CRH动车组车体.ppt
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1、 1.1.车体结构的构造原则车体结构的构造原则 为了的满足高速列车的运用要求,动车组的设计不为了的满足高速列车的运用要求,动车组的设计不同于我国现行通常客车设计。动车组的设计应该在同于我国现行通常客车设计。动车组的设计应该在满满足铁路限界足铁路限界的条件下,具有的条件下,具有良好的空气动力学性能良好的空气动力学性能,具有具有轻量化的车体结构轻量化的车体结构,很好的密封性能很好的密封性能以及以及安全可安全可靠的使用寿命靠的使用寿命。我国时速为。我国时速为200200公里速度级的动车组,公里速度级的动车组,在引进国外原型车的基础上,进行了适合国情并具有在引进国外原型车的基础上,进行了适合国情并具有
2、全新的现代意识改造。车体结构的构造原则体现在如全新的现代意识改造。车体结构的构造原则体现在如下几个方面。下几个方面。动车组车体 车体体钢结构:构:底架、底架、侧墙、端、端墙和和车顶等。等。21.1 1.1 满足铁路限界要求满足铁路限界要求1.2 1.2 车体的轻量化设计车体的轻量化设计 车体结构既要满足轻量化的要求又必须保证结构车体结构既要满足轻量化的要求又必须保证结构的强度和刚度要求以及高寿命的安全度和可靠性要的强度和刚度要求以及高寿命的安全度和可靠性要求。设计寿命达到求。设计寿命达到2020年以上。年以上。车体结构轻量化的车体结构轻量化的实现主要是通过选用轻型的材实现主要是通过选用轻型的材
3、料料及及合理的设计合理的设计得以实现。得以实现。强度强度刚度度轻量化轻量化 1.3 1.3 完好的空气动力学外形完好的空气动力学外形 动车组具有良好的空气动力学性能。列车良好空动车组具有良好的空气动力学性能。列车良好空气动力学性能的实现气动力学性能的实现主要通过车体外形的特殊设计主要通过车体外形的特殊设计实现的实现的。具体表现为:具体表现为:(1 1)头尾部为细长流线型状;)头尾部为细长流线型状;(2 2)列车下部均设有导流罩,且能够方便开启;)列车下部均设有导流罩,且能够方便开启;(3 3)列车纵断面尽量采用平滑过渡方式,形状不一)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;致
4、时应加过渡区段;(4 4)列车的外表面光滑平整,无明显的突出和凹陷;)列车的外表面光滑平整,无明显的突出和凹陷;(5 5)列车的受电弓外形具有良好的空气动力学性能。)列车的受电弓外形具有良好的空气动力学性能。1.4 1.4 严格的车辆密封要求严格的车辆密封要求 车辆的密封质量对列车的空气动力学性能及对车内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。车辆整车落成后的密封性能应环境控制的影响很大。车辆整车落成后的密封性能应达到下列指标:达到下列指标:(1 1)车辆各部不得有渗漏水的现象。)车辆各部不得有渗漏水的现象。(2 2)在关闭门窗及空调设备对外开口的情况下,车内)在关闭门
5、窗及空调设备对外开口的情况下,车内外压力差由外压力差由4000Pa4000Pa降至降至1000Pa1000Pa的时间应大于的时间应大于50s50s。(3 3)在车辆间的连接方式上要采用气密式风挡。车辆)在车辆间的连接方式上要采用气密式风挡。车辆间的各种连接应设有防雨措施及解编时的保护措施。间的各种连接应设有防雨措施及解编时的保护措施。车辆密封的密封的实现主要通主要通过以下几个方面:以下几个方面:车体体结构的密封构的密封连续焊接的方式。接的方式。固定固定车窗的密封窗的密封 多硫橡胶等材料,保多硫橡胶等材料,保证耐油性、耐溶耐油性、耐溶剂性、耐水性、耐水性、耐腐性、耐腐蚀性等;采用填充式密封,有好
