鐵道機車專業(yè)教學(xué)武漢鐵路黃秀川79課件

鐵道機車專業(yè)教學(xué)資源庫武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院主講：黃秀川《高速動車組技術(shù)》課程武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院黃秀川高速動車組的技術(shù)要求目錄CONTENTS01可靠性、可用性、可維修性和安全性02節(jié)能與環(huán)保03重量管理04防火安全性及材料可靠性、可用性、可維修性和安全性可靠性（Reliability）可用性（Availability）可維修性（Maintainability）安全性（Safety）中國鐵路長期以來始終堅持“讓人民群眾滿意”的根本標(biāo)準(zhǔn)，努力踐行“人民鐵路為人民”的宗旨；“安全優(yōu)質(zhì)、興路強國”的新時期鐵路精神，這是突破以往精神理念的新發(fā)展，更是指引鐵路職工前進的新思路；新時期，切實為社會提供“安全、準(zhǔn)時、快捷、高效”的運輸服務(wù)是實現(xiàn)“安全優(yōu)質(zhì)、興路強國”目標(biāo)的具體體現(xiàn)；我國高速動車組已經(jīng)成為中華民族偉大復(fù)興的一張靚麗名片，高速動車組這一運輸產(chǎn)品應(yīng)滿足下列技術(shù)要求：可靠性、可用性、可維修性和安全性1.可靠性

我國在高速列車設(shè)計中第一次把可靠性問題納人高速列車的設(shè)計核心指標(biāo)，這是因為可靠性問題曾經(jīng)傷害過我國的機車車輛工業(yè)。從我國鐵路大提速開始，提速和高速機車車輛的結(jié)構(gòu)可靠性問題時有發(fā)生。我國在鐵路提速過程中所出現(xiàn)的大量結(jié)構(gòu)可靠性問題，對高速列車自主創(chuàng)新來說是前車之鑒。因此，在高速列車的設(shè)計中，可靠性應(yīng)該單獨作為一個設(shè)計和考核的指標(biāo)。可靠性的概念產(chǎn)品的可靠性是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下運行時，在規(guī)定的時間內(nèi)保持規(guī)定功能的能力?？煽啃?、可用性、可維修性和安全性1.可靠性可靠性的概念有以下特征：關(guān)注故障判定故障發(fā)生的可能性，用定量的形式表達；評價故障對系統(tǒng)功能的影響程度?？煽啃缘亩亢饬繀?shù)為可靠度或MTBF，是概率參數(shù)?？煽啃栽O(shè)計和分析的主要任務(wù)可靠性表征產(chǎn)品故障的頻繁程度和危害程度，是產(chǎn)品的一種固有屬性，主要由設(shè)計決定，可靠性設(shè)計和分析的主要任務(wù)是降低故障發(fā)生的概率和降低故障的影響?？煽啃浴⒖捎眯?、可維修性和安全性1.可靠性故障——不能滿足規(guī)定的功能故障的種類：功能喪失功能降低故障的可恢復(fù)性軟故障－沒有物理損傷硬故障－有物理損傷規(guī)定功能常用故障判據(jù)逆向表達性能界限破壞極限過應(yīng)力工作極限設(shè)計裕度技術(shù)規(guī)范正常工作區(qū)可靠性、可用性、可維修性和安全性2.可維修性可維修性的概念可維修性是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法進行維修時，保持或恢復(fù)到產(chǎn)品所規(guī)定狀態(tài)的能力。對高速列車而言，就是在列車發(fā)生故障時容易修理和方便維護的性能。可維修性的概念具有以下特征：關(guān)注故障，是針對故障的一種活動；可維修性的定量衡量參數(shù)為：平均維修時間（MTTR，MTTM），是時間參數(shù)。可靠性、可用性、可維修性和安全性2.可維修性可維修性的屬性：可維修性是表征產(chǎn)品預(yù)防故障和修復(fù)故障的能力，表達產(chǎn)品維修的難易程度，是產(chǎn)品設(shè)計所賦予的一種固有屬性。可維修性設(shè)計和分析的主要任務(wù)：主要任務(wù)是建立以可靠性為中心的維修設(shè)計（RCM－ReliabilityCenterMaintainability），相當(dāng)于容易發(fā)生故障的地方容易修復(fù)。維修類別包括：預(yù)防性維修：預(yù)防故障的維修，是計劃性的，常稱為維護或保養(yǎng)；修復(fù)性維修：處理故障的維修，是非計劃性的，常稱為修理或修復(fù)。可靠性、可用性、可維修性和安全性2.可維修性高速列車可維修性設(shè)計的定性要求如下：（1）良好的可達性：維修時接近維修部位的難易程度。（2）提高標(biāo)準(zhǔn)化和互換性程度：高速列車零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、互換性和通用化是維修性的重要要求。（3）具有完善的防差錯措施和識別標(biāo)記。（4）保障維修安全：維修活動時應(yīng)避免人員傷亡或設(shè)備損壞。（5）檢驗診斷準(zhǔn)確、迅速、簡便。（6）重視貴重件的可修復(fù)性。（7）減少維修內(nèi)容、降低維修技術(shù)要求?？煽啃?、可用性、可維修性和安全性2.可維修性高速列車可維修性設(shè)計的定性要求如下：（8）符合維修人機工程要求：維修人機工程是研究維修作業(yè)人員的各種能力，如體力、感觀力、耐受力、心理承受和人體尺寸等因素與機器之間的關(guān)系，以保證其持續(xù)工作的能力和維修效率。高速列車維修性設(shè)計定量要求：維修性定量指標(biāo)很多，如維修度M（t）、平均修復(fù)時間MTTR、最大修復(fù)時間MTTRmax、預(yù)防維修周期MTBMpt、維修費用等?？煽啃浴⒖捎眯?、可維修性和安全性3.可用性可用性的概念可用性是產(chǎn)品在任意隨機時刻需要和開始執(zhí)行任務(wù)時，處于可工作或可使用狀態(tài)的程度；可用性的描述可用性常用可用時間占總時間的比值來描述，即：

