（光学工程专业论文）地铁车辆模块化关键技术设计.pdf

摘要 y 8 挈8 8 s 8 地铁车辆车体结构的模块化设计与制造是上世纪九十年代中后期在 豳外逐步发展越来的一种新型的车辆制造技术。大截磷、高强度中空铝 念金墼孝考按匿按零豹或熬霸发滋为车辆锯舍金车锌模软纯竣嚣与割遥奠 定了坚实的基础。地铁攀辆采用铝合念材料、模块化的设计划造技术不 仅解决了车体结构轻量化的问题，提高了地铁勘车组频繁加遮、减速的 渤力学指标，而且大大简化了率辆制造工艺，可根据用户的不同要求年 滋行车辆结掏鹣往亿缀合，缩缀了车辍设诗、翻造霜期，其蠢显著匏经 淡效益。 笔者作为深圳地铁公司的员工，与同事们共同参加了深圳地铁车辆 的设计和制造，对车辆结构的模块化设计和制造有了踅深的认识，论文 在大量援集资瓣瓣基稿上，译缁淹述了建铁擎辆铝台金车俸模块纯设计 的思想翻理念，移 究了各个模块的组成要素、结构设计和具镑的功熊， 并根据相关标准和各个正况载荷情况，进行了车辆的强度计算和车体静 强度试骏。深卸f 地铁目前已成功进行了试运营因此论文所涉及的内容 谗是三冬来参蕊模块傀车辆研籁静总终。 关键词：地铁车辆模块化设计强度计算试验 焱b s t r 嚣e l 麓0 v l a 鑫e s 毽建a 醴m a n 珏是c t 娃 eo fm e t r oe 鑫内o d ys 锄e 班ei san e w m a n u f a c t u r ot e c h n o l o g y ，w h i c hi sw o r k i n gu pi nw e s t e mc o u n t r yd u r i n g l a t e rs t a g eo f1 9 9 0 s 1 ti sb a s e do 蘸h e 曩l t f o d 强e oo ft h ol a l 嚣e rs e e t i o na 硅d h i 曲s t r e n g t h a i u m i n i u m a l l o y s s e c t i o n s e x t r u d e d t e c h n o i o g y t h e i n t r o ( k e eo f 擞e 越珏撤i 矬i u m8 l o ym a 耄e 蠢a l8 n d 酝0 v i ap r o v 遗e 柳ob o 琏e 磊抟： f i r s t ，t h ec a r b o d yi sm o r el i g h t ，t h ed y n a m i ci n d e xo ff r e q u e n ta c c e l e r a t i o n 鞠dd e e o l e 糯t i o no fm e t i sr 采s e 出s o c o n d ，搬ev e h i e l em a n u 叛e t u r e t e c h n o l o g ya r em o r es i m p l e ，t h ec a r b o d yc a nb ea s s e m b l e do p t i m i s e db y d i f f e e n ts t 黼d a 越狂糟如 e c o 撼i 建gt ot 瓤ed i & 黼tr e 罐鞋i r e m e n t 硒m d i f r e n tc u s t o m e r s ，c o n s e q u e n t l y ，v e h i c l ed e s i g na n dm a n u f a c t u r ep h a s ea r 0 s h o r e tt 圭l ef 潍a 瘦a 熟l ee e o f 掩越i eb e 建e 鑫te a 鞋b el 号a l i z e d ， 萎d i o r ，w h oi s 蠹o ms h e n z h e 珏燃e t r oc o 搬p 强y ，t 姣e sp 截ti 壬lt h ev 馥i e l e d e s i g na n dm a n u 如c t u r et o g e t h e r w i t hh i sc o l l e a g u e s ，a n dg e t sm o r e a e | 罐o w l e d g ed 珏r 呈鞋g 魏i sp h 鑫s e 。t 圭l i sa 娃i e i ee x p o 珏n d s 巍em o v l a sd e s i g n t h o u g h t ，l i s t sp a r t s ，s t r u c t u r ed e s i g na n df h n c t i o no fe v e r ym o d u l e ，a n d i n t d 毪e 。