6、的性等;采用填充式密封,有好的弹性、性、结合性、耐气候性、抗冲合性、耐气候性、抗冲击性及足性及足够的粘接的粘接强度。度。移移动车门的密封的密封密封胶条密封胶条实现。人机工程技术 1.5 1.5 人机工程设计人机工程设计CRHCRH3 3 型动车组司机室型动车组司机室1st class coach一等座车一等座一等座车二等座二等座车餐餐车吧台区吧台区卫生生间拥有有VIP座席的商座席的商务车厢和和观光光车厢有有VIP座席的座席的京沪高京沪高铁商商务车厢商商务车厢的小厨房的小厨房乘乘务员需掌握基本英需掌握基本英语会会话能力和沿途能力和沿途23站点人站点人文地理知文地理知识。全力提供。全力提供“陆地航
7、班地航班”式的高水平服式的高水平服务。正正线全全长:约1318公里公里时速:速:300公里公里运行运行时间:全程直达:全程直达4小小时48分左右分左右票价:票价:1750,935,555时速:速:250公里公里运行运行时间:全程直达:全程直达7小小时56分左右分左右票价:票价:650,410 1.6 1.6 其它方面的要求其它方面的要求车辆设计对环境保护的要求车辆设计对环境保护的要求内装选材中的防火考虑及措施内装选材中的防火考虑及措施车辆整车隔热系数车辆整车隔热系数K K值的限制值值的限制值列车零部件的保养、维修与换修的列车零部件的保养、维修与换修的通用性通用性、互换互换性性、便利性便利性及及
8、可靠性可靠性值值便于对车体内外的机械化清洗作业便于对车体内外的机械化清洗作业 2.2.车体结构设计的具体要求车体结构设计的具体要求 车体结构是车辆的主要承载结构。对于动车组车辆车体结构是车辆的主要承载结构。对于动车组车辆的结构设计应该满足以下要求:的结构设计应该满足以下要求:(1)(1)车体承载结构采用车体全长的大型中空铝合金型车体承载结构采用车体全长的大型中空铝合金型材组焊而成,或采用不锈钢车体,为薄壁筒型整体承材组焊而成,或采用不锈钢车体,为薄壁筒型整体承载结构。载结构。(2)(2)车体承载结构的底架、侧墙、车顶、端墙以及设车体承载结构的底架、侧墙、车顶、端墙以及设备舱组成为一个整体。备舱
9、组成为一个整体。(3)(3)车头前端鼻部的开闭机构应能在司机室中操纵。车头前端鼻部的开闭机构应能在司机室中操纵。(4)(4)车体所用材料应符合环境保护和防火的要求。车体所用材料应符合环境保护和防火的要求。(5)(5)车下安装设备应采用吊挂安装方式,保证运用安车下安装设备应采用吊挂安装方式,保证运用安全和安装方便。全和安装方便。(6)(6)车下导流罩与侧墙应圆滑过渡,在限界允许的条车下导流罩与侧墙应圆滑过渡,在限界允许的条件下距轨面的距离应尽可能小。件下距轨面的距离应尽可能小。(7)(7)室前端下方装有排障器,排障器中央的底部能承室前端下方装有排障器,排障器中央的底部能承受受137kN137kN
10、的静压力。其距轨面高度的静压力。其距轨面高度110+10mm110+10mm(在车轮(在车轮踏面磨耗允许范围内可调)。踏面磨耗允许范围内可调)。(8)(8)车底架设四个顶车位,以便将车体顶起。车底架设四个顶车位,以便将车体顶起。(9)(9)脚蹬结构应采用可伸缩式结构,以便适应脚蹬结构应采用可伸缩式结构,以便适应500500 12001200 mm mm站台高度要求。站台高度要求。3.3.流线形车体结构流线形车体结构 列车空气动力学列车空气动力学 动车组头型设计动车组头型设计 动车组车身外型设计动车组车身外型设计3.13.1列车空气动力学列车空气动力学 随随着着列列车车运运行行速速度度的的提提高
