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摘 要：针对25型客车既有技术特点，对车体密封、局部薄弱点和防寒材选型、结构设计方面进行研究和设计。
关键词：普通中低速客 25型 热传递 K值 隔热 设计方案
Research in insulation structure system of train of 25 version
Sun He
（Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070，China； 2. Beijing Feb. 7th Railway Transportation Equipment Co.， ltd， Beijing 100072）
Abstract： Base on technology of the 25 version train，this paper make a study for the sealing of the train body ； the located weak spot and the model selection ，configuration designing for the train.
Keywords： 25version；thermal transmission K value； insulation structure Design scheme
一、25型普通中低速客车综述
25型（25B、25G、25K、25T等）碳钢车为我国铁路普通中低速客车主要运营车辆。下面简单介绍该车型的主要特点。
我国国产化25型客车。车顶设两台空调机组，集中供电、电热采暖，是我国现阶段运行的主型硬座客车。车顶装饰采用流行的PC合金板模具成型结构，色彩柔和，不褪色。车窗全部采用铝合金框架、双层玻璃结构，透光性、保温性、密封性均较好。
二、热传递的原理
物体的热量传递主要包括三类：传导、对流、辐射。而对于铁路客车车体的传热，主要是由室内外温差造成的，热量通过车体钢结构及其隔热壁上的构件进行传导。传导热是由车辆的行车速度、构成车辆的各种材料的导热系数有关的传热系数（K值）及车内外温差、车辆内外几何表面积等因素决定。隔热壁的传热系数K值，是指车内外空气温度相差1℃时，在1h内，通过1m2隔热壁表面积所传递的热量。它表示车体隔热壁允许热量通过的能力：K值越大，在同样的传热面积与车内外温差的情况下，通过的热量愈多，隔热性能就越差。
为了使客车的车内温度保持在一定范围内，营造一个舒适的旅行环境，除了安装制冷和加热设备外，还必须要求车体具有一定的隔热性能，当车外空气温度有强烈波动，或车内旅客数量增减、空调功率变化时，要求隔热壁能够起到减小车内空气及隔热壁内表面的温度波动的作用。因此，在既有技术条件下，不同隔热材料的巧妙搭配，发挥其最佳的性能，降低车体隔热壁的综合传热系数K值，是进行客车车体隔热壁的热工性能设计研究的一项重要的工作。
三、影响车体隔热壁的因素
1.车体的密封性的影响
车体防寒的选择计算是在理想状态下，再考虑设定一定的安全冗余系数。但因车体不密封而造成的传热热流损失是无法估计的，所以车体各部位的密封至关重要。比如：门的密封，尤其是内外端门和侧门、厕所及盥洗室排水孔的密封、空调密封、车窗密封、电气柜上线孔密封等。这些都会对车辆的防寒性能产生很大的影响。
隔热壁的湿度状况，与其热工性能关系甚大。当隔热壁内的隔热材料的空隙，由于受潮而充满水分时，因为水的导热系数为0.58 W/（m·K），大大高于空气的导热系数0.029 W/（m·K），因而将降低其隔热性能，增加了车内取暖、制冷等设备的负荷，同时由于隔热壁内部湿度的增加，将会促使材料的破坏、老化，降低材料的耐久性。从车内的情况来分析，由于内表面温度的降低，则将可能产生表面结露，影响车内的舒适性。
2.冷桥及其对车体传热的影响
列车车体的传热分析采用的是一维稳态传热模型，把车体结构传热计算简化为多层平壁传热形式，而由于车体骨架和连接构件的存在，隔热层组织會出现断点，导致冷桥的出现，使车体传热出现不均匀性，单纯的一维稳态多层平壁传热计算已经不能准确地得出车体传热负荷。
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。列车容易产生冷桥的部位一般有螺栓、螺钉、防寒钉、门窗及其固定构件和贯通车体的金属构件等。
冷桥的危害是非常大的，它不仅增加了车体局部传热量，降低了车体平均传热热阻，还恶化了围护结构内表面的温度环境.由于冷桥部位内表面温度较低，寒冬期间，该处温度有可能低于室内空气的露点温度。此时，水蒸气就会凝结在其表面，形成结露。当结露达到一定程度时，凝结水渗入到隔热材，导致隔热效果恶化，性能降低，使整个车体的传热量增加，造成能源的浪费。
