（车辆工程专业论文）城市轨道交通a型车辆研究.pdf

中文摘要 随着我国经济的飞速发展，我国的城市化进程不断加快，城市人口在急剧增 加，加上大量流动人口涌进城市，使城市交通面临着严峻的挑战，如何解决交通 问题，成为影响经济发展关键因素，全国大中城市普遍存在着道路拥挤、车辆堵 塞、交通秩序混乱的现象。为了解决这一问题，许多城市将原有的以公共汽车为 主体的交通形式向城市轨道交通为主体的这一现代化交通形式转变，国内目前已 经有一些城市采用了地铁和轻轨系统，尤其是广卅i 、上海和深圳三大城市采用了 原装进口或国内合资企业提供的高档的a 型车辆，这种车辆采用先进的总线控制 方式、v v v f 牵引系统、混合制动方式等先进设备，可实现无人驾驶、车辆自动保 护、故障自动诊断储存等功能，确保车辆实现大运量、低能耗、安全舒适，她的 兴起证明了这种交通方式的优越性，为城市轨道交通的发展指明了方向，向人们 展示了她广阔的发展前景。 作者通过大量的资料和事实，介绍了a 型地铁车辆的发展情况和车辆的性能 特点，重点对在设计过程中使用国际标准、选用材料、车辆控制、质量保证等进 行了分析研究，力求对今后的a 型地铁的设计和国产化提出建设性意见。 关键词：a 型地铁车辆；关键技术；设计理念 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h i n e s ee c o n o m ya tv e r yf a s ts p e e d t h e u r b a n i z a t i o np r o e e s s e so fo u rc o u n t r yc o n t i n u o u s l ye x p e d i t e ；t h ep o p u l a t i o no fc i t i e s w h i pa n ds p u rg r o w i na d d i t i o n ，t h ec i t i e sf l o o dw i t hag r e a tl o to ff l o a t i n gp o p u l a t i o n ， t h e r e f o r e t h ec o m m u n i c a t i o no fc i t i e si sf a c e dw i t ht h eb a p t i s m t h ek e yf a c t o r i n f l u e n c i n gt h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n ti sb e c a m eh o wt od e a lw i mt h ec o m m u n i c a t i o n p r o b l e m t h em e g a p o l i sa n ds e c o n d a r yc i t i e sh a v ep h e n o m e n a so f t h ec r o w e dr o a d ，i a m c a r sa n dd i s o r d e r e de o m m u n i e a t i o ns y s t e m i no r d e l t or e s o l v et h e s ep r o b l e m s ，m a n y c i t i e sc h a n g et h ec o m m u n i c a t i o nf o r n lc o m p o s e dm a i n l yo ft h eo r i g i n a lb u s e si n t ot h e m o r d e l lc o m m u n i e a t i o nf o r n lc o m p o s e dm a i n l yo fc i t yr a i l w a yc o m i n u n i c a t i o n m e t r o a n dl i g h tr a i ls y s t e mh a v eb e e na d o p t e di ns o m en a t i o n a lc i t i e sa tp r e s e n t e x p e e i a l l y , g u a n g z h o u s h a n g h a ia n ds h e n z h e nh a v ea d o p t e dt h et o pg r a d et r a i n s e to fat y p e i m p o r t e dw i t ho r i g i n a lp a c k a g i n go rp r o v i d e db yt h en a t i o n a lj o i n tv e n t u r ee n t e r p r i s e t h et r a i n s e ta d o p t st h ea d v a n c e de q u i p m e n t so f b u sc o n