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动车组车体技术
动车组车体技术
车体结构动力学的必要性
随着列车的运行速度提高,周围的空气的动力作用不但对列车和列车的运行性能产生影响;同时列车高速运行引起的气动现象对周围环境也产生一定的影响,这就是高速列车的空气动力学问题。而高速列车的车体外形设计与列车的空气动力学密切相关动车组所涉及的空气动力学问题主要有:动车组运行中列车的表面压力,动车组会车时列车的表面压力,动车组通过隧道时的表面压力
CRH1动车组车头
“德国联邦铁路城间特快列车—ICE技术任务书”中规定:列车前端的驱动头车空气阻力系数C=
车尾末端的驱动头车的空气阻力系数C=
增加列车的长细比会使列车的形状更尖,这样会减小空气阻力系数
型式
头部长度/m
阻力系数
0系
100系
300系
日本动车组头部长度与阻力系数
1、动车组运行中列车承受表面压力 当动车组在空旷地带直线行驶时,空气绕流列车外表面。从风洞试验结果来看,列车表面压力可以分为三个区域:头车鼻尖部位正对来流方向为正压区;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,接近与车身连接处的顶部与侧面处,负压达到最大值;头车车身、拖车和尾车车身为低负压区。 因此,在动车(头车)上布置空调装置及冷却系统进风口时,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,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。
2、动车组会车时列车承受表面压力
当一列车与另一列车会车时,将在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,将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。 随着会车列车速度的大幅度提高,会车压力波的强度将急剧增大。这一压力波动产生的冲击力可造成门窗密封的破坏,车窗玻璃破碎。压力波传入车内会引起乘客耳感不适以及影响周围环境等。
3、动车组通过隧道时列车承受表面压力
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。压力波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(又称长细比,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。
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。当列车以时速200公里行驶时,、,当列车以这样或更高的速度通过车站时,列车风对人和物的危害就不可忽视。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。铁路规定,在列车速度高于160公里/小时行驶时不允许铁路员工进入隧道。列车速度稍低时,也不允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。
5、运动列车受力
列车运行中受到多个力的作用,其中有空气阻力、升力、横向力以及纵向摆动力矩、扭摆力矩和侧滚力矩等。针对上述动车组所受空气动力,必须进行满足空气动力学特性的动车组外型设计。对于高速动车组来说,列车头型设计非常重要,好的头型设计可以有效地减少运行空气阻力、列车交会压力波,可以解决好运行稳定性等问题。