3.材料及结构的影响
不同材料的隔热性能不同，甚至相差很大，不过大致来讲，非金属材料优于金属材料，复合材料优于单一材料。车厢隔热壁的性能优劣，在保证一定的经济成本的前提下，与其材料的搭配、结构的选择密不可分。
表1 铁路客车常用材料的物理特性
表2 车辆隔热壁外表面常用材料及涂饰的太阳辐射吸收系数
4.运行速度的影响
经验表明，客车的传热系数K值是随速度的增加而增大。如同一辆车在静止情况下K值为1.16 W/（m·K），而在运行速度达到160 km/h时，K值将上升到2.22 W/（m·K）。因而运行速度的提高也对车辆的防寒的综合性能指标提出了更高的要求。
四、提高隔热、保温性能的研发方案
经过对上述因素的充分考虑及论证，在普通中低速客车的隔热保温系统设计中，重点对以下部位及系统进行了优化设计： 1.车体及门窗密封
所有车辆均要求了良好的气密性，车辆内部压力从2500Pa降到1000Pa的时间≥30s。为此，车体外皮采用整体涨拉蒙皮结构焊接而成，为筒型整体承载结构，具有良好的隔音效果。空调机组部位采用不锈钢材料焊接，保证其防腐性能，能承受南方闷热潮湿的对车体的侵害。车体的焊接具有良好的防腐性及满足规定的环境保护和防火要求；同时由于焊缝质量和数量较22型车有很大的改观，消除了一些密封不良的影响，并在各非封闭焊缝周边涂抹必要的密封胶对焊缝的密封性能得到增强。
当列车运行和进出隧道时，塞拉门（25T型车）和普通推拉门要承受强大的空气压力波，所以门框及其固定装置、门扇和其固定装置必须具有很高的强度和刚度。考虑到车内气压波动对乘员舒适性的影响，车门采用整体冲压密闭加入防寒材料结构。该结构具有较好的隔音隔热性能。
客车的车窗车窗全部采用铝合金框架、双层玻璃结构，透光性、保温性、密封性均较好。
表3 车窗技术参数
2. 与车体连接件阻断热桥
列车容易产生冷桥的部位一般有螺栓、螺钉、防寒钉、门窗及其固定构件和贯通车体的金属构件等，而由于安装结构所限制，在车体内部不得以设置一些无法被防寒材料所覆盖的金属零部件，为此，在设计中，对于上述情况采用了以下几种设计结构予以弱化冷桥的作用：
a） 粘貼毛毡、橡胶板等非金属材料；b） 增加阻尼橡胶板；c） 采用保温螺栓[1]。
3.防寒材料选型、结构选型
为保证客车的防寒、防火、隔音等诸多安全、舒适性能要求，内部需要安装防寒材料，其材料不仅能够很好的降低客车的传热系数，提高车体的隔热性能，而且可以大大改善客车的隔声吸声性能及密封性能。绝热材料主要包括两大类：有机绝热材料和无机绝热材料。目前，应用较多的有机绝热材料主要包括油毡、毛毡、硬质聚氨酯泡沫塑料、高压聚乙烯泡沫塑料及橡塑海绵；无机绝热材料主要包括各种矿物纤维类制品，如超细玻璃棉板、岩棉、硅酸铝棉板等。
当今广泛应用的玻璃棉具有以下技术特点：
a）厚度调节的边界适应性好；b）容重小，利于车辆的轻量化的需求；c）热导率低； d）吸声性能好； e）耐腐蚀，化学性能稳定；f） 阻燃性好；g）有很好的经济性。
但是玻璃棉的应用在工程应用中会出现一下的弊端，如：
a） 吸水后质量急剧增加，隔声、隔热性能急剧下降。b） 环保性能差，由于玻璃纤维直径小，散落到空气中会对人体的呼吸系统产生不利的影响。
针对以上缺陷，在防寒材设计过程中，在防寒材的安装结构与搭配上做适当地处理，例如在接缝处采用了密封处理，防止玻璃纤维的脱落及粘接剂的挥发。高性能聚酯保温棉在性能上与玻璃棉差别不大，主要的特点是具有很好的环保特性，可回收率达100%，对于操作者来说具有更高的安全性。使用寿命长也是高性能聚酯保温棉的另一个特点，据现有数据显示，可达30年左右。目前根据各自不同的设计需要，使用以上两种材料作为保温隔热用途。目前中低速客车仍然采用玻璃棉材料作为防寒材，并通过合理的安装结构设计和材料搭配，实现了良好的整车防寒隔热效果。
五、小结
经过采取以上措施，并辅以在全国的各个线路：如京哈、京沪线、京广线等十几年的实际运行情况看，普通中低速客车经历了我国不同气候环境，不同纬度的线路运行，承受北方室外-45℃和南方40℃环境的考验，经检测各种车型的密封性能良好、各车温湿度等空气参数等基本符合人体正常的生理要求，证明了上述方案是切实有效的，经受住了各种天气的考验，基本达到了预期的设计目标。此方案经过时间的检验，线路运营的实践，为后续轨道车辆隔热系统的结构设计提供了有力的参考依据。
参考文献
[1] 陈志华.保温螺栓的应用及研究.天津大学，2004《工业建筑》4期.