st 纛ev e 魏i c | es | f e n g t he 8 l e 娃l 采i o 轻鑫拄d h ee a f b o d ys t 戬i cs 拄锺g t h t e s ta c c o r d i n gt ot h er e l a t e ds t a n d a r da n dt h el o a dc o n d i t i o n s a tp r e s e n t ， s h e 魁h 髓礅e a l 羚艇y 繇c c e e di 珏o p e 强t i o 拽，氇o r e 瓤f e 巍i sa 娃i e l ea l s oe a 珏 b er e g a r d e da gt h es u m m a r yo ft h em o v i a d e v e l o p m e n t1 a s tt h r e ey e a r s k e y w o r d ： m e t r ov e h i c i e ，m o v i a ，d e s i g n ，s t r e n g mc a l c u l a t i o n ，t e s t 北京交通大学工程硕士论文 第一章导言 1 1 问题的提出 世界上最早采用铝合金车体的是1 9 5 2 年伦敦地铁车。1 9 5 4 年，加拿 大多伦多的地铁车也采用了铝合金。2 0 世纪6 0 年代以后，德国科隆、波恩 的市郊电车以及该国的铁路客车也相继实现了铝合金化。1 9 6 2 年，日本从 原联邦德国引进了铝合金车体技术，生产了日本最早的铝合金车一一山阳 电铁2 0 0 0 系。由于重量轻、密封及防腐性能好，铝合金车体在国外高速车、 地铁车上得到越来越广泛的应用。截止1 9 9 1 年，日本的铝合金客车已超过 5 0 0 0 辆，欧洲已超过8 0 0 0 辆。近年来，铝合金客车的数量仍在快速增加 在轻量化车辆中，铝合金车已趋于主流。 我国对铝合金车体的研究起步比较晚。上个世纪9 0 年代以后，随着经 济的快速发展，上海1 、2 号线和广州1 号线从德国共进口4 3 2 辆铝合金地 铁车，从而在国内掀起了铝合金地铁车热。上海、广州、深圳、武汉和重 庆等城市选定铝合金作为地铁车车体材料。迅速发展的铝合金车辆市场， 引导着国内轨道车辆制造企业积极投身到铝合金车体的研究中。 目前，国内大型铝型材生产加工能力和水平迅速提高，形成一批有实 力上规模的大型企业集团。西南铝业有限公司和吉林麦达斯铝业有限公司 分别从国外引进了8 0 0 0 吨卧式挤压机，山东龙口市丛林铝材有限公司拥有 全世界最大的1 0 0 0 0 吨挤压机，天津柯鲁斯铝工业型材有限公司也配置了 北常交通大学王程硕士论文 l 台5 0 0 0 吨挤压机，能够挤出宽度为4 0 0 8 0 0 毫米扁宽铝型材。锅合金 加工行姚的迅速崛起，为我们研制国产铝合盘车体创造了良好的条件。 露鼹主毽纪5 0 。圈年援，中鋈铁潞车辆裁造金数经爨了一令簌索到大 赢速发展的阶段，由于来源予前苏联的技术支持，因此中国铁路车辆制造 工艺带肖强烈的前苏联同行业的特点，制造企业规模庞大、人员众多、门 类齐全，从最原始的材料入手，在一家工厂利用成套的大型加工设备进行 趣工，赢至产、袋品熬交纣使鼹，形戏了相辩蓊阙戆锻造模式。 目前我国擎辆( 包括地铁车辆) 窜体制造所用的主要材料以普遁钢材 和耐大气腐蚀钢材为主。虽然j 珏几年陆续开始不锈钢、铝合企材料翠体的 小批量研制，德其规耩和水平仍然满照不了需求。特剐是国内几家童要的 车辆裁漩企整瓣产品谈诗与制造，仍然浸有黢离接绞的疆念，车薅筢各个 缀成都 牛仍然采用全爆接方式，车体制造工慧没有发生根本的变化。 车辆车体制造传统的工艺存在以下主要问题： 1 、焊接组装的调修工作鬣大，效率低 2 、浑接交澎难戳撩秘； 3 、结构的制造精度低，影响后续配件的缀装； 4 、不适合在一条生产线上同时生产二个以上的产品； 5 、设备配霞投入甄大、占地面积大，制造成本相对较高 趣铁车辆率体结构瓣模块铯设诗与翻造楚圭夔笼丸卡零筏中惹麓在国 北赢交通大学正程硕士论文 外逐步发展起来的一种新型的车辆制造技术。大截磷、高强度中空镪合金 型材挤压技术的成熟和发展为车辆锚合金车体模块化设计与制造奠定了坚 实鳃羹孬i 嚣。曹搬采曩邋耱裁遥技本是德鏊a 廷垃a n z 公司，它翻怒这耱按本 为德国城市地铁和国家铁路提供了相当数量的车辆，a d t r a n z 公司后重组， 改称庞巴迪( b o m b a r d i e r t r a n s p o r t a t i o n ) 公司，成为全球影响力最大的铁 路机车车辆制造企业，越来越多豹铝会金车辆都采胡模块纯技术生产。 2 0 e 2 年庞嚣逮公谣与长誊客车厂建立了会资金簸：长誊庞巴逮鞔遥 车辆有限公司，在中固着手进行铝合众模块化车体生产、制造的研究，并 取得了长足的进步。2 0 0 2 年长春麂巴迪轨道车辆有限公司通过豳际公 开招标，一举承揽了广州、深堋和上海三个城市5 8 列3 4 8 辆铝合金模块仡 缝铁车辆戆毫逡订单，2 0 0 3 每9 胃份在德莺糖拣完裁撵瓿铡造，缝擒设诗 趋于稳定。2 0 0 3 年1 2 月开始在长春进行批爨生产，2 0 0 4 年初陆续交付使 用，成为国内酋先批量提供铝合金模块化车辆的制遗商。 l 。2 遮铗车辆模浃证捌逢技来鹣主要将煮： 灵活性：农产品的设计寿命期虑，可根据用户的要求对车体内部及外 部布置、材料的选择等方面进行调整，对车辆组装的环境、设备条件的要 求大大降低，创造了“积木式”的组装概念，为车体的故障检修带来了很 大夔方便，霹获褥莓戏豹经济露社会效兹。 