田根龍 姜濤 展偉

摘 要：隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)出行的要求也在不斷提高，不僅是傳統(tǒng)要求的快速、安全抵達(dá)，對(duì)于乘坐過(guò)程的舒適性也提出了更高的要求。整車(chē)的隔熱能力，作為車(chē)輛整體參數(shù)的一部分，對(duì)于車(chē)輛舒適性的提高有著重要作用。合理的車(chē)輛隔熱設(shè)計(jì)對(duì)降低車(chē)輛能耗及車(chē)輛輕量化設(shè)計(jì)也都具有正面的影響，被越來(lái)越多的客戶(hù)所重視。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)測(cè)試周期長(zhǎng)、投入大，使測(cè)試成本大幅提高。本文期望從理論計(jì)算角度出發(fā)，找出車(chē)輛各部類(lèi)的隔熱性能對(duì)整車(chē)K值的性能影響，在設(shè)計(jì)之初即根據(jù)客戶(hù)的性能K值要求，確定整體隔熱設(shè)計(jì)效果，減少設(shè)計(jì)返工量，提高設(shè)計(jì)效率。

關(guān)鍵詞：整車(chē)K值;導(dǎo)熱系數(shù);鐵路客車(chē)

1 K值概述

隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)出行的要求也在不斷提高，不僅是傳統(tǒng)要求的快速、安全抵達(dá)，對(duì)于乘坐過(guò)程的舒適性也提出了更高的要求。整車(chē)的隔熱性能，作為車(chē)輛整體參數(shù)的一部分，對(duì)于車(chē)輛舒適性的提高有著重要作用。車(chē)輛的隔熱性能以整車(chē)的傳熱系數(shù)K值作為具體的量化描述形式，計(jì)算車(chē)輛K值對(duì)于車(chē)輛整體設(shè)計(jì)有著重要影響，同時(shí)也是空調(diào)負(fù)荷計(jì)算的主要依據(jù)。不同的車(chē)型、不同的車(chē)體結(jié)構(gòu)以及不同的運(yùn)行速度的列車(chē)，其K值也各不相同。

由于K值無(wú)法直接確定，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是首先依據(jù)過(guò)往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，在車(chē)輛設(shè)計(jì)結(jié)束后采用模擬計(jì)算的方式反推車(chē)輛K值，根據(jù)現(xiàn)有值與理想值之間的差距，返回設(shè)計(jì)源頭進(jìn)行隔熱設(shè)計(jì)修改。并在樣車(chē)生產(chǎn)完成后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)整車(chē)進(jìn)行測(cè)試，以確定最終K值。由于是以經(jīng)驗(yàn)值作為初步設(shè)計(jì)依據(jù)，往往結(jié)果與實(shí)際需求相差較大，需要多次修訂。而且整車(chē)計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試周期長(zhǎng)、投入大。對(duì)于沒(méi)有先例的新形式車(chē)輛的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)更會(huì)使設(shè)計(jì)周期和設(shè)計(jì)成本大幅提高。

本文期望從理論計(jì)算角度出發(fā)，找出各部分隔熱性能對(duì)整車(chē)K值的性能影響，在設(shè)計(jì)之初即根據(jù)客戶(hù)對(duì)K值的要求，確定整體隔熱設(shè)計(jì)效果，減少設(shè)計(jì)返工量，提高設(shè)計(jì)效率。

2 車(chē)輛傳熱系數(shù)計(jì)算方法

影響車(chē)輛隔熱性能的主要因素在于隔熱材料本身性能及厚度、車(chē)體隔熱薄弱點(diǎn)（門(mén)、窗等無(wú)車(chē)體部分）及冷橋。

按照TB1957-91《空調(diào)客車(chē)熱工計(jì)算方法》，在車(chē)輛空調(diào)負(fù)荷計(jì)算中車(chē)體傳熱負(fù)荷所占的比重較高，且與車(chē)體結(jié)構(gòu)和運(yùn)行速度有直接關(guān)系。改善車(chē)體熱工性能、降低K值，有助于降低空調(diào)負(fù)荷及改善車(chē)室內(nèi)的熱環(huán)境。

由于車(chē)體各部位的結(jié)構(gòu)不同，所采用的材料不一樣，K值也會(huì)隨之變化。而準(zhǔn)確的確定各部分的K值對(duì)于車(chē)體傳熱負(fù)荷的計(jì)算及隔熱保溫的設(shè)計(jì)均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