[2] TB/T 3138-2006 《机车车辆阻燃材料技术条件》.
关键词：普通中低速客 25型 热传递 K值 隔热 设计方案
Research in insulation structure system of train of 25 version
Sun He
（Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070，China； 2. Beijing Feb. 7th Railway Transportation Equipment Co.， ltd， Beijing 100072）
Abstract： Base on technology of the 25 version train，this paper make a study for the sealing of the train body ； the located weak spot and the model selection ，configuration designing for the train.
Keywords： 25version；thermal transmission K value； insulation structure Design scheme
一、25型普通中低速客车综述
25型（25B、25G、25K、25T等）碳钢车为我国铁路普通中低速客车主要运营车辆。下面简单介绍该车型的主要特点。
我国国产化25型客车。车顶设两台空调机组，集中供电、电热采暖，是我国现阶段运行的主型硬座客车。车顶装饰采用流行的PC合金板模具成型结构，色彩柔和，不褪色。车窗全部采用铝合金框架、双层玻璃结构，透光性、保温性、密封性均较好。
二、热传递的原理
物体的热量传递主要包括三类：传导、对流、辐射。而对于铁路客车车体的传热，主要是由室内外温差造成的，热量通过车体钢结构及其隔热壁上的构件进行传导。传导热是由车辆的行车速度、构成车辆的各种材料的导热系数有关的传热系数（K值）及车内外温差、车辆内外几何表面积等因素决定。隔热壁的传热系数K值，是指车内外空气温度相差1℃时，在1h内，通过1m2隔热壁表面积所传递的热量。它表示车体隔热壁允许热量通过的能力：K值越大，在同样的传热面积与车内外温差的情况下，通过的热量愈多，隔热性能就越差。
为了使客车的车内温度保持在一定范围内，营造一个舒适的旅行环境，除了安装制冷和加热设备外，还必须要求车体具有一定的隔热性能，当车外空气温度有强烈波动，或车内旅客数量增减、空调功率变化时，要求隔热壁能够起到减小车内空气及隔热壁内表面的温度波动的作用。因此，在既有技术条件下，不同隔热材料的巧妙搭配，发挥其最佳的性能，降低车体隔热壁的综合传热系数K值，是进行客车车体隔热壁的热工性能设计研究的一项重要的工作。
三、影响车体隔热壁的因素
1.车体的密封性的影响
车体防寒的选择计算是在理想状态下，再考虑设定一定的安全冗余系数。但因车体不密封而造成的传热热流损失是无法估计的，所以车体各部位的密封至关重要。比如：门的密封，尤其是内外端门和侧门、厕所及盥洗室排水孔的密封、空调密封、车窗密封、电气柜上线孔密封等。这些都会对车辆的防寒性能产生很大的影响。
隔热壁的湿度状况，与其热工性能关系甚大。当隔热壁内的隔热材料的空隙，由于受潮而充满水分时，因为水的导热系数为0.58 W/（m·K），大大高于空气的导热系数0.029 W/（m·K），因而将降低其隔热性能，增加了车内取暖、制冷等设备的负荷，同时由于隔热壁内部湿度的增加，将会促使材料的破坏、老化，降低材料的耐久性。从车内的情况来分析，由于内表面温度的降低，则将可能产生表面结露，影响车内的舒适性。
2.冷桥及其对车体传热的影响
列车车体的传热分析采用的是一维稳态传热模型，把车体结构传热计算简化为多层平壁传热形式，而由于车体骨架和连接构件的存在，隔热层组织會出现断点，导致冷桥的出现，使车体传热出现不均匀性，单纯的一维稳态多层平壁传热计算已经不能准确地得出车体传热负荷。
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。列车容易产生冷桥的部位一般有螺栓、螺钉、防寒钉、门窗及其固定构件和贯通车体的金属构件等。
冷桥的危害是非常大的，它不仅增加了车体局部传热量，降低了车体平均传热热阻，还恶化了围护结构内表面的温度环境.由于冷桥部位内表面温度较低，寒冬期间，该处温度有可能低于室内空气的露点温度。此时，水蒸气就会凝结在其表面，形成结露。当结露达到一定程度时，凝结水渗入到隔热材，导致隔热效果恶化，性能降低，使整个车体的传热量增加，造成能源的浪费。
