城轨车辆车体结构_图文

城轨车辆车体结构 一、车体的作用与分类、 基本特征与结构

二、铝合金车体
三、不锈钢车体 四、车体的模块化结构 五、车体试验及材料

一、车体的作用与分类、 基本特征与结构
(一)车体的作用与分类 车体是容纳乘客和司机驾驶的部分,又是安装和连接其

他设备及组件的基础。
按照车体所使用材料可分为碳素钢车体、铝合金车体和 不锈钢车体三种,目前主要使用铝合金和不锈钢。 按照车体结构有无司机室可分为带司机室车体和无司机 室车体两种。 按照车体尺寸分为A型车车体、B型车车体和C型车车体。 按照车体结构工艺不同可分为一体化结构和模块化结构。

(二)车体的基本特征与结构
1、车体的基本特征 (1)一般为电动车组,有单节、双节、 三节式等,有头车 和中间车,以及动车与拖车之分,车体结构有其多样性。 (2)座位少、车门数量多开度大,内部服务设备较简单; (3)重量的限制较严格,轴重小,以降低线路工程投资; (4)为使车体轻量化,对于车体承载结构一般采用大型中 空截面挤压铝型材、高强度复合材料或不锈钢。 (5)对车体防火性能要求高,采用防火设计和阻燃处理; (6)对车辆隔音和减噪有严格要求,降低噪音对乘客和沿 线居民影响; (7)车辆外观造型和色彩具有美化和与城市景观相协调要 求。

(二)车体的基本特征与结构
2、车体的结构形式 按照车体结构承 受载荷的方式不同, 车体可分为底架承载 结构、侧墙和底架共 同承载结构和整体承 载结构三类。
钢制车体整体承载结构

(二)车体的基本特征与结构
3、车体的基本结构 车体是由若干纵向、横

向梁和立柱组成的钢骨架,
再安装内饰板、外蒙皮、地 板、顶板及隔热、隔音材料、

车窗、车门及采光设施等组
成。一般包括:底架、端墙、 侧墙、车顶、车窗、车门、 贯通道和车内设施等部分。
1―缓冲梁(端梁);2―枕梁;3―小横梁;4―大横梁; 5―中梁;6―侧梁;7―门柱;8―侧立柱; 9―上侧梁;10―角柱;11―车顶弯梁; 12―顶端弯梁;13―端立柱;14―端斜撑。

(二)车体的基本特征与结构
4、车体结构的基本参数(上海地铁一、二号线车辆) 两端车钩连接中心线长度:

有司机室:
无司机室: 车体最大宽度:

24140mm
22800mm 3000mm

车顶中心线距轨面高度:
客室地板面距轨面高度: 车门高: 车门宽: 两转向架中心距(定距):

3800mm
1130mm(1500mm) 1800mm(1860mm) 1300mm(1400mm) 15700mm

二、铝合金车体
铝合金车体是一种轻型整体承载结构,主体材 料是铝合金型材,通常采用模块化结构或全焊接组 装,是一种新型的车体结构。 (一)铝合金材料特性 1、质轻且柔软。 2、强度好。 3、耐蚀性能好。 4、加工性能好。 5、易于再生。

(二)铝合金车体的特点
1、能大幅度降低车辆自重,碳素钢车体、不锈 钢车体、铝合金车体的重量之比约为10:8:6。 2、具有较小的密度及杨氏模量,铝合金对冲击 载荷有较高能量吸收能力,可降低振动和噪声。 3、可运用大型中空挤压型材进行气密性设计, 提高车辆密封性能,提高乘坐舒适性。 4、采用大型中空挤压型材制造的板块式结构, 可减少连接件的数量和重量。 5、减少维修费用,延长使用寿命。

(四)铝合金车体结构

地铁车辆铝合金车体断面

地铁车辆铝合金车体外形

(四)铝合金车体结构
1、车顶 车外顶板两侧小圆弧部分采用中空截面挤压铝型材,中部大圆弧部分为 带有纵向加强杆件的挤压成型的车顶板。 客室内顶板由三部分组成,中间为平板,平板两侧为多孔的通风口板。 2、侧墙、端墙 车体的侧墙左右各有五扇车门和四个车窗,被分隔成六块带窗框、窗下 间壁、左右窗间壁或门间壁的分部件,各分部件亦为整体的挤压铝型材。 客室内的侧墙、端墙都是阻燃的密胺树脂胶合板,具有隔热保暖的功能。 3、地板 直流传动车的地板先在底板上纵向布置4mm厚的橡胶条,再铺设16mm 厚的多层夹板,用螺钉将多层夹板固定在底架上,然后在多层夹板上粘接 2.5mm厚的灰色PVC材料地板。 交流传动车将多层夹板改换成表面很平坦的铝合金轻型型材,然后在铝 型材表面直接粘贴PVC塑料地板,这就避免了塑料地板起泡的和脱落的弊病。

