第3章 车体结构

1、第3章 目录3.1高速动车组铝合金车体结构概论23.1.1车体承载结构特点23.1.2车体用铝合金材料23.2CRH2型动车组车体结构33.2.1车体结构及主要技术参数33.2.2车体结构特点33.2.3车体组成53.3车体气密性143.3.1 车体气密性要求143.4车体强度设计143.4.1 车体强度设计依据153.4.2 车体结构强度计算分析153.4.3 车体静强度试验结果15第3章 车体结构3.1 高速动车组铝合金车体结构概论高速动车组比传统机车车辆的运营速度有大幅度增加，这要求动车组车体结构的设计需考虑：（1）为了减小空气阻力，车体外型需设计成流线型；（2）为了提高乘坐舒适度，车体

2、需采用气密结构；（3）为降低能耗，车体需采用轻量化设计。由于铝合金材料的密度低（只有钢材的1/3左右），重量较轻，具有强度大、刚度好的特点，所以在高速动车组车体上得到了广泛应用。3.1.1 车体承载结构特点由于车体需要承受旅客的重量和各种设备的重量，以及动车组在运行过程中的纵向、横向、垂向和扭转等载荷，所以车体需有足够的强度和刚度。高速动车组车体采用铝合金筒形整体承载结构，能够达到必要的强度和刚度，同时实现结构轻量化。筒形整体承载结构由很多轻便的纵向梁和横向梁组成封闭的环状骨架，并在外面焊接金属包板后形成承载结构。其中金属包板承担剪切载荷和拉伸载荷，骨架承担压缩载荷和弯曲载荷。筒型铝合金车体结

3、构的最大优点是工艺性好、减轻车辆自重、降低能耗、减少运行成本和维护成本。近年来车体大量采用大型、中空、薄壁的铝合金挤压型材，实现了纵向大幅度自动焊接工艺，提高了质量和生产效率。3.1.2 车体用铝合金材料高速动车组铝合金车体材料主要有5000系、6000系和7000系。5000系合金是形变Al-Mg合金；6000系合金是形变Al-Mg-Si合金；7000系合金是形变Al-Zn-Mg合金。3.1.2.1 CRH2型动车组车体用铝合金材料CRH2型动车组车体用铝合金材料需具有强度高、焊接性好、挤压加工性能优、耐腐蚀性强等特性，主要采用了5000系合金的5083、6000系合金的6N01、7000系

4、合金的7N01等。这些合金的主要机械性能如表3-1所示。表3-1 CRH2车体用主要铝合金材料主要机械性能材料名纵弹性率(MPa)泊松比弹性极限(MPa)疲劳强度(MPa)母材部分焊接部分母材部分焊接部分A5083P-O690.312512510339A6N01S-T5690.32051207839A7N01P-T4690.319517613539A7N01S-T5690.324520511939各种铝合金材料的具体技术特征如下：（1）5083是焊接结构用铝合金，是非热处理合金中强度最大的高耐腐蚀性合金，适合于焊接结构。但挤压加工性较差，难以得到薄壁及中空型材。（2）6N01是中等强度的耐腐蚀

5、性铝合金，挤压加工性、加压淬火性均比较优良，能制造出复杂形状的大型薄壁型材，且耐腐蚀性、焊接性较好。（3）7N01也是焊接结构用铝合金，其强度高，并且通过常温时效处理，焊接部分的强度能够恢复到接近于母材的强度，耐腐蚀性好。3.2 CRH2型动车组车体结构3.2.1 车体结构及主要技术参数CRH2型动车组采用4动4拖共8辆车编组形式，车体结构主要分为头车车体和中间车车体两种。头车车体由底架、侧墙、车顶、端墙、车体附件及司机室头部结构组成，中间车车体由底架、侧墙、车顶、端墙及车体附件组成。车体重量见表3-2，车体的主要技术参数见表3-3。表3-2 CRH2型动车组各车辆车体重量表整列编组车型T1C

6、M2M1T2T1KM2M1ST2C车体重量(kg)76437947782178318373782280427185表3-3 CRH2型动车组车体主要技术参数长度25450mm头车24500mm中间车宽度3380mm高度（距轨面）3700mm转向架中心距17500mm地板面距轨面高度1300mm车钩距轨面高度1000mm车体弯曲固有频率（整备状态下）10Hz3.2.2 车体结构特点以中空型材为主构成的车体结构称为双壳结构。双壳结构相对于单壳结构，车体质量稍重。但中空型材具有截面刚度高的特性，可以去掉在单壳结构中必须使用的加强材，从而减少零件数量，降低成本。但过度追求高速动车组的轻量化将对乘坐舒适