t r o lm e t h o d v v v fp r o p u l s i o n s y s t e m ，c o m b i n e db r a k i n gm o d ea n ds oo nt oi m p l e m e n tt h eu n m a n n e dd r i v i n g ，t r a i n a u t o m a t i cp r o t e c t i o n ，f a i l u r ea u t o m a t i cd i a g n o s i ss t o r a g ef u n a t i o ne t e a n dt om a k es u r e t h eg r a d et r a n s p o r te a p a c i t y , l o we n e r g yc o n s u m p t i o n s a f e t ya n dc o m f o r t i ti sp r o v e d t h ea d v a n t a g e so ft h i sc o m m u n i e a t i o nm o d eb yi t sr i s e a n ds h o w sc l e a r l yt h ed i r e c t i o n f o rt h ed e v e l o p m e n to f t h ec i t yr a j l w a yc o n l m u n i c a t i o na n dt h ee x p e n s i v ed e v e l o p m e n t f o r e g r o u n df o r t h ep e o p l e t h ea u t h o ri n t r o u d u e e st h ed e v e l o p m e n ti n s t a n c e sa n dp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s o fa t y p em e t r ob yag r e a to fi n f o r i l l a t i o na n df a c t s i ti si m p o r t a n tt oa n a l y s ea n d i n v e s t i g a t et h eu s i n gi n t e m a t i o n a ls t a n d a r d s ，c h o o s i n gm a t e r i a l s ，t r i a n s e tc o n t r o l ，q u a l i t y g u a r a n t e ea n ds oo nd u r i n gt h ep r o c e s so fd e s i g na n ds t r i y e st op u tf o r w a r dt h e c o n s t r u c t i v ea t t i t u d e sf o rt h ed e s i n ga n dl o c a l i z a t i o no f at y p em e t r oi nt h ef u t u r e k e y w o r d s ；a t y p e m e t r o ；k e y t e c h n i q u e ；d e s i g n c o n c e p t 致谢 本论文的工作是在我的导师吴作伟教授的悉心指导下完成的，吴作伟教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 吴作伟老师对我的关心和指导。 吴作伟教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向吴作伟老师表示衷心的谢意。 吴作伟教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，王新国、郭景英等同学对我论文中的车体结 构研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1问题的提出1 3 1绪论 我国人口众多，目前百万人口以上的特大城市已发展到3 5 个，而5 0 1 0 0 万 人口的大城市也达到4 4 个。随着工业化、城市化的发展，城市人口急剧增加，城 市居民出行和物资交流日益频繁，使城市交通面临着日益严峻的局面。但这些城 市的公共交通方式，绝大多数是采用传统的运量不大的公共汽车等交通方式，难 以满足现代城市公众出行的需要，此外我国城市道路基础设施条件比较差，路网 密度低，道路基础设施的建设速度赶不上机动车的增长速度，数量庞大的自行车、 不断增长的出租车及私人小汽车等各种车辆混行在道路上，使城市道路拥挤不堪， 城市居民的旅行速度大大降低，同时增加了能源的消耗和空气的污染。低运量的 交通工具已远远不能满足民众出行的需要，这些都是困扰城市发展越来越严峻的 重要因素。 