车辆工程动车总体结构设计

1、车辆工程动车总体结构设计第 1 章 绪论1.1 动车的概述所谓动车就是由动力车和拖车或全部由若干动力车长期固定地连挂在一起组成的车组， 1964年 10 月 1 日，世界第一条高速铁路日本的东海道新干线正式投入运营，时速达到 210km/h，突破了保持多年的铁路运行速度的世界纪录，从东京至大阪只需运行3 小时 10 分钟。之后，法国在1981年建成了它的第一条高速铁路TGV东南线，列车时速达到270km/h;后来又建成了 TGV大西洋线， 时速达到 300km/h； 1990年 5 月 13 日试验的最高速度已达到 515.3km/h ， 可使运营速度达到 400km/h 。生产力的发展，社会

2、的进步，呼唤速度更快，容量更大的现代交通运输方式，这种需求为现代交通运输方式的发展提供了技术条件和市场； 而现代交通运输的发展又大大促进了生产力的发展和社会进步。 运输市场的竞争最主要的就是速度的竞争， 21 世纪的航空业大发展， 高速公路异军突起，高速铁路方兴未艾的社会背景，必须把速度作为参与市场竞争的主要手段，并努力提高自身的运行速度。由于铁路运输具有速度快，运量大，能耗低，污染轻，安全性好等优点，因此一直都是世界各国现代化交通运输体系中最为总要的手段，在国民经济的发展过程中起着“中流砥柱”的作用。 世界上许多发达国家为了促进经济的发展， 一直通过提升本国轨道交通技术装备现代化水平，不断提

3、高机车车辆的运行速度，打造本国的高速列车。高速列车是当今世界高新技术的集成，包括高速轮轨关系，高速转向架，大功率牵引，制动控制，列车运行控制，空气动力学工程，可靠性和安全性等高科技术。动车主要在中国新建的 300km/h 速度等级的客运专线上运营， 并能在中国铁路 200km/h 速度等级新建的客运专线上以 200km/h 速度级正常运行, 下面将对动车的国外的发展做简要的介绍。1. 国外动车的发展1964 年 10 月 1 日，世界第一条高速铁路东京大阪的东海道新干线建成通车，最高速度210km/h ；相继建成山阳、东北、上越、长野等新干线，形成了纵贯日本本土的高速铁路网，最高运行速度达到

4、300km/h 。法国TGV高速列车，1969年11月，法国研制成功了第一代ETG型燃气轮动车组，最高试验速度达到248km/h。最高速度 300km/h ,线路最高试验速度515.3km/h。德国 ICE 高速列车于 1985 年试制成功 2 动 3 拖 ICE/V 试验型高速电动车组。同年试验最高速度达 317km/h。 1988年 5 月 ICE/V 型列车又在汉诺威维尔茨堡新建高速线上创造了 406km/h 的世界速度最高记录。瑞典 X2000 型摆式高速列车，首先是采用主动式倾摆车体技术；其次是采用径向自导向转向架技术；第三个技术是采用三相交流传动技术，这也是当今世界上高速列车普遍采

5、用的先进技术。国KTX HST型高速列车，以310km/h的运行速度进行了试验后，280km/h的最高运营速度得到正式批准，路线为汉城釜山。2. 我国动车的发展从 1998 年我国第一列动车在铁路局运营以来，目前已有几十列动车奔驰在全国万里铁道线上，成为铁路运输一道亮丽的风景。动车的运营，不仅为我国中短途客运增加了一种新型的铁路交通工具，更重要的是它为铁路运输带来了新的活力。动车虽然在我国真正投入商业运营的时间并不长， 但其良好的发展前景已被国外普遍看好。 国外经验表明， 除了中长途运输外， 在中短途运输、大城市近郊、大城市与卫星城市之间，铁路客运的作用仍然不可忽视。随着我国城市化进程的持续发

6、展和城市化水平的不断提高，城市的数量不仅要增加，城市的规模也在不断扩大，未来城际间的客运市场潜力巨大。蓝箭：由蓝、灰、白三色组成，型号为“蓝箭”的流线型交流传动电动车组由一个动力车、六个拖车（其中一辆为控制拖车）组成，设计最高时速为 305 公里。中原之星：是160km/h 动力分散型交流传动电动车组是为了满足人们对舒适、快捷的旅客运输越来越高的要求而诞生的。中华之星：是采用交直交电力牵引，由分别编组在头部和尾部的两个动力车以前拉后推的方式推挽运行；列车由 2 辆动力车和9 辆拖车组成，中间拖车包括2 辆一等座车， 6 辆二等座车，最高运营速度为 270km/h 。“先锋”号：是我国第一列时速