可用性＝可用時間/（可用時間＋不可用時間）可用性是可靠性、維修性和運用保障的綜合特性：可靠性越好，則可用時間越長；維修性越好，則維修時間越短，不可用時間越短；運用保障特性越好，則維修等待時間越短。可靠性、可用性、可維修性和安全性4.安全性安全性的概念安全性是指產(chǎn)品不發(fā)生系統(tǒng)危險事件（HazardEvent，也稱為事故，如人員傷亡、系統(tǒng)損壞、重大財產(chǎn)損失、危害員工健康與環(huán)境等）的能力。安全性的概念具有以下特征：關(guān)注危險，鐵路產(chǎn)品的危險包括：

——違反政府法規(guī)

——人員傷亡

——重大財產(chǎn)損失

——環(huán)境破壞涉及到在各種環(huán)境條件和工作條件下，在運營、維護和維修過程中發(fā)生的所有危險；故障是危險的主要來源，危險性故障是全部故障的子集。節(jié)能與環(huán)保節(jié)能與環(huán)保的概念節(jié)能是指以減少能源消耗的方式，保護資源，減少對環(huán)境的污染。節(jié)能的途徑提高能源使用效率；減少能源消耗；降低傳統(tǒng)能源的消耗量。節(jié)能與環(huán)保節(jié)能的意義節(jié)能可以帶來更多的金融資本，環(huán)境質(zhì)量，國家安全，人身安全和人體舒適度。節(jié)能可減少溫室氣體排出到大氣層，讓大氣中的溫室氣體含量穩(wěn)定在一個適當(dāng)?shù)乃?，減少惡劣氣候?qū)θ祟愒斐蓚Φ臋C會。高速列車在節(jié)能與環(huán)保方面的主要對策列車空氣動力學(xué)設(shè)計車體輕量化設(shè)計列車降噪設(shè)計等。節(jié)能與環(huán)保1.列車空氣動力學(xué)設(shè)計列車空氣阻力的類型：列車表面空氣摩擦阻力空氣壓差阻力節(jié)能與環(huán)保1.列車空氣動力學(xué)設(shè)計整列車的主要減阻措施：（1）高速列車兩端的端車頭部采用流線型，列車前端能減輕氣流滯止的影響，后端能減緩渦流或改變尾流結(jié)構(gòu)，從而降低頭尾車的空氣阻力。（2）基于列車空氣摩擦阻力形成的機理，在列車外形設(shè)計時盡可能降低表面積，即可減小列車空氣摩擦阻力。（3）合理設(shè)計列車頭尾流線外形，包括增加流線型頭部長度，合理設(shè)計流線型頭部俯視形狀等。節(jié)能與環(huán)保1.列車空氣動力學(xué)設(shè)計整列車的主要減阻措施：（4）相鄰車輛鏈接部位采用外風(fēng)擋結(jié)構(gòu)，將車體連接部分的外表面延伸使得兩車體外表面間距縮小，這樣可減弱氣流分離及氣流沖刷端墻表面的強度，以減小列車空氣壓差阻力。實驗研究結(jié)果表明，采用外風(fēng)擋結(jié)構(gòu)可以使列車空氣阻力降低10%左右。（5）盡可能使門窗部分與車身一致減小由門窗引起的車身表面的凹凸不平。節(jié)能與環(huán)保1.列車空氣動力學(xué)設(shè)計整列車的主要減阻措施：（6）車頂受電弓部分，安裝導(dǎo)流罩以降低受電弓的阻力。（7）安裝列車底部導(dǎo)流罩。（8）在列車車體側(cè)壁的下部安裝適當(dāng)?shù)娜拱?。?jié)能與環(huán)保2.車體輕量化設(shè)計高速列車輕量化設(shè)計的意義是高速列車的關(guān)鍵技術(shù)之一；減小列車質(zhì)量意味著用材的減少和制造成本的下降；減小運行中的機械阻力，達到提高牽引加速能力和節(jié)能的目的；減小運行過程中輪軌相互作用，改善相關(guān)零部件的工作條件；軸重的大小反映出車體系統(tǒng)輕量化的水平。節(jié)能與環(huán)保2.車體輕量化設(shè)計高速列車輕量化設(shè)計必須考慮的要求（1）車體強度。為保證車輛在運行中有足夠的強度，必須能承受一定的載荷工況，以符合車輛的強度設(shè)計規(guī)范。