城市交通是保持城市活力最主要的基础设施，是城市生活的动脉，制约着城 市经济的发展。展望未来的城市交通事业，唯一的解决办法就是建设快速轨道交 通运输系统，即大运量、低能耗、安全环保、占地面积少的地铁、轻轨系统，而 且这种概念已经成为众多专家的共识。 目前，我国已有1 0 多个城市建有轨道交通，营运里程达到4 3 0 k m ，主要为地 铁、轻轨车辆，我国城市轨道交通系统建设将处于规模空前的发展时期。近十年 来已有2 0 多个大城市，都不断投入大量人力和物力，进行了不同程度的轨道交通 项目建设前期工作和可行性研究，打算修建轨道交通的城市将越来越多。中国交 通运输协会城市轨道交通专业委员会，预测未来1 0 年我国至少建设1 2 0 0 一1 5 0 0 k m 不同类型的城市轨道交通，约需要各种城市轨道交通车辆5 0 0 0 - - 6 0 0 0 辆，主要为 地铁车辆。 1 2 城市地铁车辆的分类乜1 主要为a 型、b 型，具体如下： 1 2 1a 型地铁车 2 0 世纪9 0 年代，上海地铁1 、2 号线和广州地铁1 号线一共从德国进口了4 3 2 辆地铁车。这些车辆的主要参数：车体长约2 2 m ，车辆最大宽度3 m ，车辆定距1 5 。7 。 标准g b 7 9 2 8 把该车确定为a 型车。 1 2 2b 型地铁车 我国地铁车辆的生产和使用均始于2 0 世纪6 0 年代。1 9 6 9 年，我国最早的北 京地铁通车。地铁建设投资大、工期长，在相当长的时间里，只有北京、天津建 有少量地铁，国标g b 7 9 2 8 把这种地铁车定为b 型车，主要参数：车体长1 9 m ，车 辆最大宽度2 8 m ，车辆定距1 2 6 m 。 1 3 国内a 型车发展情况2 1 良好的市场前景即为我国城市轨道交通车辆装备制造业的大发展提供了良好 的历史机遇，同时也吸引庞巴迪、西门子、阿尔斯通、日立等国际著名的城市轨 道交通制造企业纷纷进军中国市场，这些跨国公司既能装配整车，也能生产车辆 所需要的电器传动控制系统。9 0 年代上海l 、2 号线和广州地铁l 号线从国外批量 进口a 型地铁整车，车辆技术先进、质量上乘、性能优越并具有很高的舒适性， 因此，在国内掀起了进口地铁的热潮，2 0 0 0 年后，深圳、广州、上海等大型城市 又大量采购了由这些公司与国内合资合、作生产的高档地铁和轻轨车辆，掀开了a 型车辆的本地化生产篇章。 目前国内已有8 家地铁、3 家轻轨整车生产企业，形成了城市轨道交通车辆装 备制造业的多极化发展，这种变化在集团之间、企业之间形成了竞争的态势，满 足了我国城市轨道交通的需求，同时也推动了城市轨道车辆技术的进步，为我国 制造地铁的技术提升缩短了时间。 与此同时，我们也应清醒地看到与欧美和日本等发达国家的城市轨道交通车 辆生产企业相比，我国企业的规模、经营管理、技术创新和产品质量等还存在相 当大的差距，许多企业缺乏核心技术，关键技术完全依赖国外，特别是a 型地铁 车辆的生产还处在起步的阶段。经过几年的合资合作a 地铁车辆的设计生产和国 外的项目管理模式正逐渐被国内所认知和了解，不断的借鉴和创新是将来提高我 国城市轨道交通车辆制造业竞争力的法宝，同时才能培养出一批专业技术人才， 使我国城市快速轨道交通接近和达到国际先进水平。 2 1 4 论文研究的目的和内容 1 4 1论文目的： 我国城市轨道交通呈现迅猛发展势头的今天，我们应着力研究适合我国国情 的发展城市轨道交通的方针政策，尤其是要大力促进城市轻轨交通的发展，使我 国的城市综合建设达到新的水平。 a 型地铁车辆是解决我国交通问题的一个良好的方式。而开发这种a 型地铁车 辆实现国产化，降低车辆造价是我们搞轨道车辆设计生产的科技人员不断追求的 目标。掌握核心技术，提高我国企业的技术水平，才能为今后的彻底国产化，占 据国际市场的一席之地做一定准备。 a 型地铁与b 型地铁在系统的要求上也有许多的相似之处，因此，论文重点是 以车辆的车体、使用标准、噪音控制、车辆的控制系统为例进行研究。 1 4 2论文研究的内容： i 介绍a 型车辆的基本特点 2 车体的设计 3 研究关键技术采用的设计标准 4 车辆噪音的控制 5 a 型地铁的车辆控制系统 6 其他主要系统部件的性能 2 a 型车辆的基本特点 a 型地铁车辆从线路条件到车辆性能的要求有其自身的特点，以6 辆编组的车 辆为例，主要反应在以下方面。 2 1 基本条件 2 i 1线路参数 标准轨距 站台 站台高度( 距轨面) 站台与直线轨道中心距离 2 1 2 供电条件 受电方式 额定电压 2 2 行车要求 2 2 1列车编组 将有“t c ”、“m p ”、“m ”三种基本类型的车辆。 列车编组型式为：一t c $ m p m = m 木m p 术t c t c 术m p m = 构成可动单元车组 其中：t c 为拖车( 带司机室) m p 为动车( 带受电弓) m 为动车 一自动车钩 = 半自动车钩 术半永久车钩 4 1 ，4 3 5 冀唧 1 , 0 8 0 1 嚣砌 1 , 6 0 0 0 。