铁路车辆

本发明涉及车辆的车头形状，特别是涉及适于高速运行的铁路 车辆如高速列车的车头形状。

过去高速列车的运行速度约为200千米/小时，但现在最新式 的高速列车已提高到大约270千米/小时，而还在努力提高车速。由 于车辆的运行速度变得越来越高，车列形状和空气的流动相互更为 密切相关，这种关系大致分成下述两种情况。

第一种情况是当车辆在没有隧道的“空阔地”行驶时车辆在开阔 空间中运行的情况。在这种情况下，环境的影响不大，前端形状引起 的气流对车头形状变得至关重要。换言之，车头形状必须具有小的 空气阻力以减小车辆高速运行的动力。

第二种情况是当车辆进入隧道时在窄而有限的空间中运行。在 这种情况下，前部车辆对于隧道来说起着活塞的作用，并受到隧道的 很大影响。换言之，在车辆前部的空气在车辆和隧道之间逐渐受压 缩，并且作为称为“微压力波”的弱压缩波在隧道内以高于车速的音 速传播。这种微压力波的一部分被隧道口反射，而其主要部分作为 声音传出隧道外。在这种情况下，为了减少高速车辆对环境的影响， 减少传出隧道外的微压力波是很重要的。

为了减小作为第一个问题的空气阻力，对于高速车辆的车头形 状已有人提出过各种形状。

作为第一个现有技术的实例，日本专利申请公开文本第 124511/1993号提出了一种线性驱动车车头形状，其中，远端部分 的角度小，但是逐渐增大，以便“铲起”空气。

由于这种线性驱动车是由超导磁铁取代高速列车的车轮来驱动 的，因而对准的磁铁形成的，称为“导轨”的垂向壁设置在车辆的两 侧。车辆的转向架部分被路基和导轨在两侧包住，车体与它们之间 的间隙很小，因此，导轨的影响很大。由于导轨的存在，在前端部分 的空气不能从车辆两侧逸出，车头形状必然变成在导轨上方铲起空 气的那种形状。

作为第二种现有技术的实例，日本专利申请公开文本第61161/ 1991号公开了一种高速列车的车头形状，其中，在车头部分设置在 与地面间隔开的一个高度上，因此，在前部的空气被分成四个方向， 即，上、下、左、右，使空气沿各个方向流动。由于与线性驱动车不同， 高速列车不设有导轨，因而在车头部分被分向左、右的气流不改变地 沿车体两侧而流动，所以可以减小空气阻力。

作为现有技术的第三个实例，下述参考文献1公开了一种线性 驱动车的车头形状，其中前端部分在具有如旋转椭圆体的基本几何 形状的前部形状的基础上经过切割和倒圆。这种车头形状可以解决 第二个问题，它是以下述实验结果为基础的，即，当车辆进入隧道时， 前端部分很难发挥任何影响。

上述参考文献1是Tatuo Macda等著《列车车头形状对列车进 入隧道产生的压缩波的作用》(日本，Yokohama 1993“铁路和磁力 悬浮车加速技术国际会议”)。

第一和第二个现有技术实例分别解决了第一个问题，涉及到为 减小空气阻力的车头形状，但是没有考虑到进入隧道时的车头形 状。第二个现有技术实例提出了一种受到线性驱动车固有的导轨影 响的车头形状，在不使用导轨的高速车辆的情况下不能发挥有效的 作用。

第三个现有技术实例考虑到了作为第二个问题的进入隧道时的 车头形状，但是，它所提出的车头形状，与第二个现有技术实例一样， 更侧重于线性驱动车固有导轨的影响。

本发明的目的是提供一种高速车辆，它具有一种车头形状，当电 动车辆进入隧道时，可以减小由隧道和车辆产生的微压力波。

本发明的另一个目的是提供一种高速车辆，当采有较光锐的车 头形状时，可以减小微压力波，并保证通过驾驶室挡风玻璃的向前可 视性。

在铁路车辆中，其车头的车体横截面积沿车体纵向从车体远端 开始逐渐增加，本发明的上述目的可以通过具有下述结构的铁路车 辆实现，其中，车头部分具有前区和中区，前区存在于横截面积为最 大车体横截面积之一半的位置的远端侧，中区存在于在车体纵向上 前区的另一侧，在中区车体横截面积以预定的横截面积变化率变化， 前区的横截面积变化率大于中区的横截面积变化率。