7、200 公里的电动列车车组，“先锋”号是我国首列动力分散型交流传动电动车组，也是目前国速度最高的电动车组。它由两个单元组成，每个单元 3 节车厢，其中两节车自带动力，另一节车为拖车。1.2 现有动车的整体概括1.2.1 供电系统以下是 300km/h 时动车的供电系统：供电制式：单相交流25 kV 、频率 50 Hz供电方式：AT 2 X 25 kV、 直接1 X 25 kV接触网电压：标称电压25 kV ；长期最高电压27.5 kV ；瞬时（5min）最高电压 29 kV ;设计最低工作电压20 kV ；瞬时（10min）最低电压17.5 kV 。接触网采用全补偿简单链型悬挂或全补偿弹性链型

8、悬挂。接触线额定力：不小于25 kN 。接触线悬挂点高度： 5300 mm。接触线最低点高度：不小于5150 mm。接触网结构高度：不小于1400 mm。接触线高度变化：CRH3能在满足250 km/h条件的网下以250300 km/h运行，但有限制：接触 网名义高度为 5300 mm和接触网名义高度公差为-0 mm/+30mmo接触网跨距: 标准跨距 60 m。最大跨距不小于65 m 。最小跨距不小于8 m。高速正线接触线采用铜合金材质导线。接触线最大风时对受电弓中心的偏移不大于400 mm。分相供电区长度2358 km。相分段上的中性段总长度不大于190 m, 其中，无电区长度约为 100

9、 m。列车过分相为自动实施过分相作业。1.2.2 动车主要参数及配置1 编组结构动车由 8 辆车组成，其中 4 辆动车 4 辆拖车；首尾车辆设有司机室，可双向驾驶，两列动车组可连挂运行，编成后结构如下图 1-1 。图1-1编成结构2 .车辆尺寸及重量总 长： 201.4 m 头车长度：25.7 m 中间车长度：25 m 车体宽度：3.38 m 车体高度：3.7 m 适应站台高度：1.25 m 编组总重为：345t3 .车布置全列车有1辆一等车和7辆二等车。一等车座椅 2+2布置，二等车2+3布置。座席为旋转式可调靠背座席。一等车座席宽 475mm座间距1160mm过道宽600mmT等车座席宽

10、440mm座间距980mm过道宽600mm全列车定员 610人，一等车座席 51人，二等车座席 504人，二等座车/餐车座席 55人，定员布置如下表 1-1。表1-1定员布置车厢顺位12345678士旦TE贝5510085100551005164（1）车厢布置，在单号车厢设卫生间、小便间和盥洗室，5号车为餐车、座合造车，设置咖啡机、微波炉、冰箱等，设置饮食用简易餐桌？椅子，设置可以提供饮食服务的区域，设置广播、联络设备。（2）各车设有广播系统，设视频系统。（3）单号车厢设有带滑门的坐式厕所、洗面室及带折叠门结构的小便室，在厕所设置节水型清水冲洗式污物处理装置的便器设备、洗手器、紧急呼叫按钮、厕

11、所纸支架（带备用厕所纸盒）、镜子、垃圾桶、便座垫支架、物品架及排气装置；7号车坐式厕所还设置用于更换尿布的折叠床及带温水冲洗下身装置的便座；各厕所装有带检测传感器的臭氧发生除臭器；为残疾人设一个座式 厕所；污物箱容积：700升（两车一个）；水箱容积：700升（两车一个）。（4）门窗客室分隔门设置使用光电开关检测的自动开关电动式分隔滑门；通道滑门，对于8辆编组，在28号车的通道车端部设置有防火性能的不锈钢材质的手动开关门（采用1mm 勺不锈钢板），门在全开、全闭时可锁闭。4 .空调空调装置采用准集中式空调系统，R22制冷剂。具备空气高低压开关保护功能。5 .车端设备 （1）车钩缓冲装置动车两端设