咖 架空接触网 d c l 5 0 0 v 2 2 2列车载客量 考虑列车的下列载荷条件： 空载a w o 座位载客数a w l 额定载客数a w 2 超员载客数a w 3 旅客平均重量 2 3 车辆主要结构尺寸 2 3 1车辆长度( 车钩连接面之间的长度) t c 空 m p m 车 列车长度 2 3 2 车辆宽度3 , 0 0 0 r a m 2 3 3车辆高度 4 8 人辆 3 1 0 人辆( 6 人平方米) 4 1 0 人辆( 9 人平方米) 6 1 公斤 2 4 ，4 0 0 m m 2 2 ，8 0 0 m m 1 4 0 ，0 0 0 m m 轨面至车顶之间的高度( 新轮，不包括受电弓和h v a c )3 ，8 0 0 m m 高度，包括受电弓和h v a c ：3 ，8 5 5 m m 客室内部高度( 从地板面至内部车顶中心线)9 2 ，l o o m m 客室内乘客站立区高度l ，9 0 0 r a m 从轨面至地板面高度( 新轮、空载、空气簧充气) 1 , 1 3 0 - 4 - l o m m 2 3 4转向架中心距 1 5 。7 0 0 r a m 2 3 5车辆固定轴距 2 3 6轮对内侧距 2 3 7整体辗钢车轮直径 新轮 半磨耗轮径 最大磨耗轮径 2 ，5 0 0 m m 1 ，3 5 3 ：2 0 m m 8 4 0n l m 中8 0 5m m 中7 7 0i 啪 2 3 8转向架及车体下安装设备最低点距轨面( 车轮磨耗到限时) 6 0 r a m 2 3 9车钩水平中心线距顶面高度 2 3 1 0客室车门( 对开) 每辆车每侧安装内藏式滑动门5 对，参数如下： 门开度 门开启时高度( 门槛顶面以上高度) 列车同侧相邻客室车门中心距 司机室门与相邻客室车门中心距 2 3 1 1室侧窗 客室侧窗数 车窗开度 2 3 1 2司机室侧门 7 2 0 + 0 8 n l i n 1 4 0 0i i l i i 8 6 0m m 4 ，5 6 0i n m 2 2 9 0 姗 每侧4 扇 8 8 0 x1 3 0 0 ( 砌) j e 夏至迪盔堂童些亟堂焦型奎翅丝基奎挂壶 开启宽度 开启高度 2 3 1 3紧急疏散安全门 5 6 0m n l 1 ，8 6 0m m 在每个司机室前端设置一个紧急疏散安全门，通过司机室提供一个紧急出口。 2 3 1 4车辆之间的贯通道 宽度 高度 2 4 车辆质量 2 4 1最大质量和载荷 t c 空( a w 0 ) m p ，m 车( a w 0 ) 车辆每轴轴重( a w 3 ) 1 5 0 0m m 1 9 0 0 嘞 3 4 0 0 0 k g 3 8 。0 0 0 k g 1 6 t 2 4 2车辆在a w 0 的载荷下，重量平衡符合i e c 6 11 3 3 标准。 任- - n 各车轮上测得的轮重总和与在两侧测得的轮重总和平均值之差，不超 过4 。 轮对的每个车轮测得的轮重与该轮对平均轮重之差，不超过4 。 每轴轴重与该车平均轴重之差不超过该车平均轴重的2 。 2 5主要机电设备配置 7 e 夏銮望丕堂童些亟堂位型奎翘丝基奎挂直 车辆设备配置保证性能和功能要求，在车辆上的布置满足配重平衡；系统的 集成要有利于维护保养、检修、运营和低维修成本。车辆主要系统的缩写见表2 1 。 表2 1 车辆主要设备缩写 c a b 司机室b c u 制动控制单元 m o t o r 牵引电动机 d c d c 直流变换器 a t c 列车自动控制 b a l l蓄电池箱 t cv w f 牵引逆变器p a n 受电弓 a u x 辅助逆变器 c o m p空气压缩机 h s c b 高速断路器a c空调单元 b r 制动电阻 l f线路滤波器 主要设备包括： 司机室内的设备、受电弓、避雷器、高速断路器、线路接触器、线路滤波器、 牵引逆变器、辅助逆变器、制动电阻、列车控制系统、蓄电池组、低压电气柜、 空调装置、空气压缩机以及车载a t c 和运营调度无线通信设备。设备配置分布见 表2 2 。 表2 2 设备配置分布表 t c m p | m m p t c c a bc a b m o t o rm o t o rm o t o rm o t o r a t ca t c t ct ct ct c a u xa u x 2 x h s c b2 x h s c b b rb rf i rb r b c ub c u b c u b c u b c ub c u d c d c d c d c b a t t b a t t p a n p a n l fl fl f l f c o m p c o m p a ck 坨k ca c a c k c 2 6列车动力性能 2 5 1列车牵引性能 车在干燥、清洁的平直轨道上， 状态下： 最高持续运行速度 设计结构速度 计算粘着系数 冲动极限 列车启动加速度： 在额定载荷( a w 2 ) 、额定网压以及车轮半耗 平均启动加速度( 0 3 6k m h ) 平均加速度( 0 8 0k m h ) 在h w o 到a w 2 之问整个范围内，加速度相同。 列车联挂速度 洗车速度 退行速度 为充分利用线路的粘着条件，列车将具有防空转功能。 