車體在運用中承受著縱向、橫向、垂向、扭轉(zhuǎn)和氣密載荷等動態(tài)載荷的作用，這些動態(tài)載荷往往與線路條件、司機操縱和列車動力學(xué)品質(zhì)和列車高速運行的氣動效應(yīng)相關(guān)，具有很強的隨機變動特性。車體結(jié)構(gòu)設(shè)計上需要考慮這些準(zhǔn)靜態(tài)及動態(tài)載荷的單獨或聯(lián)合作用，需校核車體結(jié)構(gòu)的強度和剛度，同時要進行結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計。節(jié)能與環(huán)保2.車體輕量化設(shè)計高速列車輕量化設(shè)計必須考慮的要求（2）車體剛度。這主要是控制車體的垂向位移和扭轉(zhuǎn)角位移。（3）車體自振頻率。這與車輛運行品質(zhì)和安全密切相關(guān)，因此，規(guī)范中對車體最低階自振頻率及模態(tài)有一定的限制。（4）車體的耐碰撞安全防護。即要求設(shè)計一個更強的客室結(jié)構(gòu)，同時在車體的非乘客區(qū)設(shè)置能量吸收區(qū)，以吸收撞擊動能，保證乘客安全。（5）結(jié)構(gòu)輕量化。在保證安全和使用壽命的前提下，盡量做到結(jié)構(gòu)的輕量化。車體結(jié)構(gòu)所占車輛自重的比例很大，因此設(shè)計時尤其應(yīng)注意減輕其自重。節(jié)能與環(huán)保2.車體輕量化設(shè)計高速列車車體的輕量化措施（1）采用新材料、新工藝。高速列車車體材料早已放棄使用普通的鋼質(zhì)材料，耐候鋼也已很少應(yīng)用。近代高速列車主要采用鋁合金和不銹鋼材料，纖維復(fù)合增強塑料主要使用在車體頭部流線型部分，同時在車體內(nèi)裝修中也得到愈來愈多的應(yīng)用。近些年來，由于多品種異型截面和中空大截面鋁合金擠壓型材的發(fā)展，而使鋁合金成為高速列車的主導(dǎo)材料。這主要是由于鋁合金具有質(zhì)量輕、性能好、易制造、耐腐蝕、維修費用低和外形美觀等優(yōu)點。節(jié)能與環(huán)保2.車體輕量化設(shè)計高速列車車體的輕量化措施（2）采用先進的結(jié)構(gòu)。采用先進的車體結(jié)構(gòu)，這包括外形結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計車體關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)、合理分配材料，做好車體結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化，以減小車體質(zhì)量和氣動阻力；也包括車體成型結(jié)構(gòu)，如骨架外殼結(jié)構(gòu)、薄型材（單殼）結(jié)構(gòu)和中空型材（雙殼）結(jié)構(gòu)等。節(jié)能與環(huán)保2.車體輕量化設(shè)計高速列車車體的輕量化措施（3）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。高速列車的高速運行，給高速列車的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了許多新課題，例如高速列車在隧道中運行或兩列列車高速交會時的空氣動力學(xué)載荷問題，高速列車車體采用鋁合金材料而使整體剛度下降的問題等，都必須采用現(xiàn)代先進的設(shè)計、計算和試驗方法，例如應(yīng)用有限元法進行結(jié)構(gòu)強度計算，利用各種虛擬方法進行各種性能的模擬和方案選擇和優(yōu)化，以最輕的質(zhì)量獲得最大的強度和剛度。節(jié)能與環(huán)保3.高速列車降噪設(shè)計①