11、高,周周围围空空气气的的动动力力作作用用一一方方面面对对列列车车和和列列车车运运行行性性能能产产生生影影响响;同同时时,列列车车高高速速运运行行引引起起的的气气动动现现象象对对周周围围环环境境也也产产生生影影响响,这这就就是是高速列车的空气动力学高速列车的空气动力学问题。问题。(1 1)动车组运行中列车的表面压力)动车组运行中列车的表面压力 从从风风洞洞试试验验结结果果来来看看,列列车车表表面面压压力力可可以以分分为为三三个区域:个区域:头车鼻尖部位正对来流方向为正压区;头车鼻尖部位正对来流方向为正压区;车车头头部部附附近近的的高高负负压压区区:从从鼻鼻尖尖向向上上及及向向两两侧侧,正正压压逐
12、逐渐渐减减小小变变为为负负压压,到到接接近近与与车车身身连连接接处处的的顶顶部部与侧面,负压达最大值;与侧面,负压达最大值;头车车身、中间车和尾车车身为低负压区头车车身、中间车和尾车车身为低负压区。因因此此,在在动动车车(头头车车)上上布布置置空空调调装装置置及及冷冷却却系系统统进进风风口口时时,应应布布置置在在靠靠近近鼻鼻尖尖的的区区域域内内,此此处处正正压压较较大大,进进风风容容易易;而而排排风风口口则则应应布布置置在在负负压压较较大大的顶部与侧面。的顶部与侧面。在在有有侧侧向向风风作作用用下下,列列车车表表面面压压力力分分布布发发生生很很大大变变化化,尤尤其其对对车车顶顶小小圆圆弧弧部部
13、位位表表面面压压力力的的影影响响最最大大。当当列列车车在在曲曲线线上上运运行行又又遇遇到到强强侧侧风风时时,还还会会影影响响到到列车的倾覆安全性。列车的倾覆安全性。(2 2)动车组会车时列车的表面压力)动车组会车时列车的表面压力 列列车车交交会会时时产产生生的的最最大大压压力力脉脉动动值值的的大大小小是是评评价价列车气动外形优劣的一项指标。列车气动外形优劣的一项指标。在在一一列列车车与与另另一一静静止止不不动动的的列列车车会会车车时时,以以及及两两列列等等速速或或不不等等速速相相对对运运行行的的列列车车会会车车时时,将将在在静静止止列列车车和和两两列列相相对对运运行行列列车车一一侧侧的的侧侧墙
14、墙上上引引起起压压力力波波(压力脉冲)。(压力脉冲)。这这是是由由于于相相对对运运动动的的列列车车车车头头对对空空气气的的挤挤压压,在在与与之之交交会会的的另另一一列列车车侧侧壁壁上上掠掠过过,使使列列车车间间侧侧壁壁上上的空气压力产生很大的波动。的空气压力产生很大的波动。试试验验研研究究和和计计算算表表明明,动动车车组组会会车车压压力力波波幅幅值值大大小与下列因素有关:小与下列因素有关:随随着着会会车车速速度度的的大大幅幅度度提提高高,会会车车压压力力波波的的强强度度将急剧增大,如图所示将急剧增大,如图所示:会车压力波幅值与速度的关系曲线会车压力波幅值与速度的关系曲线 由由上上图图可可见见,
15、当当头头部部长长细细比比 为为2.52.5,两两列列车车以以等等速速相相对对运运行行会会车车时时,速速度度由由250km/h250km/h提提高高到到350km/h350km/h,压力波幅值由,压力波幅值由1015Pa1015Pa增至增至1950Pa1950Pa,增大近一倍。,增大近一倍。会会车车压压力力波波幅幅值值随随着着头头部部长长细细比比的的增增大大而而近近似似线线性性地地显显著著减减小小。为为了了有有效效地地减减小小动动车车组组会会车车引引起起的的压压力力波波的的强强度度,应应将将动动车车(车车头头)的的头头部部设设计计成成细长而且呈流线型。细长而且呈流线型。会会车车压压力力波波幅幅值