2 5 2列车制动性能 列车的制动方式有： 常用制动，快速制动，紧急制动 9 8 0k m h 9 0k m h 0 1 6 5 ( 或0 1 7 3 ) 0 7 5m s 3 1 o r e s 2 0 6 m s 2 3k m h 3k m h 列车将采用电气和机械制动协调配合的制动方式，在任何载荷及清洁干燥平 直的轨道条件下，将符合下列规定： 平均常用制动减速度( 8 0k m h o 包括响应时间) 1 0m s 2 平均紧急制动减速度( 8 0k m h o 包括响应时间) 1 3m s 2 紧急制动距离( 包括响应时间)1 9 0 m 5 冲动极限075m s 3 计算粘着系数0 1 5 0 ( 或0 1 6 5 ) 2 7列车联挂 列车联挂运行可用于调车或紧急情况下的救援。在这种模式下： a )可以在牵引列车任一司机室操作，且仅有一个司机室处于控制状 态； b ) 所有司机室之间都可以进行对讲； c ) 牵引列车可以对两列车客室进行广播； d )被牵引列车的停放制动能由牵引列车缓解和施加，牵引列车能监控 自身和被牵引列车的停放制动状态； e )两列列车的头灯和尾灯将按运行方向进行工作。 2 8 车辆噪声要求 2 8 1车内噪声等级 按i s 0 3 3 8 1 标准进行检测，车内噪声等级将达到以下要求： 列车停止在自由声场内，所有设备均正常工作时，客室内中心距地板 面1 5 米高处，测得的等效连续噪声小于6 9 d b ( a ) ，司机室内噪声水平 小于6 5 d b ( a ) 。 当列车以8 0 _ _ _ 5 k m h 的稳定速度在自由声场中运行时，司机室内噪声水 平不大于7 2 d b ( a ) ，在客室内离地板面1 5 米高处，测得的等效连续噪声 值不大于7 4 d b ( a ) 。 2 8 2车外噪声等级 按i s 0 3 0 9 5 标准规定，车外噪声等级将达到以下要求： 0 列车停止运行，所有设备正常工作时，在车外距轨道中心7 5 m 处，测 得的连续噪声值小于6 9 d b ( a ) ：相同条件下在列车头尾端测得的噪声值 不超过7 0 d b ( a ) 。 列车在自由声场内，以6 0 k m h 速度运行时，在车外距轨道中心7 5 m 处， 测得的连续噪声小于8 0 d b ( a ) 。 2 9 电磁兼容及抗干扰( e m o 、e m l ) 车辆上所有的电子、电气设备有良好的电磁兼容性和足够的抗干扰能力。在 各种运行工况和环境条件下各系统能正常工作，同时对车载设备及地铁其他系统 不产生电磁干扰，具有良好的电磁兼容性。 2 1 0 乘座舒适性 按照铁道车辆动力学性能判定和试验鉴定规范( g b 5 5 9 9 - - 1 9 8 5 ) 规定的要 求，舒适性指标将4 2 5 ，经过1 5 0 ，0 0 0 k m 运行后，舒适性指标将4 3 0 。 2 ”机械设计准则 2 1 1 i寿命 每年运行里程1 2 5 ，0 0 0 k m ，使用寿命3 5 年，车辆的车体、转向架将无更换、 修补或结构件的补强情况出现。 2 1 1 2振动 车辆设计将包含i s o2 6 3 1 一i ，i s o2 6 3 1 4 和i s o1 0 0 5 6 标准中的乘坐舒适度 质量要求。将根据标准u i c5 1 3 和u i c5 1 8 试验验证其是否满足这些要求。 车辆和设备满足i e c6 0 0 7 7 、i e c6 0 3 2 2 和i e c 6 1 3 7 3 标准的要求，能承受所 定义的垂向、横向和纵向的振动。 车体与转向架的固有频率设计为在运营速度的整个范围内不出现临界共振现 象。 设备箱的安装设计符合e n l 2 6 6 3 。 应进行正线振动测试，以确保在实际运营环境和条件下，由车体、转向架及 簧下设备所产生的振动和冲击低于i e c6 1 3 7 3 中的规定。 2 1 1 3冲击 装于车体和转向架上的设备( 包括车载通信和信号设备) ，以及车体和转向架 之间连接部件符合i e c 6 0 0 7 7 、i e c 6 0 3 2 2 标准，将能承受任何方向的最大冲击加速 度为3 9 ( g = 9 8 1 m s 2 ) 的冲击。 设备箱的安装设计符合e n l 2 6 6 3 。 2 1 1 4水密性 车体和安装在车体外的电气设备，其外壳的水密性符合i e c 6 1 1 3 3 的要求，根 据i e c 6 0 5 2 9 标准，车下电气设备外壳防护等级符合i p5 4 。 2 1 2 防火与安全口 2 1 2 1防火 车辆设计符合标准d i n5 5 1 0 等级3 。车辆具有良好的防火性能，最大限度防 止火灾发生，不使用易燃和可燃性材料( 如木材等) ，不使用燃烧后散发有毒气体 的材料，尽量满足b s 6 8 5 3 对毒性的要求。另外列车上将安装一个火灾报警系统， 包括客室内的烟雾传感器和电气柜内的热传感器。被检测到的火灾信息将传送到 司机室，在那里报警和显示的信息将被提供给司机。 2 1 2 2安全 安全性分析 将进行车辆的安全性分析，包括对车辆的运行过程中所有的临界状况的分析， 至少包括： 电气绝缘及雷击的安全性分析； 过电压及欠电压保护的安全性分析； 撞车保护的安全性分析； 乘客的安全性分析； 防止车辆脱轨的安全性分析； 防止车辆倾覆的安全性分析； 车辆所用材料的防火性能分析； 安全措施 符合e n5 0 1 5 3 标准或等同的其它标准。