铁路客车各部类导热系数对整车K值影响

田根龙 姜涛 展伟

摘 要：随着技术的发展，人们对出行的要求也在不断提高，不仅是传统要求的快速、安全抵达，对于乘坐过程的舒适性也提出了更高的要求。整车的隔热能力，作为车辆整体参数的一部分，对于车辆舒适性的提高有着重要作用。合理的车辆隔热设计对降低车辆能耗及车辆轻量化设计也都具有正面的影响，被越来越多的客户所重视。传统设计方法实验测试周期长、投入大，使测试成本大幅提高。本文期望从理论计算角度出发，找出车辆各部类的隔热性能对整车K值的性能影响，在设计之初即根据客户的性能K值要求，确定整体隔热设计效果，减少设计返工量，提高设计效率。

关键词：整车K值;导热系数;铁路客车

1 K值概述

随着技术的发展，人们对出行的要求也在不断提高，不仅是传统要求的快速、安全抵达，对于乘坐过程的舒适性也提出了更高的要求。整车的隔热性能，作为车辆整体参数的一部分，对于车辆舒适性的提高有着重要作用。车辆的隔热性能以整车的传热系数K值作为具体的量化描述形式，计算车辆K值对于车辆整体设计有着重要影响，同时也是空调负荷计算的主要依据。不同的车型、不同的车体结构以及不同的运行速度的列车，其K值也各不相同。

由于K值无法直接确定，传统设计方法是首先依据过往经验进行初步设计，在车辆设计结束后采用模拟计算的方式反推车辆K值，根据现有值与理想值之间的差距，返回设计源头进行隔热设计修改。并在样车生产完成后，通过实验的方法对整车进行测试，以确定最终K值。由于是以经验值作为初步设计依据，往往结果与实际需求相差较大，需要多次修订。而且整车计算和试验测试周期长、投入大。对于没有先例的新形式车辆的设计来说更会使设计周期和设计成本大幅提高。

本文期望从理论计算角度出发，找出各部分隔热性能对整车K值的性能影响，在设计之初即根据客户对K值的要求，确定整体隔热设计效果，减少设计返工量，提高设计效率。

2 车辆传热系数计算方法

影响车辆隔热性能的主要因素在于隔热材料本身性能及厚度、车体隔热薄弱点（门、窗等无车体部分）及冷桥。

按照TB1957-91《空调客车热工计算方法》，在车辆空调负荷计算中车体传热负荷所占的比重较高，且与车体结构和运行速度有直接关系。改善车体热工性能、降低K值，有助于降低空调负荷及改善车室内的热环境。

由于车体各部位的结构不同，所采用的材料不一样，K值也会随之变化。而准确的确定各部分的K值对于车体传热负荷的计算及隔热保温的设计均具有重要的现实意义。

从整车结构来看，影响整体传热系数的部位主要分为三部分结构，即普通平壁结构（车辆普通侧墙、顶板、地板等部位）、薄弱部位结构（车辆门、窗等）以及冷桥结构。车体一般有多层：车体型材，面板，隔热层等，分为车顶、车底、侧墙和端墙四部分，按照第三类边界条件的多层平壁导热进行计算。由于现行车辆门窗等部件结构较复杂但部件整体性较强，便于单独检测，因此将薄弱部分看作一个整体模块进行计算。

冷桥是由于某种材料的导热系数远远大于它周围材料的导热系数而产生的。冷桥的存在会导致车体传热系数的增加，影响情况与冷桥面积及冷桥区域的K值有关。

列车容易产生的冷桥的部位一般有以下几处：

（1）螺栓：有穿透螺栓和固定螺栓两大类。穿透螺栓连接内外表面，可以直接形成冷桥;固定螺栓和其他金属构件连接，可以间接形成冷桥。主要分布在车底、侧墙和端部。

（2）螺钉：螺钉用来固定构件，穿透车体形成冷桥。主要分布在侧墙。

（3）玻璃窗及其固定构件：玻璃窗厚度小于车体，其导热系数大于车体，可以形成冷桥。固定玻璃窗的紧固件主要是螺栓和型材，能够间接形成冷桥。

（4）与车体相连接的金属构件：这类金属构件主要指金属梁体、金属槽、骨架、型材等穿透隔热材的构件。主要分布在车底、车顶和侧墙。

产生冷桥的部位传热面积比较小，但是热流密度很大。冷桥结点较多的情况下，冷桥对整车传热的影响更加明显。在计算过程中，冷桥部分与车体其他部分的K值往往通过不同算法取得。通常运用等效K值计算方法得到整车平均K值。

结构较为简单的平壁K值可直接通过公式计算得到。冷桥部分及结构复杂的平壁则可根据平壁与冷桥结构与材料建立模型，用ANSYS软件进行模拟计算。

根据以往经验，冷桥的影响面积按冷桥温度与周围平壁温度相差3%的面积计算。根据各部分的K值和影响面积，然后进行面积加权，最终求得整车的平均K值。整车等效K值计算公式如下：

铁标《空調客车热工计算书》（TB1957-91）、《客车采暖通风设计参数》（TB1955-87）、《客车空调设计参数》（TB1951-87）等标准中，对如何确定普通客车静止和不同时速下的车体内外表面对流换热系数进行了规定。

3 总结

至此，在忽略冷桥影响的情况下可根据车辆各部件的隔热性能初步确定具体隔热材料性能及铺设厚度的初步设计数据。如需进一步进行精确计算，则需对车辆冷桥进行模拟计算。冷桥部分及结构复杂的平壁则可根据平壁与冷桥结构与材料建立模型，用ANSYS软件进行模拟计算。

参考文献：

[1]青岛理工大学.导轨电车整车体K值分析报告2015[R].

[2]客车空调设计参数（TB1951-87）[S].

[3]客车采暖通风设计参数（TB1955-87）[S].

[4]空调客车热工计算书（TB1957-91）[S].