16、值随随会会车车动动车车组组侧侧墙墙间间距距增增大大而而显显著著减减小小。为为了了减减少少会会车车压压力力波波及及其其影影响响,应应适适当当增增大铁路的线间距。大铁路的线间距。我国我国铁路主要技术政策铁路主要技术政策中规定:中规定:160km/h时,线间距4.2m;200km/h时,线间距4.4m;250km/h时,线间距4.6m;300km/h时,线间距4.8m;350km/h时,线间距5.0m。会会车车压压力力波波幅幅值值随随会会车车长长度度增增大大而而近近似似成成线线性性地地明显增大明显增大。会会车车压压力力波波幅幅值值随随侧侧墙墙高高度度增增大大明明显显减减小小,但但减减小的幅度随侧墙高
17、度增大而逐渐减小。小的幅度随侧墙高度增大而逐渐减小。高高、中中速速列列车车会会车车时时,中中速速车车的的压压力力波波幅幅值值远远大大于于高高速速车车(一一般般高高1.81.8倍倍以以上上)。这这是是由由于于会会车车压压力力波波的的主主要要影影响响因因素素是是通通过过车车的的速速度度,在在高高、中中速速列列车车会会车车时时,中中速速车车压压力力波波主主要要受受其其通通过过车车高高速速车车速速度度的的影影响响,高高速速车车压压力力波波主主要要受受其其通通过过车车中中速速车车速速度度的的影响,所以中速车上的压力波幅值远大于高速车。影响,所以中速车上的压力波幅值远大于高速车。(3 3)动车组通过隧道时
18、列车的表面压力)动车组通过隧道时列车的表面压力 列列车车在在隧隧道道中中运运行行时时,将将引引起起隧隧道道内内空空气气压压力力急急剧剧波波动动,因因此此列列车车表表面面上上各各处处的的压压力力也也呈呈快快速速大大幅幅度度变动状况,完全不同于在明线上的表面压力分布。变动状况,完全不同于在明线上的表面压力分布。试试验验研研究究表表明明,压压力力幅幅值值的的变变动动与与列列车车速速度度,列列车车长长度度,堵堵塞塞系系数数(列列车车横横截截面面积积与与隧隧道道横横截截面面积积的的比比值值)、头头型型系系数数(长长细细比比,即即车车头头前前端端鼻鼻形形部部位位长长度度与与车车头头后后部部车车身身断断面面
19、半半径径之之比比),以以及及列列车车侧侧面面和和隧隧道道侧侧面面的的摩摩擦擦系系数数等等因因素素有有关关,其其中中以以堵堵塞塞系系数和列车速度为重要的影响参数。数和列车速度为重要的影响参数。国外有的研究报告指出国外有的研究报告指出:单单列列车车进进入入隧隧道道的的压压力力变变化化大大约约与与列列车车速速度度的的平平方成正比方成正比,与堵塞系数的与堵塞系数的1.31.30.250.25次方成正比例次方成正比例。两两列列车车在在隧隧道道内内高高速速会会车车时时车车体体所所受受到到的的压压力力变变化化更更为为严严重重,此此时时压压力力变变化化与与堵堵塞塞系系数数的的2.162.160.060.06次
20、次方方成成正正比比。并并且且两两列列车车进进入入隧隧道道的的时时差差对对压压力力变变化化也也有有很很大大的的影影响响,当当形形成成波波形形叠叠加加时时将将引引起起很很高高的的压压力力幅幅值值和和变变化化率率,此此时时车车体体表表面面的的瞬瞬时时压压力力可可在正负数千帕之间变化。在正负数千帕之间变化。(4 4)列车风)列车风 当当列列车车高高速速行行驶驶时时,在在线线路路附附近近产产生生空空气气运运动动,这这就就是是列列车车风风。当当列列车车以以200km/h200km/h速速度度行行驶驶时时,根根据据测测量量,在在轨轨面面以以上上0.814m0.814m、距距列列车车1.75m1.75m处处的