将特别采取措施防止高压设备危及人 生安全。一旦发生火灾或其他紧急情况时，除有灭火器外，还将有乘客迅速疏散、 撤离事故车辆的通道和设施。 采取如下措施保护乘客和维修人员： 列车前端设紧急逃生门，结合司机室后端门作为紧急出口。 在每个车门处设置紧急解锁手柄，仅能在零速时被激活。紧急制动仅能 在车站被激活，以防止列车在轨道上停车。 每车设两个乘客紧急对讲装置。 每个客室设灭火器，每个司机室一个。 客室和司机室内设有火灾检测系统。 受电弓电源和车间电源联锁。 2 1 3 接地原则 所有设备箱包括电机外壳均将通过车体和转向架可靠地接地，并符合e n 5 0 1 5 3 标准的要求。 2 _ 1 4 标识 车辆上司机室及所有设备标识均采用中文。涉及乘客安全信息内容将采用中 英文两种文字，并采用蓄光材料。 3车体的设计要求 车体是车辆的最重要的基本结构之一，a 型地铁车辆由于车辆的轴重较大，使 对车体结构强度的要求也很高，车体结构的设计除满足结构和强度的基本要求以 及安全可靠以外，还要保证其舒适性和运行品质，同时还应注意车体的外部造型、 内部装饰、设备安装、乘客视野、隔音隔热等因素。在这里以铝合金车体结构的 结构形式的设计过程进行介绍。 3 1 车体的结构形式b ，6 1 车体采用大型中空挤压铝型材，轻量化、底架无中梁整体承载结构，使用寿 命不低于3 5 年。 车体的结构可以分为全焊接和模块化的铆接两种结构。 3 i 1焊接车体结构 焊接结构具有能够适合多变的车体设备安装要求，例如：可以适合内藏门、 外挂门、塞拉门的结构形式，保证车体的不同载荷下的车体挠度要求等。目前国 内的上海l 号线、2 号线、3 号线、4 号线、广州l 号线、广州3 号线、4 & 5 号线 等车辆采用焊接车体结构。图3 - 1 位典型的焊接车体模型。 图3 一l 典型的焊接车体模型 1 4 3 1 2模块化铆接结构 地铁车辆的模块化是指在车辆设计时，将整车结构进行分解，形成若干独立 而又相互联系的分系统，即模块，它们分别是车顶模块、侧墙模块、底架模块、 司机室模块、中间端模块等等。模块中包含骨架和内装以及内部相应的配线、配 管、防寒材等等。目前，在欧洲铁路行业中，模块化概念在车辆设计中己得到应 用实践。 模块化的铆接结构具有优秀的生产工艺特性，部件的生产布局和加工分模块 进行，预装配工序可以把相关的部件完全的装配在一起，最终装配只需要将车体、 车顶、侧墙、司机室和中间端铆接在一起，大大简化了最终装配的过程，减少了 装配时间，可以利用简单的工艺布局实现高速出车的目的。目前国内运营的广州2 号线、深圳l 号线、上海1 号线延长线的车辆采用模块化的车体结构。图3 - 2 位 典型的模块化车体模型，图3 - 3 位模块化车体的连接方式。 图3 2 典型的模块化车体模型 3 2 车体的计算1 0 3 图3 - 3 模块化车体的连接方式 无论哪一种结构的车体结构必须要通过有限元的分析计算来来对车体进行结 构校核和优化，有限元的分析首先需要对车体的结构进行建模，网格的疏密要按 照分析的程度来决定。司机室部分的有限元模型见图3 - 4 ，良好的车门和车窗转角 部分的有限元模型网格见3 - 5 ，牵引梁部分有限元模型( 司机室) 见图3 6 ，牵引 梁和枕梁有限元模型( 中间端) 见图3 7 。 图3 - 4 司机室部分的有限元模型图图3 - 5 良好的车门和车窗转角部分的有限元模 型网格 1 6 图3 - 6 牵引梁部分有限元模型( 司机室)图3 7 牵引粱和枕梁有限元模型( 中间端) 计算的形式要按照车辆不同的工况来进行，通过对模型的不同工况计算分析 来确定车体结构的应力情况。下图为车辆部分结构在一定工况下的应力情况。牵 引梁( 司机室) 在一定压力载荷下的应力情况见图3 - 8 ，牵引梁( 中间端) 在一定 压力载荷下的应力情况见图3 9 ，牵引梁( 中间端) 在一定拉力载荷下的应力情况 见图3 一1 0 ，一定载荷下对角架车应力分析见图3 一1 1 。 图3 - 8 牵引梁( 司机室) 在一定压力 荷载下的应力情况图 3 - 9 牵引梁( 中间端) 在一定压力载荷下的 应力情况 图3 1 0 牵引梁( 中间端) 在一定拉力载荷下的应力情况 1 7 空气簧泄漏时的车体变形应力分析 8 图3 1 1 一定载荷下对角架车应力分析 经过车辆有限元模型的静态和动态分析可以得到车体的高应力区域的状态， 在对结构的形式进行分析后需要对不能满足应力要求的区域进行相关部件的重新 设计或采用补强的方式来最终优化车体结构，如有必要以上的计算分析重新进行， 最后达到满足设计的要求。 4 采用的设计标准 在a 型地铁车辆的设计中主要采用的国际标准，由于目前的国内a 型地铁市 场以欧洲技术为主流，因此，欧洲标准的采用的比较广泛，而不同于b 型地铁车 辆的是基本不采用日本的j i s 标准。 4 1a 型地铁主要采用标准清单n ，8 钔 国际标准已经在现有的a 型地铁车辆中得到了成功的应用并得到了用户的认 可，由于国内地铁车辆使用的专用标准相对较少使得在以往国内地铁设计的过程 中出现一些盲区，随着a 型地铁的采用，相关的一些参数得到量化，提高了从a 型地铁功能到材料质量的全面提升。 