12、有全自动车钩，带空气连接和电气连接器，可在司机室操纵两列动车组之间进行自动 联挂，车辆间设密接式车钩装置、风挡及空气、电的连接设施等，主要技术参数如下：压缩载荷：约 310t （约3040kN）拉伸载荷：约160t （约1570kN）+10车钩中心局度：轨道面上1000 -15 mni救援回送时采用过渡车钩。（2）车间连接风挡：风挡为密封式橡胶风挡。衰减系数50kN/m/sec 左右。（3）其他连接：包括高压/低压电缆、控制和通信线以及动车组空气管路。6 .车体结构车体采用铝合金结构，车门处地板距轨面高度1300mm侧门采用滑门，不设脚蹬。动车组适应站台高度：1100mnrr 1200mm7

13、.转向架转向架为两轴无摇枕转向架，一系悬挂采用单组钢弹簧及单侧拉板定位，二系悬挂采用空气弹簧及橡胶堆。 最大轴重: 固定轴距: 车轮直径:磨耗形车轮踏面。主要技术参数如下:14t以下2500 mm4 860 mm （磨耗到限（）790 mm）动力转向架重量：7.5 t以下拖车转向架重量：7.0 t以下8.制动系统紧急制动使各车产生按速度进行两级调整的纯空气制动作用：160200km/h速度区段为低压（约0.6m/s2减速度）；160km/h以下速度区段为高压（约 0.778m/s2减速度）。在平直道定员载荷下紧急制动距离：200km/h时不超过2000m; 160km/h时不超过1400m,常

14、用制动时平均减速度为 0.8m/s2 ,全列动车组在30%。坡道定员载荷下能安全停放不溜车。 本设计的主要容本设计致力于动车车体钢结构的设计，主要是端墙、侧墙、车顶的结构、选材及各部分的强度校核，还对制动系统和转向架等部分装置构造的选型进行了比较,并对制动系统的参数进行了计算。第2章车体结构设计2.1 概述2.1.1 车体的简介300公里速度级动车车体是主要采用通长大型中空铝合金挤压型材组焊而成的薄壁筒型整体承载 结构，由司机室，底架、车顶、侧墙、端墙及车体各附件等组成，考虑其强度、刚度的关系，图faeMOiS-便内装初取忖用力一亍 山E2系100。番台横体横造13转向架中心距：17500mm

15、地板面距高度：1300mm车钩距轨面高度：1000mm编组总重为：345t2.1.3 车体主要材料车头、端墙： A5083P-0底架补强板：A7N01P-T4侧墙、车顶、底架：A6N01S-T5底架： A7N01S-T52.2车体的主要结构2.2.1侧墙结构侧墙结构使用大型中空桁架结构的压制型材，以省略客车侧的侧立柱。同型型材间的焊接在车体长度方向采用连续焊接。但侧墙和车体、侧墙和侧梁间的结合在车侧用点固焊，车外侧用连续焊。关于侧部的出入口，考虑低噪音化，对侧门的柱门采用压制型材的形状。在侧门外部为确保侧门 的拉开空间，使用在外板上整体成形的带筋压制型材，以下将对侧墙进行受力分析。由于侧墙结构

16、受力只受车体自重、列车载重、整备重量，可以算出侧墙受力的总的大小。其自重为48.0t ,定员重量为56t ,客车所受总的载荷：F = 48+56=104t根据对车体总体受力分析，侧墙和底架共同承受车体总载荷，而底架受力占全部力的 70%所以,侧墙受力为剩下的 30%此时，动车侧墙所受载荷为：f= 104 30%=31.2动车侧墙所受力为：p = 32 10 =312 (kN)图2-2受力分析图p = 312 (kN)l = 25000 (mm)P ql(2-1)Pql = (312 / 25000 ) X 103 = 12.48 (kN/m)支反力 Ra = Rb = P /2 =156 (

17、kN)取距左端(横坐标的原点)为 x的任意横截面，按该截面左边梁段上的外力直接计算此截面上的 剪力和弯矩，即得梁的剪力方程和弯矩方程分别为：Q(x)ra qx(2-2)=31.2 (kN)XM(x) RAX q X 2(2-3)=156 X 10-12.48 X 5=1544.6 (kN - m)可知Q(x)是x的线性函数，因此剪力图为一斜直线，只需确定其上两点(取 Q(0)=ql/2,Q(l)=-ql/2),可绘出剪力图 2-3。2-3 剪力图得知M(x)是x的二次函数，弯矩图为二次抛物线，确定其上三个点。对于梁的两端有M(0)=0及M(l)=0,因为外力对称于跨度中点，故抛物线顶点必在跨中