從整車(chē)結(jié)構(gòu)來(lái)看，影響整體傳熱系數(shù)的部位主要分為三部分結(jié)構(gòu)，即普通平壁結(jié)構(gòu)（車(chē)輛普通側(cè)墻、頂板、地板等部位）、薄弱部位結(jié)構(gòu)（車(chē)輛門(mén)、窗等）以及冷橋結(jié)構(gòu)。車(chē)體一般有多層：車(chē)體型材，面板，隔熱層等，分為車(chē)頂、車(chē)底、側(cè)墻和端墻四部分，按照第三類(lèi)邊界條件的多層平壁導(dǎo)熱進(jìn)行計(jì)算。由于現(xiàn)行車(chē)輛門(mén)窗等部件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜但部件整體性較強(qiáng)，便于單獨(dú)檢測(cè)，因此將薄弱部分看作一個(gè)整體模塊進(jìn)行計(jì)算。

冷橋是由于某種材料的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它周?chē)牧系膶?dǎo)熱系數(shù)而產(chǎn)生的。冷橋的存在會(huì)導(dǎo)致車(chē)體傳熱系數(shù)的增加，影響情況與冷橋面積及冷橋區(qū)域的K值有關(guān)。

列車(chē)容易產(chǎn)生的冷橋的部位一般有以下幾處：

（1）螺栓：有穿透螺栓和固定螺栓兩大類(lèi)。穿透螺栓連接內(nèi)外表面，可以直接形成冷橋;固定螺栓和其他金屬構(gòu)件連接，可以間接形成冷橋。主要分布在車(chē)底、側(cè)墻和端部。

（2）螺釘：螺釘用來(lái)固定構(gòu)件，穿透車(chē)體形成冷橋。主要分布在側(cè)墻。

（3）玻璃窗及其固定構(gòu)件：玻璃窗厚度小于車(chē)體，其導(dǎo)熱系數(shù)大于車(chē)體，可以形成冷橋。固定玻璃窗的緊固件主要是螺栓和型材，能夠間接形成冷橋。

（4）與車(chē)體相連接的金屬構(gòu)件：這類(lèi)金屬構(gòu)件主要指金屬梁體、金屬槽、骨架、型材等穿透隔熱材的構(gòu)件。主要分布在車(chē)底、車(chē)頂和側(cè)墻。

產(chǎn)生冷橋的部位傳熱面積比較小，但是熱流密度很大。冷橋結(jié)點(diǎn)較多的情況下，冷橋?qū)φ?chē)傳熱的影響更加明顯。在計(jì)算過(guò)程中，冷橋部分與車(chē)體其他部分的K值往往通過(guò)不同算法取得。通常運(yùn)用等效K值計(jì)算方法得到整車(chē)平均K值。

結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的平壁K值可直接通過(guò)公式計(jì)算得到。冷橋部分及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的平壁則可根據(jù)平壁與冷橋結(jié)構(gòu)與材料建立模型，用ANSYS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，冷橋的影響面積按冷橋溫度與周?chē)奖跍囟认嗖?%的面積計(jì)算。根據(jù)各部分的K值和影響面積，然后進(jìn)行面積加權(quán)，最終求得整車(chē)的平均K值。整車(chē)等效K值計(jì)算公式如下：

鐵標(biāo)《空調(diào)客車(chē)熱工計(jì)算書(shū)》（TB1957-91）、《客車(chē)采暖通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)》（TB1955-87）、《客車(chē)空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)》（TB1951-87）等標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)如何確定普通客車(chē)靜止和不同時(shí)速下的車(chē)體內(nèi)外表面對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行了規(guī)定。

3 總結(jié)

至此，在忽略冷橋影響的情況下可根據(jù)車(chē)輛各部件的隔熱性能初步確定具體隔熱材料性能及鋪設(shè)厚度的初步設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。如需進(jìn)一步進(jìn)行精確計(jì)算，則需對(duì)車(chē)輛冷橋進(jìn)行模擬計(jì)算。冷橋部分及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的平壁則可根據(jù)平壁與冷橋結(jié)構(gòu)與材料建立模型，用ANSYS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。

參考文獻(xiàn)：

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