7、性和列车空气动力学性能有不利影响。近年来，由于更加重视乘坐舒适性，车体结构也不单纯追求轻量化，而是合理控制车体结构的重量。因此，高速动车组的车顶及侧墙部车体结构均开始使用双壳结构，适当增加车体重量以改善车辆的舒适性。双壳结构型材带有中空腔，典型结构如图3-1所示侧墙顶部型材。地板采用单壳结构型材，结构如图3-2所示。CRH2型动车组车体即采用此种双壳结构，结构如图3-3所示。图3-1 双壳车体结构型材图3-2 单壳车体结构型材图3-3 双壳车体结构CRH2型动车组车体结构具有以下特点：（1）车体断面：宽幅车体，车体横断面最大宽度为3380mm，高3700mm，地板面距离轨面为1300mm，设备

8、仓底罩距离轨面为200mm。具体车体横断面尺寸如图3-4所示。图3-4 CRH2型动车组车体横断面（2）车体结构采用双壳结构，大幅减少零件数量，虽相对于单壳结构较重，但其刚性高，降噪效果好，乘车舒适性提高。（3）质量比钢制车体轻，大幅降低轴重，从而降低运营成本。（4）车体使用铝合金材料，可回收，对环境损害低，寿命周期成本低。（5）防腐性好，可以实现无涂装设计。（6）采用不燃性材料，防火性能好。（7）能扩大自动化焊接范围，提高生产效率，降低制造成本，提高质量。（8）在部分中空铝型材的中空空腔内部贴有防振材料以达到隔音减振的目的。3.2.3 车体组成CRH2型动车组车体主要由底架、侧墙、车顶、端墙

9、、车体附件（车下设备舱、前罩开闭装置和前头排障装置）等组成（头车还包括司机室头部结构）。下面针对各大部件组成对CRH2型动车组车体主要结构进行说明。各型车体根据其功能、附属设备等不同而在车体结构上不尽相同，但其主要结构形式类似。头车车体如图3-5所示，中间车车体如图3-6所示。图3-5 T1C车体总图图3-6 M1车体总图3.2.3.1 底架CRH2型动车组车体底架分头车底架和中间车底架。头车底架由车身底架和车头底架两部分组成，T1C车底架如图3-7所示。中间车底架只有车身底架，如图3-8所示。图3-7 T1C车体底架图图3-8 M1车体底架图车身底架包括牵引梁、枕梁、侧梁（边梁）、端梁、横梁

10、和波纹地板等组成。侧梁采用通长铝合金挤压型材拼焊而成。牵引梁主要由铝合金挤压型材和铝合金板焊接而成，连接车体底架的端梁和枕梁，并为车钩缓冲装置设置相应的附加结构。车钩缓冲装置传递的纵向载荷通过固定在牵引梁上的从板座作用到牵引梁上，再通过枕梁等结构传递到整个车体结构，实现整体承载。从板座与牵引梁采用铆接联结，并在车钩缓冲装置对应的牵引梁相应部位进行局部加强。牵引梁结构简图如图3-9所示。图3-9 T1C车体牵引梁图枕梁由铝合金挤压型材和铝板焊接而成，支撑车体载荷。枕梁设置相应结构，保证与转向架悬挂系统的正常联结。在枕梁中心部位，与牵引梁焊接连接。枕梁外侧设置顶车座，便于救援和维修时顶车作业。枕梁

11、结构简图如图3-10所示。图3-10 T1C车体枕梁图侧梁（边梁）位于底架地板下左右两侧的纵向梁，是底架与侧墙连接成筒体的关键部件。端梁由铝合金挤压型材和铝合金板焊接而成。横梁采用铝合金挤压型材，位于底架地板下方，起到吊挂设备和均衡载荷的作用，质量较大的设备安装采用底架横梁(带燕尾槽)下吊挂方式。为了使机器负重都在横梁中心线上并便于机器的检修，采用了特殊螺栓悬挂结构。特殊螺栓从底架横梁上的切口插入，通过定位垫板和沉头螺钉固定安装方式，具体安装示意如图3-11所示，螺母采用防松动能力较强的双层锁紧螺母，利用上下螺母的偏心结构进行紧固。横梁需要根据车下设备的布置情况进行断面和位置的调整，在质量大的

12、设备安装处，还需对横梁进行加强。底架横梁特殊螺栓安装切口特殊螺栓特殊垫圈垫板（特殊螺拴定位）沉头螺钉图3-11 安装机器用特殊螺栓安装示意图底架型材地板是由通长的挤压铝型材通过自动焊接而成，为了增强地板的纵向强度在纵向设置了加强筋结构。地板组焊后的简图如图3-12所示。图3-12 车体底架型材地板为适应司机室头部结构的安装，车头底架相对于车身底架，其侧梁（边梁）部分做了相应调整。3.2.3.2 侧墙CRH2型动车组车体侧墙采用大型中空挤压型材，不设车内侧立柱，结构断面如图3-13所示，头车与中间车侧墙结构相同但纵向长度不同。型材之间的焊接为在车体长度方向上连续焊接的方式，侧墙与车顶的联结采用车