易于优化组合；最新的模块化技术可以满足用户对产品结构的多种选择， 北京变通大学工程硕士论文 使产品适合不间地域、不同档次的要求，在最大程度上实现优化组合，满 足不弼用户的多种需求。 豳l l ；模块化按术制造蛉建铁举辆鲣戏 可靠性：专业化的研发制造使车辆的核心系统如：牵引、控制、制动 等系统夏加可靠。有利于形成专业他分工，大大提高零部件供货商研发能 力、钱造水平。 世界范围的产品支持：模块化设计与制造最大限度实现了国际化生 产，打破熬机制造厂的制造格局。 1 3 模块亿设计的概念 模块化设诗戆思想源予“积本”瓣壤念，裁是将孳俸瓣各令罄分努薅 成若干个模块，各模块采用机械紧固或焊接、铆接等方式联结在一起，最 大程度是现在率体总缎装前各个系统、部件的预组装，如：牮体隔热材料、 空谪系统、装饰和车内设备系统、照明系统、供风系统、牵g i 控制系统等 托衰交遴夫学王镤矮士论空 等。这一馓浚孬蔽了传统静先制遥车倦锻结梅、然后褥避行事雨、车黔设 麓黪缱装妻每壤念，这燕车辆车钵与疼帮巷装工黪鞠步进嚣，躞整个事辍生 产过程和生产工艺炎得简帮、容易和实用。而且使以后的维修作业简单， 缓予浅都要鬣孛# 煞拆装与鬻挨。 车髂逶幽各个模块逶j 建撬虢连缓磷成静整体绉梅。嚣模块裂愆结合麟 煞露擦鬣瑾巍夹紧黪双搽繁霆转( 芏醢c 蠹酌n ) 穿避模块主鞭惫黢工熬连接 孔来相互联接。部件机械遴接完成骺，对控制线路细动力线路进行连接， 攀体蕊缎装羔季# 基本完成，最嚣落在转岗巢上，建接稽疲的管路、线路， 帮爵激遂行窜辆静试验帮溺试工律。 下蚕为撰登熬选铁车辆攀嚣模块示意罄，将魏锾辜囊鹣动、撬车靛走 要罄侔模搂剃一令结撞懿怒象鬓，势霉实黪篱凝。 图1 - 2 ：典型的车体模块分解 她寨交逶大学工程鹾士论文 l 。4 攘溪耗攀俸结稳鹣技术、经济歉特点： l 、篾化总装配过程、提高装配精度，取消了全焊接结擒豹大型组夹装 备和自动焊接设备，可大大降低制造企业城备和设备方面的投入。 2 、允许牮体模块的预缀装( 预先将车内零部件组装在模块上) 以减少 车辆豹总装粼辩蓠，使车辆慧装王律更妻蟊梳动，产箍躲震麓更麴容易控翩 两且大大缩小生产线的耍积。 3 、模块受到损坏或车辆进入大修时对模块更换变得更加容易，车辆的 技术改造和产品部件的升级换代更加容易实现。 4 、在慧装配露不透行溪按佟渡，这徉霹竣徐诞车辆的潮遥足寸公差， 提离帮件的互换性。 5 、每个模块可以根据实际情况选择不同的材料，例如流线型的司机室 可选用玻璃镧等高分子材料制造，便于实现动力学要求的特殊的形状。由 予稷攒不同豹要求逡雳了不阂静部件，车体静轻蘩纯要求就禳容耱实现。 4 、专救化分工更翔容器实现，产晶数疆发能力更具簿潜力。 1 5 论文的主凄研究内容 模块化锚合金举体与全焊接各种材料的车体存在很大的差异，是一种 全薪靛设诗、镶造璎念。凌罄建、瓣尔薪遴等蓄舔著名车辆翻造公霹经避 十几譬的研究翻发展，在设计、制造技零上已经成熬。露我们剐剐处予模 块化结构车辆研制的起步阶段，目前投入批量生产产品的设计都是由国外 北京变通大学工程硕士论文 知名公司控制，我们只是进行产品的制造与缎装，差距还很大。 我在唐山机车车辆厂从事客车制造时曾缀拜读过介绍模块化车体的文 献，对攘块纯设计器裂造产生了浓浮豹兴趣，2 0 0 2 笨谲深堋缝铁运营公霉 车辆部正作后，有幸全过程参加了模块化铝念金车辆的研制，对模块化车 辆的设计、制造的认识和理解有了新的提高。本文比较系统地对模块化结 构车辆荜体结构设计、制造、强度计算和试验进行了分析和研究，提出了 豢毂事辘没诗、裁造方法。零文翡工作硬究瘛容为： l 、介绍铝合金模块化车体的概念 2 、铝合金模块化率体结构设计 3 、铝合金模块纯率体组裟 4 、锾舍佥模块纯棼葵强发诗翼 5 、车体静强度试验 本文将在分析国内外文献资料的撼础上，结合地铁列车车体结构的特 点开展研究，形成地铁莉车铝合金车体模块他结构设计的思想，并通过有 隈茏强发诗算静强度试验，验涯设计，受壤产建铁铝舍金模块纯晕俸戆 设计与制造提供参考。 北京交通大学工程硕士论文 第二章地铁车辆铝合金车体模块化的设计要求 地铁车辆的编组形式比较灵活，各个地铁采用的编组模式不尽相同 香港地铁的市区线路按八辆进行编组，解为三个单独的驾驶单元。目前国 内上海、广州和深圳等铝合金车辆的编组形式基本为六辆，上海预留了八 节车的编组条件。在六辆编组中，每三辆可组成一个单独的驾驶单元，其 编组形式为a b c c b a ( 其中a 带司机室拖车；b 带受电弓动 车；c 不带受电弓动车) 。a 、b 、c 三种车型在设备的配置上虽然具有 明显的区别，但从模块的设计角度特别是车体强度和疲劳载荷的考虑上完 全一致，只是在具体的安装结构略有不同。这就是车辆模块化设计的可行 之处，因此，用户在模块化车辆主要结构的选择方面更加灵活，制造企业 也能最大限度满足各个不同用户的需求。例如：深圳地铁与广州地铁二号 线属同期设计、同一生产线制造的产品，深圳地铁车辆采用了流线型司机 室、鼓型车体、电动塞拉门等与广州地铁二号线截然不同的结构和要求 仅从这一点上就充分体现了模块化车辆制造技术的优势。 地铁车辆铝合金车体总组装后与全焊接车体一样仍然是一个整体承 载结构，因此，在分解车体的模块时要充分考虑到车体整体承载能力和各 个模块的强度和刚度达到使用要求。 