輪軌噪點輪軌噪聲發(fā)生在輪軌相互作用位置，車輪、鋼軌和軌枕是輪軌噪聲的主要來源，包含輪軌液動噪聲、沖擊噪聲和曲線嘯叫。影響輪軌噪聲產(chǎn)生的主要參數(shù)有輪軌表面粗糙度、輪軌接觸斑、參數(shù)激振，其他的影響參數(shù)還有車輪數(shù)量或列車編組、輪軌表面缺陷等。②

氣動噪聲高速列車氣動噪聲主要產(chǎn)生于列車表面裝置和特殊結(jié)構(gòu)的特定位置。不同位置的氣動噪聲，其產(chǎn)生機理也不相同，大致可歸納為由于氣流流經(jīng)結(jié)構(gòu)部件表面產(chǎn)生的噪聲和湍流流動產(chǎn)生的噪聲兩大類。（1）高速列車噪聲來源節(jié)能與環(huán)保3.高速列車降噪設(shè)計③集電系統(tǒng)噪聲高速列車集電系統(tǒng)在高速運行情況下會產(chǎn)生較劇烈的噪聲，包含弓網(wǎng)滑動噪聲、電弧噪聲以及氣動噪聲。④高架結(jié)構(gòu)噪聲當(dāng)高速列車在高架結(jié)構(gòu)上運行時，由于列車運行激發(fā)軌道結(jié)構(gòu)振動并通過高架結(jié)構(gòu)各個部件（如承重梁墩臺等）從地面向臨近的建筑物傳遞，引起建筑物的墻壁、地板以及天花板振動而產(chǎn)生的低頻噪聲，稱為”二次噪聲”或結(jié)構(gòu)噪聲。⑤車內(nèi)噪聲車內(nèi)噪聲主要影響乘客和司乘人員的乘坐舒適性。（1）高速列車噪聲來源節(jié)能與環(huán)保3.高速列車降噪設(shè)計①

低噪聲車輪設(shè)計②

低噪聲受電弓設(shè)計③

低噪聲車體設(shè)計④

局部屏障⑤

聲屏障（2）高速列車降噪設(shè)計重量管理1.動車組重量評價指標(biāo)（1）平均軸重平均軸重等于車輛的總重（包括車體、轉(zhuǎn)向架定員及水的重量）除以軸數(shù)。該指標(biāo)主要反映的是車輛在前后方向的重力均衡情況，通過稱重試驗測量車輛在各個車軸的軸重來判斷車輛在前后方向的重力平衡情況。重量管理1.動車組重量評價指標(biāo)

重量管理2.動車組重量調(diào)整車輛重心位置偏移會導(dǎo)致車輛輪重和軸重的不平衡。如果重心橫向偏移較大，將引起車體偏斜，在運行中不僅容易超過限界，還會影響動車組運行的安全性；如果重