13、内侧、车外侧连续焊接，侧墙和底架边梁之间的联结采用车内侧段焊结构，车外侧为连续焊接。在行李架、侧顶板及侧墙板等安装位置，在挤压型材上设置了通长的T型槽，便于内装部件的安装。为了确保侧拉门的拉开空间，侧墙门口处设计成一体化带棱的箱形结构，如图3-14所示。侧墙下部设置断面变化的挤压型材，保证车下设备的安装和车下设备舱的连接要求，同时根据等强度设计理论，保证结构强度的可靠。 图3-13 侧墙结构断面图 图3-14 侧墙门口结构断面侧墙结构分侧门中间部分和门区部分。侧门中间部分主要由侧板和腰板组成，窗口及其以下部分称侧板，侧板均为中空型材结构的通长板，共有四块，其中窗口部分由窗上和窗下通长板预先铣口

14、与窗间板拼焊而成，两端通到门区部分。腰板由三块通长板组成，均通到外端与端墙搭接。窗口部分根据窗的安装结构关系焊接窗安装座。窗口部分结构简图如图3-15所示。图3-15 窗口部分结构简图图3-16 门区部分结构简图门区部分即侧门出入口部分，根据门口与外端距离的大小分成板梁式结构和板梁加中空型材两种形式。门区部分结构简图如图3-16所示。3.2.3.3 车顶车顶是车体上部结构，是受电弓、高压电缆等车顶设备的安装基础。CRH2型动车组车体车顶由大型中空挤压型材构成，结构断面如图3-17所示。头车和中间车车顶结构相同但纵向长度不同。车顶型材之间的焊接采用在车体长度方向连续焊接。车顶和侧墙的连接采用车内

15、侧、车外侧连续焊接结构。根据车型的不同，在车顶根据受电弓、车顶电缆等设备焊接车顶焊接件，适应其安装。根据设备件的安装位置焊接车内骨架。另外，在车顶板内侧，铺设有隔音和隔热材料。图3-17 车顶结构断面3.2.3.4 端墙头车车体一侧带有端墙，中间车两侧均带有端墙。端墙根据车辆卫生间和洗脸间的布置主要分为两种结构形式，即分体式和整体式两种，见图3-18。在端部设有卫生间和洗脸间的车辆，其端墙是分体式结构，外板上设有用于搬运卫生间玻璃钢模块的开口，搬运完后，用螺栓安装由铝板和铝型材骨架组焊接而成的闭塞板，并填充密封材料保持气密性。端部未设卫生间和洗脸间的车辆，其端墙是整体式结构，为铝板和铝型材骨架

16、构成的焊接结构。分体式和整体式外端墙都在外端骨架上设置了适合风挡安装的结构，可以采用螺栓快速联接，使风挡的安装方便快捷，大大降低了施工时间及劳动强度。另外，端墙上还设有登车扶手。图3-18 端墙结构3.2.3.5 司机室头部结构CRH2型动车组头车车体前端为司机室头部结构，它以骨架外壳结构为基础，如图3-19所示。头部结构按车头断面形状变化将纵骨架形成环状，与横向骨架叉接组焊，骨架外焊接铝板。对需要更高强度的部位，采取增加板厚、缩小骨架间距、增加加强材等措施。整个头部结构焊接严格要求气密性，结构上适应配线、配管及内装需要。图3-19 司机室头部结构骨架头部结构形状对列车运行的空气阻力、气动噪音

17、、列车交会压力波、隧道微气压效应及移动压力场等影响较大，是影响列车空气动力学性能的关键因素。CRH2型动车组头部结构设计利用现代的流场计算CFD软件进行三维建模分析，并进行模型的风洞试验和三维隧道驶入分析。为使动车组有良好的空气动力学性能，主要为降低空气阻力及交会压力。此外，高速动车组除了考虑空气动力学的影响，还主要考虑侧风和车下风阻的影响，因此在设计车体断面时要考虑整个侧墙及车顶的光滑性和圆弧过渡，在设计车体的下部设备舱的时候要考虑裙板的位置及圆弧过渡等。CRH2型动车组较好地考虑了空气动力学的综合影响，实车试验表明动车组车体有良好的空气动力学性能。3.2.3.6 车下设备舱出于保护设备及改