下面以深圳地铁模块化车辆研制为例，阐述模块化铝合金车辆的有关 设计、制造准则的确定。 北京交通大学工程硕士论文 2 1 设计、制造、试验标准的确定 设计、制造和试验标准车辆及附属设备的设计、制造和试验应选用的 标准： g b 中华人民共和国国家标准：t b 中华人民共和国铁道行业标准 u i c 国际铁路联盟标准；i e c 一国际电工委员会标准 i s o 一国际标准组织标准；s i 国际标准单位；e n 欧洲标准； d i n 一德国国家标准；国际上公认的其他国际标准 制图投影法按g b t1 4 6 9 2 9 3 ；图纸幅面及格式按g b t1 4 6 8 9 9 3 。 根据合同规定从合生效日将只使用适用的有效的最新版本的标准。假 如以上所列的标准没有覆盖某些项目，则可采用适用的有关国家标准。 2 2 车体设计寿命及承载定义 2 1 1 设计寿命 在正常运用条件下，车辆预期运用至少满足3 0 年，每年车辆运行距离 1 2 5 0 0 0 k m ，在车辆的预期寿命中对车体结构的各个组成模块不需要重修或 进行加固。 2 1 2 承载载荷条件按以下方法定义： a w o 状态车辆自重 a w l 状态车辆自重+ 座位上乘客重量 a w 2 状态车辆自重+ 座位乘客重量+ 站立乘客重量( 6 人m 2 ) 北京交通大学工程硕士论文 a w 3 状态车辆自重+ 座位乘客重量+ 站立乘客重量( 9 人m 2 ) 每位乘客重量按6 0 k g 计算。 表2 1 深圳地铁车辆的乘客载荷、车辆重量和列车重量 乘客载荷：t ) 车辆重量( t ) 列车重 定义 abca bc 量( t ) a w oooo3 5 83 8 9 3 9 02 2 7 4 a w l2 8 82 8 82 8 83 8 6 84 1 7 84 1 8 82 4 4 7 a w 21 9 2 01 9 2 01 9 2 05 5 o5 8 15 8 23 4 2 6 a w 32 5 0 22 5 0 22 5 0 26 0 8 26 3 9 26 4 0 23 7 7 5 2 3 防火与安全基本要求 2 3 1 防火要求 地铁车辆车体结构在设计时防火要求应符合u i c 5 6 4 标准中适用于地 铁车辆的规定。设计车辆时要采取措施，以防火灾的发生。如：内顶板、 内墙板、隔墙、地板结构、地板覆盖层、贯通道、隔热隔声材料、弹性件 等在满足车辆性能的条件下，按照标准要求，选用不燃、阻燃、少烟、低 毒的材料，车辆内禁止采用木材、禁止使用胶合板，并在司机室及客室配 置足够数量及容量的灭火器具，并适当存放，便于取用。 2 - 3 2 安全要求 一旦火灾发生时，车辆设计必须满足乘客迅速疏散的要求，特别要考 北京交通大学工程硕士论文 虑车辆在隧道中发生故障或火灾时，可以方便地实现两列车之间的对接疏 散和对轨道的疏散。 2 4 车体材料特性与要求 车体结构选用铝合金大断面挤压型材，钢质型材及板材制造。争取多 采用铝合金材料，以大大降低车辆自重，最大限度实现车辆结构的轻量 化。选用材料符合国际铁路联盟、欧洲、德国和中国的有关标准。 铝合金中的5 0 0 0 系铝镁合金、6 0 0 0 系铝镁硅合金和7 0 0 0 系铝镁锌合 金都具有较高的强度，在轨道车辆中被用作车体结构材料。德国主要使用 a 1 m g s i o 7 ( 相当于6 0 0 5 a ) 型材和a 1 z n 4 5 m 9 1 ( 相当于7 0 2 0 ) 、a 1 m 9 4 5 m n ( 相当于5 0 8 3 ) 板材。深圳、广州和上海地铁的模块化车辆的制造用铝合 金材料基本上是以上三种。 2 4 1 铝镁( a 1 m g ) 系列( 5 0 0 0 系) 5 0 0 0 系是铝镁合金，很早就用在车辆上。它不能进行热处理，可以通 过冷变形强化。该系列合金可以制成板材或型材件，但挤压性能比其他系 列合金差，不能用来挤压复杂的断面，壁厚也不能太薄。5 0 0 0 系列铝合金 现在主要用作车内装饰材料。 2 4 2 铝镁硅( a i m g s i ) 系列( 6 0 0 0 系) 6 0 0 0 系铝合金挤压性能良好。由于含有的m g 和s i 元素，大大改善了 加工性能，可以挤压出比较复杂的断面形状，同时具有中等强度。 北京交通大学工程硕士论文 7 0 年代初法国开发的6 0 0 5 a 铝合金，有良好的挤压性能和焊接性能，可 挤压宽度7 0 0 8 0 0 m m ，长度3 0 m 的大型薄壁宽幅带筋板材和大型薄壁中空 型材，是铝合金车体使用最多的挤压型材铝合金材料。6 0 0 0 系列铝台金常 用在底架侧梁、地板、车顶板和侧墙型材等部位。 2 - 3 3 铝锌镁( a l z n - m g ) 系列( 7 0 0 0 系) 7 0 0 0 系a l z n m g 合金通常称作三元合金，挤压性能比5 0 0 0 系好一些， 但防腐性能和焊接工艺性能较差。7 0 0 0 系合金是铝合金中具有较高强度的 焊接结构用合金。不仅母材，而且焊接部位的强度也比5 0 0 0 、6 0 0 0 等合金 高。一般焊接后热影响区由自然时效就可恢复到接近母材强度，因此焊接 接头具有良好的机械性能，7 0 0 0 系列铝合金一般用作底架牵枕缓部、车体 各个模块的受力构件等等。 