18、，据此可绘出弯矩图2-4。2-4弯矩图横向力弯曲时，梁的力除弯矩外还有剪力，因而横截面上也就存在剪引力。对剪引力在横截面上 的分布作基本符合实际的假定，利用分离体的平衡条件得出的弯曲剪引力公式。由于上侧梁材质为冷弯矩形钢管，故其横断面积为矩形截面。设横向力作用在矩形截面梁的纵向对称平面图2-5 ,则任一截面的剪引力 Q必位于对称轴y上图2-6 ,通常横截面的宽度 b总是比高度h小。在这种情况下，对剪引力在横截面上的分布规律可作两个假设：(1)各点处剪引力的方向均与截面侧边平行；(2)剪引力沿截面宽度均匀分布，其分布图为图2-5和图2-6 。图2-6单元体受力根据矩形剪引力的计算公式。QSzbI

19、z(2-4)2Qh23Q3Qmax-.一于是有：8Iz2bh2A(2-5)图2-7为上侧梁矩形钢管横截面。图2-7上侧梁矩形钢管横截面已知 H=140mm B=100mm1度为 5mm由 b=100-10=90mmh=140-10=130mmSS1 S2 140 100 130 902.3104 (m2)通过以上的计算可以明确看出：在设计中侧墙所受力完全大于在实际运行中所受的力，在实际运 行是所受的力只要在侧墙的弯矩为1544就可以，在实际设计中远大于实际所受力，所以侧墙设计可行。2.2.2端墙结构端墙由外板和骨架经焊接后构成的单外壳结构，在1 号车、 3 号车、 5 号车、 7 号车的后部都

20、设置了厕所FRP的搬入口采用螺栓固定在盖板上的构造。在车体两端设有厕所的端墙车体是由t4外板构成，减少了骨架数量，并在搬入厕所 FRP单元设置了开口，在搬入该单元后，用螺栓安装t2.5 铝外板和构架焊接成的隔断板，并充填密封材料以保持气密，是为了方便厕所FRP单元的搬入、所以把开口设计到2440mm 2150mm的大小。1. 端墙的结构受力分析(1) 考虑到为防止撞车时发生 “套筒” 现象， 端墙的顶部和两侧结构强度较大， 因此， 端墙板 ( 矩形板 ) 与上述部位的连接处可简化为固定边；(2) 端墙板下端与端粱的联结也可视为固定边约束；(3) 中部有立柱( 包括折棚柱 ) 与端墙板固结在一起

21、， 立柱的上下端分别与顶部端墙( 包括上端粱 )和端梁 ( 缓冲梁 ) 连结，可简化为两端筒支；(4) 端墙板上的小横梁可以简化为板的一部分，把其刚度折算进板的刚度；(5) 由端墙板几何尺寸的比例关系，可以把端墙板看作矩形薄板。结构对称，在分析时仅考虑结构的一半，由于端立柱突出于端墙板面，所以撞车时冲击载荷首先作用在立柱上。端墙在动车运行时受到自然界风力 P 的作用，当风向垂直与车体端墙时，车体所受的的侧向风力最大。风力按单位风压力乘以车体的侧向投影面积来计算；单位风压力取为 5.5 MP 。为便于计算，在此假定风向垂直于车体侧壁，投影面积既为侧墙的总体面积24500X 3700(24500m

22、m长度，3700mmW度)，则：p=5.5 s 106(2-6)p=5.5 24500 3700p=0.987 108 (N)2. 辆载重引起的垂向载荷车辆载重对端墙的静侧压力下图， 载重对端墙的力，车辆定员为 100 人，假设车辆满座，平均每人重量为60Kg,则力：(2-7)F=100 60 9.8=40800 (kN)受力分析图 2-8 。图2-8受力分析3.上端梁剪力和弯矩上端梁必须满足翻车机作业要求，此时在上端梁的任何位置上承受均布 垂直力，对于上端梁所受剪力及弯矩受力图如图2-9。200mmK度上的120kN图2-9上端梁受力因为P 120kN, L 200mm根据公式2-1 ),得

