高速机车减阻及外型流线化的结构实现

第1卷第1期2001年3月

交通运输工程学报

JournalofTrafficandTransportationEngineering

Vol.1No.1Mar.2001

高速机车减阻及外型流线化的结构实现

刘建新

(西南交通大学9四川成都

10031

摘

要:讨论了高速机车的减阻措施9研究了高速机车头部结构设计思路和需关注的几个问题9介

绍了中国高速动力车轻型化车体驾驶室钢结构特点O关键词:高速机车;驾驶室;金属结构;空气动力学;外形设计中图分类号:U2 0.32

文献标识码:A

TheStructureDesignabouttheDriver sCabofHighSpeedlocomotive

LIUJian-xin

(SouthWestJiaotongUniversity9Chengdu 100319China

Abstract:ThemeasuresreducingtheresistanceofhighspeedlocomotiveWhilerunningathighspeedaregiven.AccordingtothecurrentmanufacturingconditionsinChina9theWaysandprob-lemsbeinginvolvedtodesignthedriver scabconsideringvariousfactorsarediscussed.Thestruc-tureofdriver scabarealsointroduced.

Keywords:highspeedlocomotive;driver scab;metalstructure;aerodynamics;exteriordesign列车运行的空气阻力与其速度的平方成正比9高速时空气阻力已成为主要的阻力因素9车速在250~300km/h时9空气阻力已占列车总阻力的

75%~80%O要提高速度9减少能耗9必须尽可能减少空气阻力;同时9良好的气动性能也是保证高速列车运行品质的先决条件O

或用加流线形整流罩的办法进行减阻;为了减少主断路器和受电弓底座等车顶外露部件的空气阻力9降低噪声9需在车顶加装导流罩9包住主断路器 受电弓底部 绝缘子等外露部件O

减少运行阻力9车头前端必须构成流线化的外形9车辆连接问题可通过设计活动门实现9打开活动门后车钩便可与其他车辆连接9平常则通过关闭活动门保证流线化的外形O驾驶室扶手采用卧式9使车体外表面平滑9并实现侧墙百叶窗无外突O

优化列车的底部也是减少运行阻力的重要措施O机车下部转向架及附属外露部件9如各种悬挂件 排障器 脚蹬等所产生的阻力也较大9必须注意其结构的流线形O机车底部前端加装导流罩包住转向架O两侧加装裙板9尽可能包住动力车的底部和两侧的外露部件O

减阻后的高速机车车体外表面可用以下特点来表征:机车具有无棱角的细长外形9前端具有流线化的外形9顶部完全光滑9除受电弓外9顶部设备减到

1

高速机车的减阻方法

机车的气动外形9机车表面的摩擦阻力9机车车

顶和车底外露附属装置产生的阻力9是构成高速机车运行阻力9影响机车气动性能的几个方面O

传统机车的压差阻力系数很大9而国外高速列车的流线化外形的阻力系数则很小9因此9减少空气阻力必须使车体流线化O

提高机车表面的平整度和光洁度9选用合适的材料和加工工艺能有效地降低表面的摩擦阻力O

优化列车的顶部可以减少运行阻力O对机车顶部的顶盖 喇叭 照明灯9必须注意其结构的流线形9

收稿日期:2000-10-18

基金项目:国家科技攻关重点项目(85-402-02-03 作者简介:刘建新(1 5- 9男9河南夏邑人9西南交通大学副教授9博士9从事结构设计和强度分析的研究.

最少9车体纵向为流线形外壳和底壳9完全平滑的表面9平齐的车窗和门9凹进的把手和拦杆G

很明显9降低空气阻力\提高运行品质的另一重要措施是高速机车车体主体结构本身的外型流线化9高速机车外型流线化设计包括车头几何形状的流线化和车身横截面形状的流线化G

目前9根据空气动力学的有关理论9通过计算机模拟和比选9并经过风洞模拟实验9验证得到的高速机车气动外形方案9其空气阻力\会车压力波\侧力阻力和列车交会时的压力波也很大9如果取值太大9在具有双端驾驶室的机车与车列之间的三角形区域也加大9对减小空气阻力反而不利G高速机车取30 效果较好G

驾驶室顶盖向后倾角A2和车顶圆角半径R29这些参数的合理取值都有利于结构实现流线化9但车顶拐角的三维曲面9给加工造成一定的困难G机车鼻子向下方倾斜角A39其作用是使驾驶室下部不至伸得太长9这样底架也不至于太长9可以减及气动噪声都应是比较小的G在此基础上9综合考虑制造工艺\总体布置\结构强度和工业造型等因素9再进行外形优化9就可以进行结构设计了G

流线化机车车体外轮廓表面沿长度方向大致可分为机车头部(驾驶室)和车身(车体中\后部)两部分G

2

高速机车头部外形的几何要素

机车头部长度L是决定机车头部外形最基本的尺寸9当A4S0时9增大L将使头部细长比7加大9加大7可减少机车空气阻力并减缓空气压力波9故高速机车比一般机车L取得大些G