a 型地铁车辆及附属设备和子系统的设计、各部件及材料、制造和试验采用的 标准类型如下： u i c国际铁路联盟标准 i e c 国际电工委员会标准 i s o国际标准化组织标准 g b中华人民共和国国家标准 e n 欧洲标准 d i n德国标准 s i国际标准单位等 a 型地铁车辆采用标准清单见附录a 。 近年来，地铁车辆的安全防火问题越来越广大的地铁公司用户所重视，在以 往的国内地铁设计过程中比较多的采用了g b 氧指数的测定标准，并使用了很多年， 由于测试方法的不同，氧指数的测量涉及的范围比较小，对于a 型地铁车辆这种 大运量的交通工具来讲无法满足安全性的要求，韩国大丘的地铁燃烧事故再一次 向世人敲响了警钟，展示了控制烟密度、毒性的重要性，在这里以防火标准为例 介绍如何选用对材料进行确定，在a 型地铁车辆的防火设计中主要采用的是德国 标准d i n 5 5 1 0 和英国标准b s 6 8 5 3 。 4 2 防火标准d i n 5 5 1 0 3 1 d i n 5 5 1 0 包括o d i n 5 5 1 0 - 1 ：轨道车辆的预防性防火，保护等级，防火措施和证明 d i n 5 5 1 0 - 2 ：材料和部件的燃烧特性及燃烧伴随现象分类要求和检验方法 d i n 5 5 1 0 4 ：轨道车辆的防火，车辆的结构形式，安全技术要求 现以d i n 5 5 1 0 2 来进行说明。 材料的燃烧特性及燃烧的分级通常为燃烧性等级、冒烟等级和滴落性等级， d i n 5 5 1 0 - 2 的目的是规定： i 燃烧特性和燃烧伴随现象的分类 2 所必要的检验方法 3 出于防止火灾的原因对在车辆制造过程中所使用的材料和部件的燃烧特 性及燃烧伴随现象所提出的必要的要求。 材料的燃烧特性及燃烧的分级通常为燃烧性等级( 见表4 i 燃烧等级和检验 方法) 、冒烟等级( 见表4 2 冒烟等级和检验方法) 和滴落性等级( 见表4 3 低落 等级和检验方法) ，根据以所规定的各个等级的检验方法进行的检验来加以分类。 对于车辆零件的燃烧特性( 材料和部件) 按下表分成以下燃烧特性等级： 表4 1 燃烧等级和检验方法 燃烧等级车辆部件燃烧时间燃烧损毁长度 s l 小部件2 0 s 观察， 1 5 c m 一内装板、片和型材允许试样继续燃烧直 3 0 c m s 2 材料及部件至试验结束并熄灭 s 3一复合部件和复合l o o s2 5 c m s 4部件零件l o s ， 2 0 c m s 5 一涂层 o so c m 对于燃烧等级s 2 s 5 ，根据要求按下表进行划分等级： 表4 2 冒烟等级和检验方法 烟雾传播等级光线完整衰减( r a i n ) s r l1 0 0 s r 25 0 滴落等级的划分： 2 1 表4 3 滴落等级和检验方法 滴落等级 要求 s t l 滴落掉落燃烧 s t 2 不滴落掉落或滴落，掉落不燃烧 如果零件燃烧着滴落或掉落到燃烧箱的底板上，各次检验的继续燃烧平均时 间不超过2 0 秒，这产品允许还是归入滴落等级s t 2 。 对在车辆制造中所使用的材料和部件的燃烧特性和燃烧的伴随现象的要求。这些材料 和部件可分为按照d i n 5 5 1 0 1 规定的必须证明的( 适用性和监督证明) 材料和部件在必须 证明的车辆零部件) 和不需证明的材料零和部件。 必须证明的车辆零件按照材料在车辆中的安装位置以及地铁车辆的防火级别 的燃烧性等级、烟雾传播等级和滴落等级的形式提出了要求。表4 4 为摘录的具 有代表性材料的要求： 表4 4 具有代表性材料 证明的车辆部 d 呵5 5 1 0 1要求等级 备注 件的防火等 级 燃烧烟雾传播滴落 车体结构，包 ls 3 零件可能不喷涂。 括地板和车辆外部点燃。如果乘 内装板( 车顶、 2 4s 4s r 2客可以自由接近 侧墙、端墙)的车体内部也要 不包括司机室求按照内装件进 行测试。如果需 要，车体结构按照 组成体测试。 外部门，端门， 1s 3外部点燃 裙板，司机室 2 4s 3s r 2 内装外装板， 连接件 车顶结构和测 2 4 s 3 s r 2不符合车辆防火 定边缘内装件等级1 检测标准。 高架线路车辆燃 烧等级为s 4 地板面板 ls 3 零件可能不喷涂。 2 4s 4s r 2外部点燃。 外车窗，无密 1 3s 3 封的框架 4 s 4 s r 2 外车窗，板和 1 s 3救援操作打开时 板组成部件 2 4 s 4s r 2s t 2不产生火焰和烟 雾 车辆间贯通道 l s 3 2 4s 3s r 2s t 2 联接件( 橡胶 1 s 3 条，折蓬) 2 4s 3s r l 对于电线电缆的要求根据使用位置及种类的不同分为：光学纤维和数据总线 电缆、直径大于1 2 r a m 和小于1 2 m m 的其他电缆，防火等级按照5 5 1 0 一l 的规定并结 合d i ne n 5 0 2 6 5 d i ne n 5 0 2 6 6 d i ne n 5 0 2 6 8 共同使用。 已经证明的材料是在标准规定的关于燃烧等级、冒烟等级和滴落等级的归类 中被看作是自己证实了的材料。 