23、:磔103200600(kN/m)由对称关系可知此梁的支反力:PRa7 602 (kN)取距左端（横坐标的原点）为 x的任意横截面，按该截面左边梁段上的外力直接计算此截面上的 剪力和弯矩，由公式（2-2）、（2-3）,得梁的剪力方程和弯矩方程分别为：Q(x) RA qx(2-8)P-qx 2(x 取 100mm54(KN)M (x) RAx qx - 2(2-9)60 100 10 3 300 (100 10 3)23(kN.m)可绘出剪力图2-10。2-10端梁剪力图由式(2-9)得知M(x)是x的二次函数，弯矩图为二次抛物线，确定其上三个点。对于梁的两端有M(0)=0及M(l)=0,因为外

24、力对称于跨度中点，故抛物线顶点必在跨中，该横截面上的弯矩.2 . .M(l/2)= ql /8=15(kN/m)。据此可绘出弯矩图2-11。图2-11端梁的弯矩4.上端梁的剪引力及其强度根据剪应力 的计算公式:maxQh28I73Q 3Q2bh 2A(2-10)上端梁矩形钢管横截面如2-12 :图2-12上端梁矩形钢管截面知道 H=140mm B=100mm厚度为 4mm 所以：b=100-10=90mm; h=140-10=130mm;s si S2 140 100 130 90 2.3 10 4 (m2)max解出3Q2A(2-11)max=232.2(MPa) t =345(MPa)所以

25、满足强度条件。2.2.3 车顶结构车顶结构是由大型中空挤压成型型材构成，省略了车的车顶弯梁。型材间的焊接是以车体的长方向进行连续焊接，与侧墙的结合方式采用车侧点固焊接，车外侧连续焊接方式，在车顶上部进行绝缘子及直接头等安装的车辆和搬入厕所FRP单元的车辆，车顶高度也应相同，没有低车顶的情况出现。另外，由于通到4、5号车厢间的5。倾斜的电缆接头的设置原因，车顶车体的端部应呈倾斜状。以下是车顶的受力分析。1 .侧向力对车顶的作用力风力车辆运行时受到自然界风力P的作用，当风向垂直于车顶时，车顶所受的的风力最大。单位风压力取为5.5MP,风力的合力作用在车体侧向投影面积的形心上。如图 2-13所示。图

26、2-13风力的合力为便于计算，在此假定风向垂直于车顶，车顶的圆弧形近似成平面，所以投影面积 25500 J(3700 +1690 )。其中，(25500mm为车顶长度，3700mm为车顶的高度，1690mm为车 顶宽度的一半)，利用(2-7)式得。88P=5.5 1.037 10 =6.089 10 (N)(2)离心力车辆运行在线路的曲线区段时，将承受离心惯性力的作用，整个车辆的离心力作用在车辆的重心上，其方向沿径向指向曲线外侧。离心力用H表示，考虑提速的影响，强度规 冽定可将H力的数值取为垂向静载荷 Pn的10%,即H=0.1 Pn (N)(2-12)垂向静载荷Pn包括车体自重、车辆载重以及

27、整备重量。动车车型的主要技术参数车体自重为48.0t ,车辆载重为14.16t ,整备重量取为1.4t。Pn=48+14.16+1.6= 63.56 (t)根据式(2-12),得H=0.1 63.56 9.8=623.966 (kN)2 .扭荷对车顶作用在运动过程中，蛇行运动车辆进出曲线或道岔侧线均可以使车体扭转。由于车体重心距心盘面有 一定的高度，所以，当第一个转向架进入缓和曲线，而后面转向架仍处于平直道，或当第一个转 向架驶出曲线，而后面的转向架仍处于缓和曲线时，都将使车体产生扭转。3 .纵向力当列车运动状态发生变化时，车辆牵引缓冲装置上，因相邻车辆间发生速度差，就会导致纵向拉伸或压缩作用力的产生，它经由车辆底架的前 (或后)从板座作用于车体， 使其产生偏心拉伸(或压缩)变形。强度规对纵向力及其组合的表述：纵向力是指列车在各种运动状态时，车辆间所产生的压缩和拉伸