18、善列车空气动力学性能的考虑，CRH2型动车组设有车下设备舱。设备舱主要由侧盖板、盖板安装件和托座等组成，如图3-20所示。侧罩由铝合金型材和板材等组装而成，通过螺栓连接到底架上。侧罩在车长方向分块组装，根据车下设备的需要，不同的部位设有通风口和检查门。底部封板主要结构为波纹状，材料为不锈钢，封板的两侧为直接翻边，并用连接件固定，以增加两侧的强度和刚度。封板两端用螺栓与连接梁连接。连接梁采用铝合金型材，横向连接梁通过过渡件与侧罩连接，垂向连接梁上部与底架横梁、下部与横向连接梁通过螺栓连接在一起。图3-20 车底盖板构造图3.2.3.7 前罩开闭装置CRH2型动车组头车设有前罩开闭装置，如图3-2

19、1所示。该装置可通过自动控制实现开闭，在打开状态下可以露出车钩装置，完成车辆联挂。整个装置由玻璃钢前罩、前罩动作部分构成。玻璃钢前罩分左右，闭合后外形圆滑过渡。前罩动作部分采用气缸驱动，气缸分开闭气缸和锁紧气缸，开闭气缸完成前罩开闭动作，锁紧气缸完成对机构的锁固，维持开闭状态。图3-21 前罩开闭装置前罩的动作部分由主体框架、气缸、直线轴承、滑板、推拉杆、安装翼、锁紧装置等组成。主体框架在底架上用螺栓固定，在主体框架上安装有驱动机构。各关节通过销子结合在一起，气缸的伸缩动作转变为前罩在直线轴承上的开关动作。开闭动作简叙为：气缸伸缩滑板在直线轴承上运动两推拉杆运动两侧安装翼动作前罩开闭。锁紧装置

20、功能是在前罩全部关上或者全部打开的状态下锁紧滑板，使整个装置稳定。3.2.3.8 前头排障装置CRH2型动车组在头车车体的前端设置结构坚固的排障装置。该装置能在排障时撞飞障碍物，绝不允许卷入物品钻入转向架下。出于保护车体及人员安全目的，即使造成装置损坏也要保证车体不受损或轻微受损，以降低铁路运营高速化后冲击障碍物对列车带来的风险。如图3-22所示，排障装置由排障板、排障橡胶安装、排障板盖板、缓冲板、缓冲板支撑、缓冲板安装座等部件组成。其中抗冲击结构外板为钢板制成的排障板，在排障板前端下缘设排雪犁。排雪犁的下部装有辅助排障橡胶，起辅助清扫轨面作用。缓冲板是铝板叠层结构，装在排雪犁的后方，可以通过

21、自身的变形吸收冲击能量。图3-22 前头排障装置3.3 车体气密性3.3.1 车体气密性要求高速列车在隧道内高速运行以及列车交汇时，车体结构上要承担较大的交变压力载荷。同时这种压力变化会引起车内的压力变化，从而使乘客耳朵产生耳鸣、疼痛感，严重时甚至会击穿耳膜。因而高速车辆须保证良好的气密性。高速车辆的车体结构中，应该采取密封处理的部位必须采用全面连续焊接或打密封胶，并能够承受由压力变动而形成的反复应力。CRH2型动车组车体结构的气密耐压载荷为8kPa。侧墙及车顶结构采用通长中空大型铝型材构成，外部采用气密焊接保证其气密性。实车试验表明CRH2型动车组车体有良好的气密性。3.3.2 车体气密性试

22、验车体气密性试验为例行试验，目的是研究评价车体组焊完成后是否满足气密要求。列车在高速运行时，车体四周要不断承受正负气压。不同运行速度承受的气压值不同。CRH2型动车组要求运行速度为200km/h，试验载荷规定为4kPa。如试验发现有漏气现象，漏气部位可通过加焊或涂抹密封胶等措施处理。气密试验考核指标为车内压力从4kPa降至1kPa所需时间t（衡量标准值t50s）。CRH2型动车组各车辆试验测得所需时间均大于100s ，满足气密性要求。3.4 车体强度设计3.4.1 车体强度设计依据CRH2型动车组车体结构强度按照JIS E 7105铁道车辆车体结构的载荷试验方法进行设计，同时考虑了我国车辆的实际运用情况，每定员载荷为80kg。针对各载荷工况：车体以下部位存在较高应力：垂直载荷工况：集中在枕梁上部的侧窗开口角部。车端压缩载荷工况：在牵引梁车钩的安装部周围、牵引梁与枕梁的结合部位、端部底架与中央底架的结合部位。扭转载荷工况：在枕梁上部的侧窗开口角部。三点支持工况：在顶车位、顶车位上部的侧墙的下墙部及侧窗开口角部。气密载荷工况：在侧窗开口角部与窗间部位、侧墙的车檐部、侧墙的下墙与侧梁结合部、单壳车体结构的侧墙支柱上下端部。3.4.2 车体结构强度计算分析车体结构的强度分为承受垂直载荷、车端压缩载荷等的静态强度以及承受垂