鐵路客車各部類導熱系數對整車K值影響

田根龍 姜濤 展偉

摘 要：隨著技術的發展，人們對出行的要求也在不斷提高，不僅是傳統要求的快速、安全抵達，對于乘坐過程的舒適性也提出了更高的要求。整車的隔熱能力，作為車輛整體參數的一部分，對于車輛舒適性的提高有著重要作用。合理的車輛隔熱設計對降低車輛能耗及車輛輕量化設計也都具有正面的影響，被越來越多的客戶所重視。傳統設計方法實驗測試周期長、投入大，使測試成本大幅提高。本文期望從理論計算角度出發，找出車輛各部類的隔熱性能對整車K值的性能影響，在設計之初即根據客戶的性能K值要求，確定整體隔熱設計效果，減少設計返工量，提高設計效率。

關鍵詞：整車K值;導熱系數;鐵路客車

1 K值概述

隨著技術的發展，人們對出行的要求也在不斷提高，不僅是傳統要求的快速、安全抵達，對于乘坐過程的舒適性也提出了更高的要求。整車的隔熱性能，作為車輛整體參數的一部分，對于車輛舒適性的提高有著重要作用。車輛的隔熱性能以整車的傳熱系數K值作為具體的量化描述形式，計算車輛K值對于車輛整體設計有著重要影響，同時也是空調負荷計算的主要依據。不同的車型、不同的車體結構以及不同的運行速度的列車，其K值也各不相同。

由于K值無法直接確定，傳統設計方法是首先依據過往經驗進行初步設計，在車輛設計結束后采用模擬計算的方式反推車輛K值，根據現有值與理想值之間的差距，返回設計源頭進行隔熱設計修改。并在樣車生產完成后，通過實驗的方法對整車進行測試，以確定最終K值。由于是以經驗值作為初步設計依據，往往結果與實際需求相差較大，需要多次修訂。而且整車計算和試驗測試周期長、投入大。對于沒有先例的新形式車輛的設計來說更會使設計周期和設計成本大幅提高。

本文期望從理論計算角度出發，找出各部分隔熱性能對整車K值的性能影響，在設計之初即根據客戶對K值的要求，確定整體隔熱設計效果，減少設計返工量，提高設計效率。

2 車輛傳熱系數計算方法

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

按照TB1957-91《空調客車熱工計算方法》，在車輛空調負荷計算中車體傳熱負荷所占的比重較高，且與車體結構和運行速度有直接關系。改善車體熱工性能、降低K值，有助于降低空調負荷及改善車室內的熱環境。

由于車體各部位的結構不同，所采用的材料不一樣，K值也會隨之變化。而準確的確定各部分的K值對于車體傳熱負荷的計算及隔熱保溫的設計均具有重要的現實意義。

從整車結構來看，影響整體傳熱系數的部位主要分為三部分結構，即普通平壁結構（車輛普通側墻、頂板、地板等部位）、薄弱部位結構（車輛門、窗等）以及冷橋結構。車體一般有多層：車體型材，面板，隔熱層等，分為車頂、車底、側墻和端墻四部分，按照第三類邊界條件的多層平壁導熱進行計算。由于現行車輛門窗等部件結構較復雜但部件整體性較強，便于單獨檢測，因此將薄弱部分看作一個整體模塊進行計算。

冷橋是由于某種材料的導熱系數遠遠大于它周圍材料的導熱系數而產生的。冷橋的存在會導致車體傳熱系數的增加，影響情況與冷橋面積及冷橋區域的K值有關。

列車容易產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。穿透螺栓連接內外表面，可以直接形成冷橋;固定螺栓和其他金屬構件連接，可以間接形成冷橋。主要分布在車底、側墻和端部。

（2）螺釘：螺釘用來固定構件，穿透車體形成冷橋。主要分布在側墻。

（3）玻璃窗及其固定構件：玻璃窗厚度小于車體，其導熱系數大于車體，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）與車體相連接的金屬構件：這類金屬構件主要指金屬梁體、金屬槽、骨架、型材等穿透隔熱材的構件。主要分布在車底、車頂和側墻。

產生冷橋的部位傳熱面積比較小，但是熱流密度很大。冷橋結點較多的情況下，冷橋對整車傳熱的影響更加明顯。在計算過程中，冷橋部分與車體其他部分的K值往往通過不同算法取得。通常運用等效K值計算方法得到整車平均K值。

結構較為簡單的平壁K值可直接通過公式計算得到。冷橋部分及結構復雜的平壁則可根據平壁與冷橋結構與材料建立模型，用ANSYS軟件進行模擬計算。

根據以往經驗，冷橋的影響面積按冷橋溫度與周圍平壁溫度相差3%的面積計算。根據各部分的K值和影響面積，然后進行面積加權，最終求得整車的平均K值。整車等效K值計算公式如下：

鐵標《空調客車熱工計算書》（TB1957-91）、《客車采暖通風設計參數》（TB1955-87）、《客車空調設計參數》（TB1951-87）等標準中，對如何確定普通客車靜止和不同時速下的車體內外表面對流換熱系數進行了規定。

3 總結

至此，在忽略冷橋影響的情況下可根據車輛各部件的隔熱性能初步確定具體隔熱材料性能及鋪設厚度的初步設計數據。如需進一步進行精確計算，則需對車輛冷橋進行模擬計算。冷橋部分及結構復雜的平壁則可根據平壁與冷橋結構與材料建立模型，用ANSYS軟件進行模擬計算。

參考文獻：

[1]青島理工大學.導軌電車整車體K值分析報告2015[R].

[2]客車空調設計參數（TB1951-87）[S].

[3]客車采暖通風設計參數（TB1955-87）[S].

[4]空調客車熱工計算書（TB1957-91）[S].