机车头部最大宽度B一般受机车车辆限界的制约9变动范围不大G

机车头部高度H是从机车底架下平面到机车头部最高处的距离9当机车宽度不变时9H越大则机车迎风面积越大9从而使得总的空气阻力也越大9从减小空气阻力而言9H应取小一点

G

图1

高速机车头部外形几何参数

机车鼻高HN为机车最前点到底架上平面的距离GHN是一个很重要的参数9研究表明9机车鼻高尺寸对列车交会时的空气压力波有很大的影响G机车鼻长LN9在机车横截面积 ( =BH)一定的情况下9LN越大即鼻子越长9头部的细长比越大9这样列车交汇时的空气压力愈小G但LN的进一步加长还受机车结构的制约9影响驾驶室内部的布置GLN一般最大取LN=LG

机车鼻子向上倾角A19其值对列车运行时的空气阻力及列车交汇时的空气压力波皆有很大的影响9取零值时就成为完全的钝头型车头9此时的空气

少整个机车的长度9并形成机车头部流线化G加大机车头部在俯视图上的角度A59可减少空气阻力9但列车交会时的空气压力加大9应综合考虑来取值G

机车头部侧墙倾斜角度A4的设置应与A5的设置配合9改善侧面气流的绕流情况9 2的取值不能太大G

中国高速动力车采用的是鸭嘴状楔形头部外形G其外形轮廓的几何特征为:头形上部曲线为双拱9外形轮廓为相切圆弧\二次椭圆曲线\以及抛物曲线等组合而成G车顶横截面为相切圆弧的组合G车底横截面为中间直线与侧面轮廓线以大圆弧过渡9侧面轮廓线为向车身中心线小角度内倾的直线G

3

高速机车头部结构设计原则和需关注的问题

机车头部(驾驶室)设计应综合考虑机车的气动

性能\总体布置\结构强度\工业造型和制造工艺等因素G机车外形流线化程度的确定9取决于驾驶室的布置及制造工艺的可行性与气动性能相结合的合理性G机车头部结构设计涉及车体结构\车体结构强度\材料性能\制造与加工工艺\计算几何\测绘技

术\工业造型等领域G科学的设计应力求使使用要求与气动性能完美统一G

应该说9在高速机车车体的设计研究中9机车头部(驾驶室)结构的设计是最复杂9也是难度最大的一个部件G设计驾驶室结构9实现流线化的外形9除满足气动性能的要求9还要做到:便于承载传力9满足车体整体需要9考虑与其它部件的协调9考虑结构的表达和工艺的实现G

驾驶室的结构设计除了满足以上的要求9实现结构的强度\刚度要求外9还应尽可能减轻结构的自重G

高速机车驾驶室具有流线化的外形9其钢结构设计要满足两方面的要求:一是结构的力学性能9

即2强度\刚度\稳定性9另一方面是确定流线化的外形9即定形的作用G满足这两个要求9经过分析研究头部结构设计可按两种思路进行G第一种思路是承载与定形分开考虑9先由几个主要的梁件形成一个承载骨架9再加设辅助梁件用于表面定形G这样做存在一些问题9比如9梁件尺寸要选得大才能保证承载9辅助梁件要选得多才能保证定形9因而就需要较多的梁件9结构显得比较复杂9同时大尺寸的梁件对蒙皮的辅设也造成不便G第二种思路是考虑承载与平面弯曲设计9采用两个方向弯曲或一个方向弯曲再加扭转的梁9在制造上很难实现G所以9头部外形最好由简单曲面构成9不要采用复杂的自由曲面G

气动外形按要求分块表达9车体头部存在前窗\侧窗\车门等孔洞9驾驶室结构设计又将头形按侧墙\前脸\顶部等部件分块G为便于蒙皮及门窗设计9外形要能按不同区域分块设计表达G

气动外形表达的科学性G气动外形表达如只有离散点的坐标9没有面生成的信息G根据结构设计的定形相结合进行钢结构设计9即采用较细\较密的纵\横网格梁结构G这样既利于定形又能保证强度\刚度G另外由于头部外形变化较大9梁件的弯曲程度也不一致9由短梁拼接的网格梁也利于加工制造G当然9即使在网格梁结构中9骨架的作用也不可忽视9也要形成承载骨架G比较来看9第二种思路较好9因而设计的驾驶室结构采用了网格梁结构G

下面简要说明高速机车驾驶室钢结构设计需关注的问题G

在主视图上9头形钢结构部分不能太尖\太长9否则驾驶室内设备安放不下9可用空间不足G由于车体整体结构和尺寸的要求9动力车头部钢结构部分尺寸(从前转向架中心至头端部D会有一定的限制G同时9为了布置设备9保证司机有满足需要的活动空间9要求驾驶室内空间纵向和垂向距离不能太小9即必须保证驾驶室从侧窗前角到驾驶室隔墙有一定的距离9为此头形不能太尖(前倾角不能太小DG由于头形太尖9会致使驾驶室空间纵向和垂向距离减小9造成安放控制台和控制柜困难9司机的活动受限G俯视图上头形也不能太尖G动力车头型复杂9为便于承载9驾驶室钢结构应首先构成一个大骨架9并在此基础上装配焊接其它部件9这个骨架的主要梁件除了包括前窗上下梁\水平梁\驾驶室后部环梁9以及必要的侧面梁外9最主要的是从前窗角到前部的纵向梁G这是因为除了驾驶室前窗四周必须有梁件外9还有两个理由2从受力观点出发9机车头部主要受纵向力的作用9需要有纵向梁承载9从整个机车外形看9从侧面向前面过渡处9转向较急9需要有梁布置便于安装蒙皮G该纵向梁最好是平直的9顺中心线方向布置G俯视图上头形太尖9会迫使纵向梁弯曲9这样即不利承载9也不利于制造加工G