2 5 车体结构及强度要求 车体强度能满足在极端恶劣的运行条件下承受静载荷、动载荷以及冲 击载荷的要求，并在架车、起吊和救援、调车、连挂、多辆编组回送作业 的各种作业工况下，车体应力不超过设计许用应力，在3 0 年的工作寿命中 不得产生疲劳失效。强度设计基本要求应按u i c 5 6 6 、v d v l 5 2 和e n l 2 6 6 3 的有关规定。 车体在承受各种最大垂直载荷的同时，沿车钩纵向水平方向施加不小于 1 2 0 0 k n 的静压载荷、不小于9 6 0 k n 的拉伸载荷，车体合成压力不能超过 北京交通大学工程硕士论文 设计许用应力，并按2 1 有关标准的要求，具备相应的安全裕量系数。 2 6 作用于车体的机械能量吸收要求 车钩系统在能量吸收过程中起着重要的作用。在直线轨道上可以吸收 大于1 0 0 0 k n 或更高要求的冲击能量。车钩能量吸收装置分为可以复原和 不可以复原两部分，可吸收时速低于1 5 k m h 的六辆编组列车( a w o ) 与 静止制动的六辆编组列车( a w o ) 相撞时产生的冲击能量。车钩内不可复 原部分通常为可压溃变形的金属管，以防止车体在上述冲击速度作用下发 生永久变形。在冲击速度大于8 k m h 的情况下，可压溃变形管必须更换。 车钩系统尽量将缓冲器的能量吸收容量设计为最大。当撞击速度在 8 k m h 和1 5 k m h 之间时，只有全自动车钩的可压溃变形管产生永久变形 ( 或尽可能使产生永久变形的可压溃变形管数量为最少) 。当撞击速度大于 1 5 k m h 时，首先由各种车钩可压溃变形管吸收撞击能量，其次才由车底 结构的牵引梁与司机地板之间的剪切装置将参与能量吸收以最大程度保证 乘客的安全并减少车体结构受到破坏。 在己产生永久变形的可压溃变形管未修复或未更换的情况下，列车仍 然能通过自身的动力或由其他车辆牵引运行到达维修地点。 2 7 车体挠度要求 正常情况下，车体应为平直形状，当在转向架安装位置支撑时车体将 受自身重量和底架设备的影响容许产生负挠度。 北柬变通大学工程硕士论文 车体结构尤其是底架结构应有足够的强度和刚度，以保证车体在各种 载荷条件下的挠度为最小。名义上车体纵向负挠度在a w 3 状态下不应超 _ l 童1 2 ，5 撤m 。 2 。8 车体的隔热、瞩声臻求 2 8 1 隔热要求 选用的底架、车顶、侧墙、端墙的隔热材料，成为经铁路运用验证的 麓辩，在菲车传弱豹漱煞掳籽终表嚣瘫畜覆羲瑟。允诲采爱矿物褊躐更霞 质材料辨采用防z k 措熊。隔热材料安装时应用钌及盖定位。经长期运行振 动，隔热材料不得松散脱落。隔热材料同时成具有隔声性能。 2 8 2 隔声要求 在援墙、端墙、拳瑗痰铡霖涂覆至多3m m 厚戆隔声毽怒浆。该隔声 材料，皮能耐所推荐的清洗剂，不受损坏变质。长期使用后不脆化。在侧 墙、端墙底部躐地板面1 0 0 m m 高度范阑内应采用厚度大于3m m 特殊的耐 水型隔声材料。车体结构开口端用发泡材料密封。底架部位的隔声材料为 含金冀辩在底絮上瑟撵凌。 2 。9 平稳性指标骚求 运行平稳性指标，根据g b 7 9 2 8 的要求，平稳性指标w 2 5 ，经过 15 o o k m 运行后，平稳性指标应在2 5 2 7 5 之间。 2 。l e 壤壤设诗撩荧| j 4 北京交通大学工程硕士论文 2 1 0 1 振动波型与振幅 列车在运行过程中，x 、y 、z 三个坐标方向的振动波形为视为正弦波， 频率为1 h z 5 0 h z 之间。振幅分别为： 2 5 f m m ( 1 h z f 1 0 h z ) 、2 5 0 f 2m m ( 1 0 h z f 5 0 h z ) 2 1 0 2 冲击加速度要求 装于车体的设备在任何方向的冲击加速度为3 倍的重力加速度( 3 9 ) ， 不应产生永久变形。 装于转向架的设备能承受的最大冲击加速度为纵向3 倍的重力加速度 ( 3 9 ) 、垂向1 0 倍的重力加速度( 1 0 9 ) 、横向3 倍的重力加速度( 3 9 ) ，不应产 生永久变形。 装于车体与转向架之间的设备能承受的最大冲击加速度为纵向3 倍的 重力加速度( 3 9 ) 、横向1 1 9 转向架质量、垂向( 上举) 2 6 9 转向架质 量( 德国标准) 、垂向( 向下) 二系悬挂质量( 德国标准) ，且无永久变形。 北京交通大学工程硕士论文 第三章地铁车辆铝合金车体模块化的设计构思 根据地铁车辆设计要求和准则，通常做法可以把整个车体分解成以下 几个部分：一个底架模块、个车顶模块、八个侧墙模块、两个端部模块 ( 不带司机室车辆) 或一个端部模块和一个司机室模块( 带司机室车辆) 组成，如下图所示： 中间端模块 底架援块- 图3 1 ：带司机室车辆模块设计构思图 3 1 底架模块的构成 底架模块是车辆的重要承载部件，关于对底架模块的划分需要进行详 细的研究。如把整个底架划分两个牵枕缓和一个中间模块从设计理念上是 可行的，但机械联结部件的受力状况很难满足大承载力、高冲击力的要求。 