标准中还规定了少量应用材料的防火要求，单件重量小于5 0 9 并间距大于2 0 c m 的小零件将不进行严格的要求。 在a 型地铁的设计中，材料的选择要完全满足相关的要求。 4 3 防火标准b s 6 8 5 3 ：19 9 9 h 1 4 3 1概述 b s 6 8 5 3 是由英国f s h 1 9 技术委员会联合有关的团体起草的旅客列车设计和结 构方面的防火实施规范，目的在于当运载旅客的车辆或其周围发生火灾时确保旅 客生命安全。这种环境下防火安全取决于一系列互相联系的事项，如：监测与警 告系统、手动和自动灭火系统、警急亮灯及道路系统、逃生方式和出口措施、逃 生通道或入口门宽、安全设施摆放地、占有水平、标准监督、事故中的人员管理 ( 包括人员培训) 、材料及内容控制、通风、分区、及防火。 b s 6 8 5 3 的重点为列车构造和材料的特性和防火性能，在其他方面也有所建议。 尽管如此，工程师应认识到列车防火安全设计应包括上述所有方面。 如果火灾发生在正在运行的列车上，立即撤离到一个完全安全的地方是不可 能的。即使列车处于静止状态，由于地点的原因，这样的撤离也可能延迟或不可 行，如：在隧道里或高架桥上，或由于操作的原因，如：列车在邻近的轨道或活 动轨上运行。 因此，只可能与列车一道撤离。可考虑行驶到相对安全的地方。 顾名思义，如果火灾发生，在不确定安全的情况下，相对安全的地方无法保 证安全。因此，车辆构造和装修的材料必须不易燃，并且热量、烟、和有毒气体 的总释放量低。这些特性一同定义为对火的反应。 对于地下运行的列车，隧道本身一般为逃生通道，但如果火灾在隧道里发生， 排放出烟与有毒气体，则隧道不成为相对安全地点。底部起火时，这种情况相当 普遍，这时防火板仅能抑制火势向车内蔓延。 更糟糕的是，当火灾发生在车辆时，在车上，尤其是在隧道中时，防火板的 效果通常比在建筑物中要差。但是他们在延缓火势蔓延以提供相对安全地上还是 起到了重要的作用。在隧道受到局限的空间中，燃烧产物很有可能泄漏到其他地 方。如火势较盛，则燃烧产物可能越过防火板，影响到其他车辆及隧道另一边。 认识到防火板的这种局限性，我们推荐在上述情况的列车中使用对火反映性 能更佳的材料。 b s 6 8 5 3 标准的目标如下： 控制燃烧源的能量、持续时间，及其发生频率： 控制材料对燃烧源的反应在一定范围内； 对较小的燃烧源，l k w ，保证受到影响的车内条件基本可接受。 对较大的燃烧源，l o k w ，保证人们从受到影响的车内转移时，车内条 件可接受。 对最大的燃烧源，l o o k w ，保证车内转向电弧跳火的可能性降为最低； 限制产生电弧跳火的车辆上散热程度； 限制远离火情座位上的燃烧产物的影响。 b s 6 8 5 3 主要包括如下几个方面： 1 应用的范围 2 标注参考的资料 3 术语、定义及符号 4 列车分类 5 设计考虑事项 6 材料 7 火灾及其产物扩散的控制 8 火灾探测和灭火系统、旅客通讯设备 9 基本系统及紧急系统的控制和功能 l o 援助乘客和乘务员逃生 2 4 由此可见b s 6 8 5 3 是一个综合型的车辆防火要求，在目前国内的a 型地铁车辆 的要求中，主要需要了解和应用的是材料的选用，特别是材料毒性的要求，在此 仅对1 、4 、5 、6 进行介绍，而对于上述2 、3 、7 、8 、9 、1 0 将不进行进一步讨论。 4 3 2范围 不少6 8 5 3 标准对包括或构成载客列车的铁路车辆的设计、构造提出建议。 本英国标准的建议包括： a ) 材料对火反应； b )防火板的使用； 防火安全设施设计的一般方面。 4 3 3列车分类 这里按照车辆的运行环境把列车分为两大类，其具体分类命名如下： 一第l 类：地铁车辆 一第2 类：地面车辆。 第1 类又可分为以下类别： 一l a 类； 一1 b 类。 这三种类别分别适应于不同的性能等级，这些性能对应着火及危险不同的发 生可能性及火灾发生时不同的规模。 备注：对列车工作内容进行精确的划分就要涉及具体的情况，由铁路安全管 理当局以其工作特点进行细化，但要考虑下列指导性意见。 l a 类：车辆主要运行在单线隧道中，那里根本没有通向人行道的侧出口和逃 逸竖井，或者是主要运行在地下的卧车或者无人看守的列车。 l b 类：列车主要运行在多线隧道中，或者工作在有通向人行道的侧出口及逃 生竖井的隧道中，或者大部分时间不运行在地下的卧车。 第2 类：主要运行在无隧道的地面的车辆。 由上面的定义可以确定，a 型地铁的车辆属于1 b 类的车辆。 4 3 4设计考虑事项 避免火源的隐匿处 将可燃物最小化及清洁规定 垃圾箱 吸烟方面的规定 保护可燃材料远离加热器 指定行李区设计 餐饮及烹调区域 电气保护 防止电弧 防止高电流断路器输出 防止电流集电器出现火花 电线电缆 电线电缆的设计及安装应确保，由电线电缆内部加热导致的火险最小化，或 暴露于外部热源导致的火险最小化。决定线缆尺寸时，应考虑以下内容： a ) 电线套管、电线槽或空气中导线的排列情况。 b ) 环境温度，特别要参考车辆运行的局部升温。 e ) 线缆的正常温度和极度高温等级。 d ) 线缆承载的正常温度和极度