三、不锈钢车体
不锈钢车体的制造始于美国,但使这项技术得到发展 的是日本。日本从1950年开始,在车辆上采用不锈钢材料, 开始用量很少,只用于有室内装饰作用的管道等处。1958 年,为使车体外表面不用涂漆,仅外墙板使用不锈钢材料, 称为蒙皮不锈钢车体,也叫半不锈钢车体。日本于1978年 开发出轻量化不锈钢车辆,使车体钢结构重量降为碳素钢 车体的1/2,在节能和降低维修费用方面得到了肯定。 我国于1987年开始在客车上使用不锈钢材料,主要用 于外墙板及易腐蚀的梁柱。1996年与韩国进行合作,开发 了点焊结构的不锈钢车体。2002年制造完成的北京城轨两 列轻量化不锈钢样车。天津滨海轻轨车辆是我国首次大批量 正式生产制造的轻量化结构不锈钢车辆。

(一)不锈钢车体的结构
不锈钢车体呈鼓 形,整车除底架端部 采用碳钢材料外,其 余各部位均全部采用 高强度不锈钢材料。 各零部件间用点焊连 接,梁、柱间通过连 接板相连接,各大部 件间也是采用点焊连 接。天津滨海轨道车 辆的车体为不锈钢车 体,下面介绍一下各 大部件的结构特点。

车体四分之一三维几何模型

(一)不锈钢车体的结构

1、车顶 车顶由波纹顶板、车顶弯梁、车顶边梁、侧顶板、 空调机组平台等几部分组成。 车顶采用波纹顶板无纵向梁结构,顶板间搭接焊缝 连接,与车顶弯梁点焊在一起,机组平台由纵梁、弯梁、 顶板点焊组成部件,再与车顶通过点焊及塞焊组成一体。 2、侧墙 选用塞拉门、连续窗结构。为适应该要求,侧墙钢 结构部分采取特殊的方法,一扇连续窗全长4070mm,在 此范围内,钢结构必须便于车窗的安装、固定,不得有 任何与车窗相干涉的结构。同时工艺性要好,结构上必 须可实现点焊。

(一)不锈钢车体的结构
3、端墙 板、梁点焊结构。

4、底架
采用碳素钢端底架与不锈钢底架塞焊连接,主横

梁与边梁利用过渡连接板实现点焊连接,底架边梁采
用4mm不锈钢材料,以提高底架的整体强度和刚度。

(二)不锈钢材料使用中应注意的问题

1、不锈钢材料的合理选择 根据城轨车辆的结构特点、制造工艺以及使用 境,同时考虑到制造成本,要求所使用的不锈钢材 料必须具有如下性能: (1)价格便宜,要求不锈钢通用性高、容易购 买。 (2)耐腐蚀性好。 (3)具有能满足车辆的足够的强度。 (4)加工性好,在对其进行剪切、弯曲、拉延、 焊接等加工时,不会产生缺陷。

(二)不锈钢材料使用中应注意的问题 2、不锈钢材料的焊接 不锈钢导热系数是碳素钢的1/3,而热膨胀系数是 碳素钢的1.5倍,热量输入后散热慢而变形大,不利于 对构件尺寸及形状的控制,但由于不锈钢材料的电阻 较大,所以对不锈钢材料的焊接一般都采用点焊。点 焊的特点是对构件的热输入量小,易实现自动控制, 焊接时不需要技能很高的操作者也可以保证焊接质量。 不锈钢车体在组合外板、梁、柱时为了减少热量 的输入,采用点焊代替弧焊,梁、柱的结合部位采用 连接板传递载荷。对于无法实现点焊的部位,可以采 用塞焊来减小热影响区。

四、车体的模块化结构
一体化结构: 就车体结构形式而 言,几十年来国内外都 是采用全组焊结构,即 底架、侧墙、车顶和端 墙均为焊接而成,然后 这四大部件组装时也采 用焊接工艺,这种车体 结构称整体焊接结构, 也称为一体化结构。