在一种铁路车辆中，具有一个车头部分，车头部分的车体横截面 积从车体前端沿车体纵向增加，本发明的上述目的可由具有下述结 构的铁路车辆实现，其中，车头部分包括在车体纵向上分成三份的前 区、中区和后区，在前区中的横截面积变化率大于中区中的横截面 积变化率，后区中的横截面积变化率大于中区中的横截面积变化率。

在一种铁路车辆中，具有一个车头部分，在车头部分的车体横截 面积从车体的前端沿车体纵向增加，本发明的上述目的由具有下述 结构的铁路车辆车辆，其中，在车头部分包括前区和中区，中区包含 车体横截面积为最大车体横截面积之一半的位置，中区的横截面积 变化率小于前区的横截面积变化率。

在一种铁路车辆中，具有一个车头部分，在车头部分的车体横截 面积从车体前端向着另一端沿车体纵向逐渐增加，本发明的上述目 的可以由具有下述结构的铁路车辆实现，其中，车头部分包括前区、 中区和后区，中区包含车体横截面积为最大车体横截面积之一半的 位置，前区和后区的横截面积变化率均大于中区的横截面积变化率。

为了实现本发明的上述目的，本发明采用的车头部分使驾驶室 在一个范围内形成，在该范围内，车体横截面积沿车体纵向从车体远 端部分变化，车体横截面积的变化使得，至少含有横截面积为最大车 体横截面积之一半的位置的部分的横截面积变化率变得恒定不变， 使前部区域的横截面积变化率大于上述车体横截面积变化率恒定不 变部分的横截面积变化率，使在车体纵向中央侧面部分的横截面积 变化率在车体横截面积变化率变得恒定不变的部分变得较小。

本发明所提供的车头部分中，在中央部分横截面积变化率是恒 定不变的，驾驶室两侧面部分的车体宽度被减小，驾驶室挡风玻璃被 调节至保证向前可视性的角度。

驾驶室在车头部分中形成，车头部分的车体横截面积沿车体纵 向从车体远端开始变化。另外，当车头部分在车体纵向分成距离相 等的三个部分时，上述驾驶室设置在中区，驾驶室挡风玻璃的倾角调 节至可保证驾驶员向前可视性的角度上，在挡风玻璃两侧部分之下 形成凹槽部分。

附图的简要说明如下：

图1是运行障碍周围出现的压力分布的示意图；

图2是作为本发明原理的理论示意图；

图3是表示旋转抛物体、旋转椭圆体和旋转圆锥体的横截面积 和离开远端距离之间关系的曲线图；

图4是表示旋转抛物体、旋转椭圆体和旋转圆锥体的变化率的 曲线图；

图5是表示运用为本发明原理的理论所取得的压力梯度随时 间的变化的曲线图；

图6是单级抛物体截面形状的示意图；

图7是运用本发明的双级抛物体截面形状的示意图；

图8是运用本发明的三级抛物体截面形状的示意图；

图9是表示具有运用本发明的三级抛物体截面形状的三维车 体的立体图；

图10是运用本发明的三级抛物体截面形状的示意图；

图11是运用本发明的四级抛物体截面形状的示意图。

本发明以关于在车头形状横截面变化率和微压力波之间相互关 系的理论为基础，为了减小微压力波提供了一种最佳车头形状。

首先描述当车辆进入隧道时在隧道和车辆之间出现的现象。

图1示意地表示当由轴对称障碍模拟的车辆在明开阔域内行驶 时，在车辆周围出现的等压线分布。这里假定车头形状分成从远端开 始的前区1、中区2和后区3。

在包括前区1，被称为“停滞区”的前部区域中，气流被阻止而出 现阻滞现象。在这种阻滞之后，动能变为压力，在前区1中该压力变 得高于均匀流(具有与车速相同速度的流)的压力，这被称为“高压 区4”。

另一方面，在包括后区3的后部区域中，车体的横截面积向着 后方不再增大，因而气流不再受阻。因此，与前区1相反，一直增加的 压力转换成动能，压力变得低于均匀流的压力，这将称为“低压区 5”。

从高压区4至低压区5的区域是过渡区6。该过渡区6是在中区 2，含有流动方向上伸出的最大车体横截面变化率在轴对称障碍的情 况下大约为1/3，而在球形情况下大约为4/9的位置，不过上述值取 决于障碍的形状而不同。由于以过渡区6为边界，气压是变化的，因 而该区域显然是极为重要的。

接着，在车辆进入隧道之前，上述压力分布随车辆移动直至车头 趋近隧道入口，高压区4改变成在隧道内的微压力波。因此，由于高 压区的发展受到过渡区6的控制，因而为了减少微压力波，重要的 是，要正确地设计与过渡区6接触的中区2的形状。