横块 北京交通大学工程硕士论文 一方面铝合金的弹性模量es ( e * = 7 0 g p a ) 只是钢的弹性模量e * ( e * = 2 1 0 g p a ) 1 3 ，因此在相同的断面惯性矩( i ) 并受到相同的弯陆力矩作 用下，铝合金车体结构的挠度将比钢质车体大得多。另一方面，地铁车辆 车体断面比铁路客车要小，而且侧墙上门、窗数量多，尺寸大。这些都会 影响车体的弯曲刚度，而对地铁车辆来说，如果车体刚度过低，引起车体 产生较大的变形，这会影响侧门的开闭，危及行车安全；如果车体刚度不 足，又会引起车体弯曲自振频率下降，当以3 0 4 0 k m h 的速度在线路上 运行时，低阶振型很容易被激出来，这不仅严重影响了车辆的舒适度，而 且将大大削弱车体结构的疲劳强度。因此目前模块车体底架通常采用整体 焊接一体式结构。 3 1 1 底架主体结构 底架是车体结构中最主要的受力部件。因此，底架的结构应设计的比 较强。底架采用无中梁结构，由地板、边梁、牵枕缓和端梁等组成。 3 1 1 1 地板 地铁铝合金车体的地板一般都采用5 块纵向与车体等长的闭口薄壁挤 压铝型材组焊而成，相邻地板型材两边有插口，插口处的焊接坡口是与型 材一起挤压出来。地板的上、下板和筋板厚度分别为2 8 m m 和2 5 m m ，插 口处需要焊接，因此其厚度较大为4 5 m m 。由于地板承受的载荷较大 所以地板型材的厚度较大，一般为5 0 m m 至7 0 m m 。地板型材的横断面为 北京交通大学工程硕士论文 桁架式蜂窝结构，与碳钢车的纵向波纹地板不同，它能在纵向和横向两个 方向均能承受载荷，因而完全可以取消底架的横梁。车下设备的安装吊被 设计成纵向滑槽，与铝合金型材一起挤压出来，大型设备可采用机械螺栓 连接的安装吊梁进行固定，这样就简化了车下设备安装吊的设计，而且滑 槽结构和安装吊梁便于沿车体纵向调整，车下设备的安装更为方便。 3 1 1 2 侧梁和端梁 底架侧梁对于车体的强度、垂向刚度影响很大，所以侧梁都设计成与 车体等长的、高大多孔闭口挤压型材，壁厚一般为4 m m 6 m m ，为了增大 图3 2 侧梁与地板搭接、与侧墙插接结构 型材的断面惯性矩、抗挤压强度，边梁的底部壁厚较大，约为1 2 m m 。侧 梁与地板之间的连接可插接，也可搭接，模块化车体结构侧墙选用闭口型 材结构，则侧梁与侧墙采用插接结构。底架侧梁与地板和侧墙的连接见图 3 2 。在底架的端部设有端梁，端梁与侧梁、地板一般为对接焊接。由于上 述型材断面复杂，因此均采用6 0 0 5 a t 6 铝合金。 北京交通大学工程硕士论文 3 1 1 3 牵枕缓 由于地板和侧梁均为与车体等长的挤压闭口型材，所以牵枕缓只能安 装在地板的下部。为保证它们与地板表面密贴，需要把相应处的地板下部 的滑槽加工掉。地铁车辆采用无摇枕转向架，空气弹簧直接支承在枕粱两 端，因此枕梁采用等截面箱形梁、挤压型材结构，为减少模具、降低造价， 枕梁由2 个相同的型材焊接而成。牵引梁上安装车钩缓冲装置，传递纵向 载荷，因此牵引梁需做成鱼腹形结构，采用厚铝板焊接成“工”形截面。 缓冲梁也为鱼腹形结构，中间开有车钩通过孔。牵枕缓结构为重要受力部 件，所以采用7 0 0 5 一t 6 合金。牵枕缓结构见图3 1 2 。 图3 3一、二位牵枕缓结构图 底架模块的牵引梁、枕梁、缓冲梁、主横梁和各车下悬挂件( 高、低 压线槽) 安装横梁等构成整个框架，牵引梁、枕梁、缓冲梁、主横梁与底 架侧梁采用焊接方式连接，整个框架上部由纵向通长的五块铝合金双面铝 北京交通大学工程硕士论文 型材与底架侧梁、牵引梁、枕梁、主横梁采用连续焊接方式组成，这构成 了底架的主体结构。如下图所示 图3 4 ：底架模块的横截面图 3 1 2 车下设备的安装 除主横粱以外，还设有安装车下悬吊件的横梁，如：牵引逆变器、辅 助逆变器、蓄电池箱、空压机等设备。各车下设备安装横梁与底架侧梁、 车下设备与横梁采用螺栓固定，不与地板型材进行任何方式的联结。 3 1 3 车内地板安装 整个车体地板有两层构成，下层地板为主体结构地板。该地板为铝型 材结构，厚度约4 0 毫米，在需要的位置上均带有t 型槽，用于固定底架 绝缘材料、线槽和管路等配件。地板正面t 型槽的上部安装厚度约2 毫米 的减振、隔热材料，最上部采用浮筑技术铺设客室地板。客室地板采用铝 合金蜂窝板，厚度1 0 毫米左右，整个车厢由9 块组成，现行地板布多采 用聚合材料，具备较高等级的阻燃性能。聚合地板布与地板型材之间采用 双组份环氧粘着剂粘接。地板布的粘接在总装配之前进行，便于铺设和操 作，地板布周边进行密封，避免水或尘土进入粘接区域，保证粘接效果 北京交通大学工程硕士论文 并有利于车厢内的清洁。 关于地板铺设的浮筑技术，就是将客室的装饰地板与车体底架的钢结 构地板进行非刚性连接，在钢结构地板的安装滑槽内通过螺栓将装饰层地 板进行固定，装饰层地板与钢结构地板容许一定范围内的相对位移，以解 决由于可室内外温差或其它方面的原因而产生的材料变形而导致的破坏。 同时安装的结构要求更加方便和简单，由制造精度引起的质量问题的发生 机率大大降低。 3 1 4 底架边粱在顶车位置须进行局部加强。避免顶车过程中造成底架结构 的破坏。 3 1 5 车下设备箱 设备箱、支承及金属附件、扣件采用不锈钢或表面镀锌的耐腐蚀钢制 作。逆变器箱和辅助逆变器箱采用不锈钢或铝合金制作。