21、的空空气气运运动动速速度度将将达达到到17m/s17m/s(61.2km/h,七七级级风风力力),这这是是人人站站立立不不动动能能够够承承受受的的风风速速,当当列列车车以以这这样样或或更更高高的的速速度度通通过过车车站站时,列车风将给铁路工作人员和旅客带来危害。时,列车风将给铁路工作人员和旅客带来危害。高高速速列列车车通通过过隧隧道道时时,在在隧隧道道中中所所引引起起的的纵纵向向气气流流速速度度约约与与列列车车速速度度成成正正比比。在在隧隧道道中中列列车车风风将将使使得得道道旁旁的的工工人人失失去去平平衡衡以以及及将将固固定定不不牢牢的的设设备备等等吹吹落落在在隧隧道中,这都是一些潜在的危险。
22、道中,这都是一些潜在的危险。国国外外有有些些铁铁路路规规定定,在在列列车车速速度度高高于于160km/h160km/h行行驶驶时时不不允允许许铁铁路路员员工工进进入入隧隧道道。列列车车速速度度稍稍低低时时,也也不不让让员员工工在在隧隧道道中中行行走和工作,必须要在避车洞内等待列车通过。走和工作,必须要在避车洞内等待列车通过。(5 5)列车空气动力学的力和力矩)列车空气动力学的力和力矩 如如图图所所示示,作作用用于于车车辆辆上上的的空空气气动动力力学学的的力力和和力力矩矩,其其中中有有:空空气气阻阻力力、上上升升力力、横横向向力力,以以及及纵纵向向摆摆动动力力矩矩、扭扭摆摆力力矩和侧滚力矩。下面
23、作一简要介绍。矩和侧滚力矩。下面作一简要介绍。空气阻力空气阻力 减减少少动动车车组组的的空空气气阻阻力力对对于于实实现现高高速速运运行行和和节节能能都都有有重重要要意意义义,因因此此,需需要要对对车车体体外外形形进进行行最最优优化化设设计计,以便最大可能地降低空气阻力。以便最大可能地降低空气阻力。动动车车组组的的运运行行阻阻力力主主要要由由空空气气阻阻力力和和机机械械阻阻力力(即即轮轨摩擦阻力、轴承等滚动部件的摩擦阻力等)组成。轮轨摩擦阻力、轴承等滚动部件的摩擦阻力等)组成。空气阻力可以简略地用下面公式表示:空气阻力可以简略地用下面公式表示:式中式中 Cx空气阻力系数;空气阻力系数;空气密度空
24、气密度 V列列车速度;速度;A列列车横截面横截面积 空气阻力主要由以下三个部分组成:空气阻力主要由以下三个部分组成:压差阻力:压差阻力:头部及尾部压力差所引起的阻力;头部及尾部压力差所引起的阻力;摩摩擦擦阻阻力力:由由于于空空气气的的粘粘性性而而引引起起的的、作作用用于于车车体体表面的剪切应力造成的阻力;表面的剪切应力造成的阻力;干干扰扰阻阻力力:车车辆辆的的突突出出物物(如如手手柄柄、门门窗窗、转转向向架架、车车体体底底架架、悬悬挂挂设设备备、车车顶顶设设备备、及及车车辆辆之之间间的的连连接风挡等接风挡等)所引起的阻力。所引起的阻力。研研究究表表明明:空空气气阻阻力力与与速速度度的的平平方方
25、成成正正比比,机机械械阻阻力力则则与与速度成正比。速度成正比。速度为速度为100km/h100km/h时,空气阻力和机械阻力各占一半;时,空气阻力和机械阻力各占一半;速速度度提提高高到到200km/h200km/h时时,空空气气阻阻力力占占7070,机机械械阻阻力力只只占占3030;250km/h250km/h速速度度平平稳稳运运行行时时,空空气气阻阻力力约约占占列列车车总总阻阻力力的的80809090以以上上。法法国国对对TGVTGV动动车车的的空空气气阻阻力力(R R)的的测测试结果:试结果:V V100km/h100km/h时,时,R R5.526KN5.526KN;V V200km/h
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