图2示意地表示作为本发明的理论基础的构思。在车身体形状 和微压力波之间的相互关系如前所述。本发明的理论是，以作为几 何形状的旋转抛物体为基础确定上述相互关系，并根据车体横截面 变化取得压力梯度随时间变化的方法。

如图2(a)所示，旋转抛物体的车体横截面积与离开远端的距离 成正比地增加。求车体横截面积相对于在距离方向上的距离的微 分，可以自动地得到横截面积变化率。如图2(b)所示，旋转抛物体的 横截面变化率为常数。另一方面，根据作为微压力波的基本试验的 参考文献1，可以取得旋转抛物体的压力和压力梯率随时间的变化， 分别如图2(c)和2(d)所示。因此，横截面积变化率和压力梯度随时 间的变化可相互对应，代表其间相互关系的函数如图2(d)所示，因 此，无论车头形状如何，压力梯度随时间的变化可以在上述相互关 系函数的基础上根据车体的横截面积变化获取。

作为上述理论的应用，该理论可以应用在旋转随圆体和称为其 它基本几何形状的旋转圆锥体上。图3表示旋转椭圆体、旋转圆锥 体和旋转抛物体的横截面的变化。图5表示由横截面积变化率与相 互关系函数相乘得到的压力梯率随时间的变化。如图5所示，在旋转 椭圆体和旋转圆锥体之间，压力梯度随时间的变化的最大值是相等 的，其位置以前端中心为界前后移动。旋转椭圆体的横截面积变化率 在前端最大在后端最小，而在如图4所示的旋转圆锥体中其情况正 相反。更为重要的是，旋转随圆体和旋转圆锥体两者的压力梯度随 时间的变化的最大值都大于旋转抛物体的相应值。换言之，在上述 三种形状中，压力梯度随时间的变化最小的是旋转抛物体。使用本 发明的理论所取得的结果与参考文献1所述的试验结果是一致的， 这一事实支持了本发明理论的有效性。

从上述结果可以得出如下结论：为了减小微压力波的压力梯度 随时间的变化，作为车头最理想的形状是旋转抛物体。当车辆行驶 速度低，微压力波不强时，车头形状变化的距离不必很长，因此，即使 对于旋转抛物体也不会出现实际问题。但是当车速提高时，车体横 截面积变化的距离就不可避免地要加长，为了保证在旋转抛物体情 况中的容量，下述问题就会变得严重起来。换言之，旋转抛物体在保 证驾驶室和前部车辆的乘客室的容量方面就不那么理想。从保证容 量方面来说，旋转椭圆体比旋转抛物体有更大的容量，但它会产生压 力梯度随时间的变化大于旋转抛物体的问题。

因此，能够保证性能并具有小的压力梯度随时间变化的车头形 状，如旋转抛物体，就变得令人满意了。按照上述理论，相互关系函数 在前端距离的中心之前和之后达到最大。因此，上述问题的解决方 式是在中区使横截面积变化率小，而在前区和后区使其大。换言之， 将具有相互不同的横截面积变化率和多个旋转抛物体结合起来可以 构成车头形状可取的。

图6表示，作为基底和其横截面积变化率，旋转抛物体的车体 横截面积。由于这种车头形状是只由一个旋转抛物体构成的，因而 这种形状称为“单级抛物体横截面形状。同样，由N个旋转抛物体构 成的车头形状则称为“N级抛物体截面形状”。这里，由斜线表示的 面积(横截面积的变化率的积分值)等于横截面积，因而总是恒定 的、在这种车头形状中，难于保证驾驶室和乘客室的有效容量。

因此，车头部分被分成三个部分，含有车体横截面积为车体最大 横截面积之一半的位置的中区，其横截面积变化率设定得大于前区 的横截面积变化率，并且在车体横截面积相对于隧道来说较小的部 分，在短距离范围内尽可能地大。另外，在含有横截面积大约为相对 于隧道较大的最大车体横截面积之一半的位置的中区，使横截面积 变化率小于前区横截面积变化率。这样，可以使微压力波的压力梯 率平缓。另外，当驾驶室设在中区并形成挡风玻璃时，为了保证挡风 玻璃有足够的可视角度，在挡风玻璃两侧部分之下均设有凹槽部分， 因此可使压力波梯度平缓并保证驾驶室挡风玻璃的视野。