3.材料及结构的影响
不同材料的隔热性能不同，甚至相差很大，不过大致来讲，非金属材料优于金属材料，复合材料优于单一材料。车厢隔热壁的性能优劣，在保证一定的经济成本的前提下，与其材料的搭配、结构的选择密不可分。
表1 铁路客车常用材料的物理特性
表2 车辆隔热壁外表面常用材料及涂饰的太阳辐射吸收系数
4.运行速度的影响
经验表明，客车的传热系数K值是随速度的增加而增大。如同一辆车在静止情况下K值为1.16 W/（m·K），而在运行速度达到160 km/h时，K值将上升到2.22 W/（m·K）。因而运行速度的提高也对车辆的防寒的综合性能指标提出了更高的要求。
四、提高隔热、保温性能的研发方案
经过对上述因素的充分考虑及论证，在普通中低速客车的隔热保温系统设计中，重点对以下部位及系统进行了优化设计： 1.车体及门窗密封
所有车辆均要求了良好的气密性，车辆内部压力从2500Pa降到1000Pa的时间≥30s。为此，车体外皮采用整体涨拉蒙皮结构焊接而成，为筒型整体承载结构，具有良好的隔音效果。空调机组部位采用不锈钢材料焊接，保证其防腐性能，能承受南方闷热潮湿的对车体的侵害。车体的焊接具有良好的防腐性及满足规定的环境保护和防火要求；同时由于焊缝质量和数量较22型车有很大的改观，消除了一些密封不良的影响，并在各非封闭焊缝周边涂抹必要的密封胶对焊缝的密封性能得到增强。
当列车运行和进出隧道时，塞拉门（25T型车）和普通推拉门要承受强大的空气压力波，所以门框及其固定装置、门扇和其固定装置必须具有很高的强度和刚度。考虑到车内气压波动对乘员舒适性的影响，车门采用整体冲压密闭加入防寒材料结构。该结构具有较好的隔音隔热性能。
客车的车窗车窗全部采用铝合金框架、双层玻璃结构，透光性、保温性、密封性均较好。
表3 车窗技术参数
2. 与车体连接件阻断热桥
列车容易产生冷桥的部位一般有螺栓、螺钉、防寒钉、门窗及其固定构件和贯通车体的金属构件等，而由于安装结构所限制，在车体内部不得以设置一些无法被防寒材料所覆盖的金属零部件，为此，在设计中，对于上述情况采用了以下几种设计结构予以弱化冷桥的作用：
a） 粘貼毛毡、橡胶板等非金属材料；b） 增加阻尼橡胶板；c） 采用保温螺栓[1]。
3.防寒材料选型、结构选型
为保证客车的防寒、防火、隔音等诸多安全、舒适性能要求，内部需要安装防寒材料，其材料不仅能够很好的降低客车的传热系数，提高车体的隔热性能，而且可以大大改善客车的隔声吸声性能及密封性能。绝热材料主要包括两大类：有机绝热材料和无机绝热材料。目前，应用较多的有机绝热材料主要包括油毡、毛毡、硬质聚氨酯泡沫塑料、高压聚乙烯泡沫塑料及橡塑海绵；无机绝热材料主要包括各种矿物纤维类制品，如超细玻璃棉板、岩棉、硅酸铝棉板等。
当今广泛应用的玻璃棉具有以下技术特点：
a）厚度调节的边界适应性好；b）容重小，利于车辆的轻量化的需求；c）热导率低； d）吸声性能好； e）耐腐蚀，化学性能稳定；f） 阻燃性好；g）有很好的经济性。
但是玻璃棉的应用在工程应用中会出现一下的弊端，如：
a） 吸水后质量急剧增加，隔声、隔热性能急剧下降。b） 环保性能差，由于玻璃纤维直径小，散落到空气中会对人体的呼吸系统产生不利的影响。
针对以上缺陷，在防寒材设计过程中，在防寒材的安装结构与搭配上做适当地处理，例如在接缝处采用了密封处理，防止玻璃纤维的脱落及粘接剂的挥发。高性能聚酯保温棉在性能上与玻璃棉差别不大，主要的特点是具有很好的环保特性，可回收率达100%，对于操作者来说具有更高的安全性。使用寿命长也是高性能聚酯保温棉的另一个特点，据现有数据显示，可达30年左右。目前根据各自不同的设计需要，使用以上两种材料作为保温隔热用途。目前中低速客车仍然采用玻璃棉材料作为防寒材，并通过合理的安装结构设计和材料搭配，实现了良好的整车防寒隔热效果。
五、小结
经过采取以上措施，并辅以在全国的各个线路：如京哈、京沪线、京广线等十几年的实际运行情况看，普通中低速客车经历了我国不同气候环境，不同纬度的线路运行，承受北方室外-45℃和南方40℃环境的考验，经检测各种车型的密封性能良好、各车温湿度等空气参数等基本符合人体正常的生理要求，证明了上述方案是切实有效的，经受住了各种天气的考验，基本达到了预期的设计目标。此方案经过时间的检验，线路运营的实践，为后续轨道车辆隔热系统的结构设计提供了有力的参考依据。
参考文献
[1] 陈志华.保温螺栓的应用及研究.天津大学，2004《工业建筑》4期.
[2] TB/T 3138-2006 《机车车辆阻燃材料技术条件》.