表面间距缩小，这样可减弱气流分离及气流冲刷端墙表面的强度，以减小列车空气压差阻力。实验研究结果表明，采用外风挡结构可以使列车空气阻力降低10%左右。（5）尽可能使门窗部分与车身一致减小由门窗引起的车身表面的凹凸不平。节能与环保1.列车空气动力学设计整列车的主要减阻措施：（6）车顶受电弓部分，安装导流罩以降低受电弓的阻力。（7）安装列车底部导流罩。（8）在列车车体侧壁的下部安装适当的裙板。节能与环保2.车体轻量化设计高速列车轻量化设计的意义是高速列车的关键技术之一；减小列车质量意味着用材的减少和制造成本的下降；减小运行中的机械阻力，达到提高牵引加速能力和节能的目的；减小运行过程中轮轨相互作用，改善相关零部件的工作条件；轴重的大小反映出车体系统轻量化的水平。节能与环保2.车体轻量化设计高速列车轻量化设计必须考虑的要求（1）车体强度。为保证车辆在运行中有足够的强度，必须能承受一定的载荷工况，以符合车辆的强度设计规范。车体在运用中承受着纵向、横向、垂向、扭转和气密载荷等动态载荷的作用，这些动态载荷往往与线路条件、司机操纵和列车动力学品质和列车高速运行的气动效应相关，具有很强的随机变动特性。车体结构设计上需要考虑这些准静态及动态载荷的单独或联合作用，需校核车体结构的强度和刚度，同时要进行结构疲劳设计。节能与环保2.车体轻量化设计高速列车轻量化设计必须考虑的要求（2）车体刚度。这主要是控制车体的垂向位移和扭转角位移。（3）车体自振频率。这与车辆运行品质和安全密切相关，因此，规范中对车体最低阶自振频率及模态有一定的限制。（4）车体的耐碰撞安全防护。即要求设计一个更强的客室结构，同时在车体的非乘客区设置能量吸收区，以吸收撞击动能，保证乘客安全。（5）结构轻量化。在保证安全和使用寿命的前提下，尽量做到结构的轻量化。车体结构所占车辆自重的比例很大，因此设计时尤其应注意减轻其自重。节能与环保2.车体轻量化设计高速列车车体的轻量化措施（1）采用新材料、新工艺。高速列车车体材料早已放弃使用普通的钢质材料，耐候钢也已很少应用。近代高速列车主要采用铝合金和不锈钢材料，纤维复合增强塑料主要使用在车体头部流线型部分，同时在车体内装修中也得到愈来愈多的应用。近些年来，由于多品种异型截面和中空大截面铝合金挤压型材的发展，而使铝合金成为高速列车的主导材料。这主要是由于铝合金具有质量轻、性能好、易制造、耐腐蚀、维修费用低和外形美观等优点。节能与环保2.车体轻量化设计高速列车车体的轻量化措施（2）采用先进的结构。采用先进的车体结构，这包括外形结构，合理设计车体关键承载结构、合理分配材料，做好车体结构的拓扑优化，以减小车体质量和气动阻力；也包括车体成型结构，如骨架外壳结构、薄型材（单壳）结构和中空型材（双壳）结构等。节能与环保2.车体轻量化设计高速列车车体的轻量化措施（3）结构优化设计。高速列车的高速运行，给高速列车的车体结构设计带来了许多新课题，例如高速列车在隧道中运行或两列列车高速交会时的空气动力学载荷问题，高速列车车体采用铝合金材料而使整体刚度下降的问题等，都必须采用现代先进的设计、计算和试验方法，例如应用有限元法进行结构强度计算，利用各种虚拟方法进行各种性能的模拟和方案选择和优化，以最轻的质量获得最大的强度和刚度。节能与环保3.高速列车降噪设计①

轮轨噪点轮轨噪声发生在轮轨相互作用位置，车轮、钢轨和轨枕是轮轨噪声的主要来源，包含轮轨液动噪声、冲击噪声和曲线啸叫。影响轮轨噪声产生的主要参数有轮轨表面粗糙度、轮轨接触斑、参数激振，其他的影响参数还有车轮数量或列车编组、轮轨表面缺陷等。②

气动噪声高速列车气动噪声主要产生于列车表面装置和特殊结构的特定位置。不同位置的气动噪声，其产生机理也不相同，大致可归纳为由于气流流经结构部件表面产生的噪声和湍流流动产生的噪声两大类。（1）高速列车噪声来源节能与环保3.高速列车降噪设计③集电系统噪声高速列车集电系统在高速运行情况下会产生较剧烈的噪声，包含弓网滑动噪声、电弧噪声以及气动噪声。④高架结构噪声当高速列车在高架结构上运行时，由于列车运行激发轨道结构振动并通过高架结构各个部件（如承重梁墩台等）从地面向临近的建筑物传递，引起建筑物的墙壁、地板以及天花板振动而产生的低频噪声，称为”二次噪声”或结构噪声。⑤车内噪声车内噪声主要影响乘客和司乘人员的乘坐舒适性。（1）高速列车噪声来源节能与环保3.高速列车降噪设计①

低噪声车轮设计②

低噪声受电弓设计③

低噪声车体设计④

局部屏障⑤

声屏障（2）高速列车降噪设计重量管理1.动车组重量评价指标（1）平均轴重平均轴重等于车辆的总重（包括车体、转向架定员及水的重量）除以轴数。该指标主要反映的是车辆在前后方向的重力均衡情况，通过称重试验测量车辆在各个车轴的轴重来判断车辆在前后方向的重力平衡情况。重量管理1.动车组重量评价指标

重量管理2.动车组重量调整车辆重心位置偏移会导致车辆轮重和轴重的不平衡。如果重心横向偏移较大，将引起车体偏斜，在运行中不仅容易超过限界，还会影响动车组运行的安全性；如果重