在下文中将描述本发明的多个实施例。

图7表示应用本发明的两级抛物体横截面积形状(由两个旋转 抛物体构成的车头形状)的实例。由于相互关系函数小，横截面积变 化率在前区11增加，而在相对关系函数大的中区12减小。后区13 的横截面积变化率等于中区12的横截面积变化率。由于前区横截面 积变化率大，因而可以保证驾驶室的必要容量。另外，由于可以使中 区12和后区13的横截面积变化率小，因而可使压力梯度随时间的 变化小于单级抛物体截面形状。

两级抛物体截面形状的问题在于，由于后区13的车体横截面 积变化率等于中区12的横截面积变化率，即使后区13具有小的相 互作用函数，其值必须是小的。

作为解决上述问题的，运用本发明的一个实例，图8表示一个 三级抛物体横截面形状的实例。在这个实例中，中区22对于减小微 压力波很重要，含有车体横截面积为最大车体横截面积之一半的位 置，中区22的确定与前区21和后区23无关，其车体横截面积是固 定的。前区21，中区22和后区23是将在车体纵向上横截面积变化 的部分，即车头部分，分成在车体纵向长度上基本相等的三个部分 而形成的。中区22含有车体横截面积为最大车体横截面积之一半的 位置，并设定在车体纵向上，对微压力波的压力梯度的增/减有相当 大影响的范围上。

这种三级抛物体截面形状的作用是，不用相应于微压力波压力 梯度的增加而增加车头部分的长度即可保证驾驶室的必要容量。因 为通过增加从中区22至后区23部分的容量可保证驾驶室的可视 性，所以这种形状实际上极为有效。

下面针对车辆进入隧道的现象说明车体横截面积在三个阶段上 变化的三级抛物体截面形状的效果。

车体前区21的车体横截面积小于隧道开口面积，在进入隧道 时对微压力波的影响不大。因此，即使当在这个部分上的车体横截 面积的变化率较大时，微压力波压力梯度的增加程度肯定小于中区 22。换言之，在车体的前区21，在进入隧道时排开的空气量不大，即 使当在车体横截面积的变化率较大时，对微压力波的影响也不大。 另一方面，车头部分的中区22的车体横截面在隧道开口面积中所 占比率变大，因此，排开的空气量变大，因而在进入隧道时车头的前 表面的空气压力上升。通过减小车头中区22的横截面积的变化率可 以使微压力波的压力梯度平缓。

下面对照图9描述以图8所示的三级抛物体截面形状。车体所 具有的车头形状包括前区31，中区32和后区33。在驾驶室侧面上的 车体的宽度，小于中区32接近下框架的宽度，驾驶室挡风玻璃保证 一个可以前视的角度。换言之，在下框架上方的横截面形状中，在驾 驶室两侧面形成凹槽34。但是，由于下框架直至转向架设置的位置 需要均匀一致的高度和均匀一致的宽度，因而上述车体宽度的收 缩，即，在驾驶室两侧面上的凹槽34，在下框架上方直在设置转向架 的位置，在侧面结构上形成。

按照上述结构，在车体横截面积比隧道横截面积小的前区31 中，车体横截面积变化率增大以便保证在车体纵向上短的范围内的 车体横截面积，并且在车体横截面积占隧道横截面积较大比例的中 区中减小车体横截面变化率。这样可以使微压力波的压力梯度平缓。 通过在驾驶室两侧面部分形成凹槽也可以使微压力波的压力梯度 平缓，并可保证驾驶室挡风玻璃的极好可视性。

图10表示运用本发明的三级抛物体截面形状的另一个实例。在 该实例中，在中区42的车体横截面积变化率可以制得小于前区41 和后区43的车体横截面积变化率。因此，微压力波的减小效果很 大。虽然难于保证从中区42中的驾驶室的可视性，但是如果通过计 算机处理的操作可以保证可视性，那么驾驶室可以安装在后区43。

图11表示运用本发明的四级抛物体截面形状的一个实例。由于 在本实例中级数增加，因而可以更为自由地改变车体横截面积。其 基本构思与三级抛物体截面形状相同，并可以保证驾驶室的容量和 通过驾驶室挡风玻璃的可视性。但是，当级数增加时，减小微压力波 的效果下降。

微压力波可以根据车头形状的车体横截面积变化率确定，并且 可以减少微压力波的压梯度随时间的变化，本发明根据这个理论使 车头形状最佳化。另外，当减小了微压力波的压力梯度随时间的变 化时，即使在狭长车头部分也可保证驾驶室所需的容量和前部车辆 乘客室所需的容量。