设备箱内侧面涂 浅灰色或白色绝缘油漆，外部需涂非导电耐锈蚀油漆，但铝合金和不锈钢 箱体除外。考虑到电气箱的防尘问题，将车辆的压缩空气通过减压阀输送 到设备箱内，在设备箱内产生相对的正大气压区域，以防止灰尘进入电气 箱内而导致的功能失效现象。 3 1 6 设备箱支承 按使用要求，设计时应尽可能将设备箱支承在底架侧梁或车体下框架 上。支承与车体结构件的连接应采取机械紧固，不允许焊接。支承的紧固 悲宗交运丈举工程殒士论文 件为搽作入赘易于接近和拆装的位甏。 瓣霉要与分瑟、攥郭或筵换匏设冬镇逐接魏部瞧尽量不采用不嗣豹金 属材料连接，如不得不采用，则应采取有效的防电腐蚀措施。弹性安装的 设备殿其他指定的设备均有防松安企卡带。 牮下骄脊设备耩髓满是车辆限莽翡要求，圈辩冀育秘成的防护等级霸 可接避性，尽量避免采矮突趱部件袋加强蕊稳定性。这撑便于现场维修工 作的进行，减少安全运营方面的隐患。 3 2 率顶模块的设计 肇顶模块通常聚带整体簿接结构，在牵辆静、动态惫络线满懋车辆隈 雾鲍麓提下，尽量爨褰辜璎携毫度，捷大密室豹鸯效毫躞，提高黎坐舒避 感。车顶模块的设计主要考虑车顶附属设铸的安裟位置和密封性能。 图3 5 ：魏型的车顶模块 3 2 1 车顶模块梅成 车项摸坎由连续躬双露级囊铝型材与蕊个开翻匏车顼边粱连续焊接聪 成。车顶边粱延伸至与车辆端部的接口处，将承载大部分纵向载荷。车顸 北京交通大学工程硕士论文 边梁在整个长度上与侧墙模块进行机械连接，在与端部模块的接口处与端 部模块机械连接。 标准的t 形槽结构为顶板，灯具和空调系统的送风道提供安装位置。 车顶结构中预留空调装置和受电弓设备的安装平台，并在相应部位进行必 要的加固。每个车顶模块预装隔热隔声材料、送风道、照明装置和内装 饰板，然后与侧墙模块和端部模块连接组成整个车辆。 车顶结构要有足够的强度以保证车顶设备的安装和设备维修人员进入 车顶区域作业。车顶板应能承受在2 0 0 c m 2 范围( 间距5 0 0 m m ) 内的1 0 0 0 n 的垂直载荷，能够承受两个施加在4 0 0 c m 2 范围( 间距5 0 0 m m ) 内的1 0 0 0 n 的垂直载荷。 3 2 2 车顶设备的安装 3 2 2 1 空调和通风设备 每辆车配置两台车顶单元式空调机组。安装在车顶的一位端和二位端 平台上，平台上焊有固定空调机组的槽钢。 新风从进风口吸入，与来自客室的回风混合，经过滤、冷却，通过风 道均匀地送至客室中。 室。 司机室不单独设空调机组。冷风由风道经司机室顶送风装置送入司机 新风从带有挡水百叶窗的滤网吸风口进入与回风进行混合，经过蒸发 北京交通大学工程硕士论文 器后送入风道，新风未经处理不得进入客室。 客室内的一部分空气作为回风，与新风混合过滤后，通过蒸发器入口 进入客室。设置调节挡板，用于调节新风、回风的混合量。 排风从车内的长椅下，经内墙板后侧导向车顶，由车顶静压排风器排 出车外。 设应急通风系统。在交流辅助电源设备故障情况下，应急通风系统立 即自动投入工作，向客室、司机室输送新风。当交流辅助电源供电正常时， 空调系统自动转入正常工作状态。 3 2 2 2 受电弓 受电弓能在各种轨道状态下保证与架空接触导线具有良好的接触状 态和接触稳定性。 设置机械止挡，以限制受电弓在无接触网区段上的垂直运动。 所有调节零件应采用不锈钢制作。 同型号的受电弓的安装尺寸和易损件具有互换性。 在整个车辆速度范围内，受电弓具有良好的动力学特性，包括在8 0 k m 1 1 以上和最大规定逆风时的良好的空气动力学性能。 滑板单向运动( 上升或下降) 在工作高度范围内，压力差不大于1 0 n 。 滑板在工作高度范围内的同一高度上，上升时与下降时压力差不大于1 5 n 。静压力公差1 0 n 。 2 4 北京交通大学王程硕士论宠 升弓时间不大于8 秒，且对接触网无有害冲击现象。降弓时间不大于 7 秒，鼠对受电弓底浆无有害冲击现象。 程工 睾嵩瘫莛罄内静任秘高褒上懿下降运霸盛逐速齐戆。在最小工季睾 气压下，滑扳应能上升至最大工作藏度。 受电弓能承受工频5 7 5k v ( 有效值) 千闪络电压一分钟无击穿、闪 络现象。 受逛弓髓承受工频4 7 5l v ( 骞效篷) 浸闳络魄压一分髓，无囊穿闲 络现象。 受电弓安装在与转向架纵向和横向中心交叉点爆近的率顶相应位置。 所有带电设备相对于车顶应肖适当的间隙。 3 2 。3 态顶叛设诗： 为了与车辆内部特征相遗应，内顶板出众宽型模块组成，沿窖塞长度 方向上分布。姆个模块上有支承骨架，由位于车顶结构中的t 形螺枪悬吊 固定。外层纵向挤压型材依附在骨架上，构硪了电缆槽、内顶面板和外部 扶手柱安装萋璇。内矮瑟疆蠢聚蘸粉涞嚷涂豹锯板帮铝鍪耱蠲残。缀两按 压型耪与位于内顶瑟投上方的横梁相联接。 每个模块在客室两侧都装有粉沫喷涂的锅合金铰接面板，用来检查和 维修内部设备。客室最高处即中央区域安装柯两排照明设施和通风出口格 疆，遴风格秘及慧甏撩撵与凌硬瑟板遥过掰舞连接焱一起，霹戳努汗，达 北常交通大学工程硕士论文 謦3 。6 ：熬垄鹃m o v i a 肉颈系统 到通风风道出豳的定期清洁莘拜照踞设旗的维护。 客窥两侧内顶板采用粉沫喷涂铝板，采用折页方式连接，以利于侧门 操纵机构和电缆线槽的检查。