头形最好能以简单曲面表达G为了便于焊接蒙皮9驾驶室梁件外形表面应与头形一致9为此梁的翼缘应于外形贴合9即梁的翼缘面应与外形面一致9为了便于制造9梁件应按平面弯曲设计G倘若梁不能按

需要9用插值办法寻找其余设计所需要的点的坐标9从找出的坐标也可以看出9经过多次反复插值得出的数据误差很大9也不一定在曲面上G

结构的图纸表达G如果头形不能以简单曲面表达9外轮廓表面由多个三维自由曲面拼合而成9无论沿何方向其截面均无规律可循G按目前机车车辆行业的设计表达方式9制图有一定的困难G

进行高速机车结构设计时9对于由柱面构成外轮廓表面的车身部分9可采用传统的机车结构设计方法G而头部各曲面由于是一般三维自由表面9不能按传统的设计方法进行设计9需研究探索新的设计方法G

端部外形设计应具有较低的生产成本9并考虑为司机提供足够的视野条件G除此之外9还要求有尽可能简单的前窗几何形状9以利于前窗玻璃的加工制造G

4

高速机车驾驶室钢结构特点

驾驶室头部对空气动力学有利的外形被转化为

复杂的框架设计9框架由型材制成9经过压型\制作模板\开槽和焊接等工序G

为保证良好的传力和承载性能9在结构设计中9驾驶室钢结构首先构成一个大骨架9并在此基础上装配焊接其它梁件G这个骨架的主要梁件包括前窗上\下梁\侧墙水平梁及后侧梁\驾驶室后部梁\及最主要的从后向前延伸到前端的窗侧纵向梁G其中驾驶室窗上梁\驾驶室隔墙轮廓梁以及从顶向前延伸到头端部的驾驶室侧窗\前窗间梁等重要梁件保持连续G为保证在低速碰撞时对司机有良好的保护作用9以及头部有良好的承载特性9在前窗下梁位置进行了局部加强9用厚板围成了几个封闭栅格G驾驶室结构总长3850mm\高2470mm\最宽处3070mm9车体驾驶室钢结构整体呈正交网格梁结构形式G由于驾驶室外形为空间曲面9骨架的主要

(下转第122页D

上接第1 4页)

梁件基本上为空间曲梁 对于梁截面的选取 考虑了矩形 槽形 角钢等几种形式 从分析来看 头部结构大多为弯曲梁 采用矩形截面难以加工 采用角钢显得单薄 采用槽形截面比较合理 因而网格梁结构中的大部分梁件选用了尺寸为8 3 厚度为3 的槽形压形件 结构中的定型骨架梁选用了尺寸大一些的矩形截面 制作时可用2根槽形截面梁对焊而成 其厚度也为3 槽形梁在不同部位开口朝计的难度和工作量加大 因此在空气动力学性能相差不大的情况下 气动外形的设计应实行简单化的原则 参考文献

[1][2]张

斌.韶山8型准高速电力机车气动外形设计[J].

长沙铁道学院学报 1995 3).

于正平.中速及高速电力机车气动外形方案[J].机车电传动 1998 5 6).

向不同 如 驾驶室侧墙水平梁开口朝下 竖直梁开口朝前等 梁件材质为 高耐候钢 蒙皮厚1.5 材质为不锈钢

结

语

高速机车车体结设计时 要对车体的流线化 结构 强度等进行精心研究和设计 使之具有完善的气动性能 满足高速运行的要求 但由于受到功率 速

度 布置 结构 使用要求 工艺制作等条件的限制 只能在综合各方面情况 考虑满足各方面要求的条件下进行

流线化后 车头形式的稍微差别 对减少阻力来讲 意义不是很大 但复杂的头形会使驾驶室结构设

[3]刘国伟.流线型高速机车三维扭曲梁计算机辅助设计方法[J].长沙铁道学院学报 1995 4).

[4]周亚平.准高速内燃机车气动性能的探索[J].内燃机车 1996 7).[5]孙翔.世界各国的高速铁路[M].成都 西南交通大学出版社 1992.

[6]孙

彤 孙

翔.采用高新技术的德国铁路ICE高速

列车[M].成都 西南交通大学出版社 1992.

[7]

铁道部标准计量研究所.电力机车通用技术条件 GB3317 82 UDC625.282 83)[S].北京 国家标准局 1982.[8]铁道部标准计量研究所.电机车车体技术条件 GB1996 87)[S].北京 国家标准局 1987.

[9]

铁道部标准计量研究所.内燃机车通用技术条件 GB3314 82)[S].北京 国家标准局

1982.