面板颜色与内部总体美工设计协调一致。所 鸯活动覆稷都在关阉霞置镬 甏孛空密瓣 牛来密羹，并有专趱锁锁麓。蘑扳 图3 7 ：模块化组装黔内顶投 与安装座之间由紧固件进行紧固。面板斜面过渡区域安装乘客信息显 示系统和运营线路图等装置。 车瘛蘸餮慕矮荧炎好管，密反走缀帮嚣擎缓成。痰矮援中央区域两蓑 照明在察室的熬个长度内均匀分毒。铰接铝合金格搬使灯具维修和清法更 北京交通大学工程顺士论文 加方便。整个车顶模块的组装均在车顶台位上进行，工人操作非常方便， 大大降低了工人的劳动强度，同时也提高了势动生产率，是我国铁路车辆 设诗发震懿方商。 3 2 4 风道与管路隔热系统 风道材料为铝台焱或玻璃钢，其结构为静压式风道，制冷后的混合风 首先进入主送风通道，在主送风通道充分循环后在进入静压风道，最后送 溺3 - s ：车顶模块串隔热豺瓣豹安装 入客室。该结梅的最大优点是僳 正送风风速魄翦提下，降低了客室凌送风 而产生的噪音，同时饿乘客感觉到较为舒适的风速效果。 隔热材料为玻璃纤维或类似材料：隔热材料具脊无毒性，阻燃性；空 调帮受泡弓安装平台豹箨承管没有爨掺，免受祝械损害 3 。3 侧墙模块的构成 为了适应她铁运输太客流的情况，便于乘客迅速上、下率，模块化车 辆每侧设有有5 个车门，门口尺寸范阐：1 4 0 0 ( 宽) 1 8 6 0 m m ( 商) ；每 北京交通太掌工程硕上论史 侧设有4 个连续车窗带，提尚车辆的艇体美感。窗豳尺寸：1 3 0 0 ( 宽) 8 7 0 m m ( 高) ，侧墙的上述结构特点傻它不能像铁路客车的侧墙那样提供 较大妻冬蓬两魏寡剩疫粒撬接嚣l 度。为了提高镧蘧藜溺度，铡藩镭蝥搴手遣采 鼹了中空闭口挤压型携，侧门口、窗躲采用机械船工方法切粼出来。为避 免应力集中，门口、窗口的四角采用圆弧过渡，圆弧半径r 1 5 0 m m ；另外， 加厚位于门角、窗角馘域型材的板厚。为了减少型材的品种，以窗韶中心 对称枣嚣鍪耪。在垄孝芎豹车癀键设奢滂稽，以便安装塞控门祝稼等车内设 备。侧墙与底絮侧梁为插接结构，攒接处采耀霍克螺拴进行固定 3 3 1 侧墙板模块： 每节车每侧有4 块侧墙模块、2 块过渡装饰板组成。侧墙模块由铝合 衾鍪孝葶蠢黎、锯叛帮凌墙援安装窿等辩转组藏。在锻合金墅捞蓬莱豁部精 接经过波砸处理的非结构 牛的外装馋锅板，从丽使外表厦光鼹平整。在模 块上预装隔热隔声材料，玻璃和内墙板。由于深圳、广州等模块化率辆采 图3 9 ：侧墙板模块示意图 惩连续式车塞，豫奁褰墨位置糖貉透光率大予9 0 瓣单元式牵空玻璃舞， 北康交通大学工程硕士诧文 还需在每个窗口两侧粘贴装饰作用的肖窗。 3 3 2 肉墙板模块： 弱滚蠹壤扳采蘧玻薅钢毒季糕，与每个铡潦模决鞠对应，在模块缀装兹 预制完成。侧缝内墙投依附在铝合金溅材框架上，挤压型材安装座装在杰 墙板模块组件上。挤联型材由机械紧固件固定，但被隔热绝缘材料均侧墙 侧墙板模块分开，避免热桥出现和保证良好的绝缘性能。侧墙内墙扳包括 痰秘蘧瑕、窑挺、门立柱装馋板等瑟投等缝簸，受攒蒡| ：辩或援翥傈棼中可 容易地拆下修壤。 用于固定内墙板模块的紧围件设计在封闭的铰接结构的内顶板之内。 内墙板模块通过内部支承型材来定位，使减少紧固 牛的数量，省去了装饰 毪装撩僭秘装镣条，这戮美鬟鹃效栗。 连续车窗内墙扳安装结构非常简楚，在侧墙板模块的t 型槽内预先安 装固定廉，采用可进行调整的长孔形式，便于内墙檄预埋件的安装。在侧 墙骨架缩构板和内墙板之间有绝缘层。 鍪3 一l o ：模块纯爨臻叛鼗溪示意翔 北束变通大学善程硕士论立 3 _ 3 3 客室车窗结构： 霉辆车每侧装有4 崩车窗。车雷均为双层玻璃单元结构，并直接粘接 予铡墙缀掏主。侧墙车窗的设计重点实现在铡门之间搿藏一个连续效暴( 带 圈3 n ：侧墙车窗豹外部视图 狡车窑) ，嚣鼗，分躜露帮盲容。完全密封式车窿单元由锾耗安垒玻璃割或， 窗玻璃的厚度曩少1 8 m m ( 内层6 m m 厚的玻璃，中间6 m m 厚的空气艟和外 层6 m m 厚的玻璃) ，具体按g b 9 9 6 3 f 9 9 8 执行。车窗安装在设计上必须考 虑能够承受所有内部和外部的最大压麓，特划是两列车会车和通过隧道清 穗下产生约疆茇鞠活塞最约影喃。 带状车窗系统在每个侧墙模块上使用三个玻璃单元。中央活动式车窗 单元在四周进行了黑色丝模印刷，以提供粘接表面，并遮挡车体骨架结构 和内装饰。两个外侧非车窗单元完全是黑色屏模日j 刷的，良遮挡车辆骨架 缝擒，尉时糟强整个车僖餐l 墙井袭露靛褫觉效栗。 钢化玻璃车窗是无窗框的并直接粘接予车辆骨架结构上。所使用的 北京交通大学工程硕士论文 粘接连接容易实现从车辆外部进行车窗的安敞和更换。无窗框客璧车窗单 图3 一1 2 ：侧墙率窗糙接过程 元与擎体外表丽平齐嵌装。全部车窗郯密封到车体结构上，以防止水的渗 入，擎窗的粘绥技术嗣前在豳外铝合盒车辆士己普遍采用。 3 。3 ，4 糕捧、立柱窝获孚 3 3 4 1 客室每侧设4 个长座椅，材质为玻璃钢或拉熊不锈钢。级肉霾墙布 置，位于两个侧门间，座椅端距客室侧门留肖适当躐离，以减小车门开关 时对乘客的影响。 图3 - 1 3 ：模块化廒椅及扶手布置 玻璃钢座椅架采嗣铝合金框架，与侧墙骨架的t 型槽采用机械连接， 北京交