四、车体的模块化结构
模块化结构: 模块化车体结构与整体焊接结构车体相比,最显 著的特点就在于将模块化的概念引入到车体设计、制 造与生产管理的各个环节之中。整体焊接结构车体是 先制造车体结构的车顶、侧墙、底架、端墙、司机室 等部件,然后进行整个车体总成焊接,车体总成后再 进行内装、布管布线。模块化车体设计是将整个车体 分为若干个模块,在每个模块的制造过程中完成整车 需要的内装、布管与布线的预组装并解决相互之间的 接口问题。各模块完成后即可进行整车组装。每一模 块的结构部分本身采用焊接,而各模块之间的总成采 用机械连接。

车体模块组成

1. 底架模块;2. 侧墙模块;3. 端部模块;4. 车顶模块; 5. 牵引梁模块;6. 枕梁模块。

车顶模块组成

1. 顶板吊梁;2. 顶板横梁;3. 空调风道;4. 隔声、隔热材料; 5. 内部装饰;6. 灯带;7. 出风口;8. 顶板悬挂。

模块化车体组成

1. 车顶模块;2. 螺栓;3. 侧墙模块;4. 底架模块。

(一)模块化结构的优点
1、在每个模块的制造过程中均注意验证其质量。模块制成 后均须进行试验,整车总装后试验比较简单,整车质量容易保证。 2、由于每个模块的制造可以独立进行,并解决了模块之间 的接口问题,因此,复杂的和技术难度大的模块和部件可以由国 外引进,其余模块和部件在用户本地生产。另外,对总装生产线 要求不高,这均有利于国产化的逐步实施。 3、可以改善劳动条件,降低施工难度,提高劳动效率,保 证整车质量。 4、可以减少工装设备,简化施工程序,降低生产成本。 5、在车辆检修中,可采用更换模块方式进行,方便维修。

(二)模块化结构的缺点
从车体结构局部来分析,存在如下缺点:
模块化结构的个别部件(如司机室框架)有的

采用了部分钢材制造,各部件之间又采用了
钢制螺栓连接,所以车体自重要比全焊结构

稍重。

五、车体试验及材料
(一)试验的目的、载荷及要求 1、试验目的是鉴定车体及其主要零部件的强度、刚度和 稳定性。

2、试验加载应最大限度地模拟试件实际运用时的受力状
态。 3、试验载荷应不小于基本作用载荷值,但鉴定标准仍按 基本作用载荷换算。 4、试验对象的制造质量应具有代表性。

(三)结构强度试验条件
车体结构的强度须满足极端条件下的动载荷、静载荷以及 冲击载荷的要求;并在架车、起吊、救援、调车、连挂和多车 编组回送作业时,车体结构应力不超过材料的许用应力,不得 产生永久变形及损坏;当超过最大载荷时,不得发生车体压溃

的现象;在使用寿命内,不得产生疲劳失效。
车体结构的刚度应在正常载荷和自然频率下,车体的变形 不超过运行条件所决定的极限值,应能确保在各种载荷下车门 运动不受阻。

(二)结构强度试验条件
1、静强度设计及载荷要求 车体在承受各种最大垂直载荷的同时,沿车钩安装纵向水平方向施加 1200KN的静压载荷,拉伸载荷850KN,车体应力不超过设计许用应力。 2 、作用于车体的机械能量吸收要求 对于列车的纵向冲动,其能量应优先由车钩及缓冲器系统起能量吸收 作用。假设列车(AW0)与制动列车(AW0)相撞,当速度为8km/h时, 车钩及缓冲器系统可吸收产生的冲击能量,并且任何部件不能损坏;当速 度为15km/h时,车钩及缓冲器系统可吸收产生的冲击能量,除车体不能损 坏外,同时应满足以下要求: (1)不得导致转向架、车钩与车体连接件、贯通道、设备柜及其支承 等主要部件的损坏。 (2)列车仍应能通过自身的动力或是由另一机车牵引,顺利通过区间 和车辆段内条件最不利的轨道,以到达维修地点。

(二)结构强度试验条件
3、设计寿命 在正常运用条件下,预期运用至少30年,对车体结构件无需 重修或加固。30年后车辆重新装配可进一步运用。 4、车体挠度要求 要求在各种载荷下其挠度值须保证所有客室和司机室门操作 自如。 5、车顶要求 (1)车顶板在200cm? 的面积上能承受1000N的垂直载荷。 (2)车顶板能在间距为500mm的两个400cm? 面积上分别承受 l000N的垂直载荷。 (3)车顶结构在承载空调单元部位必须加固,并保证空调排 水通畅。

(二)结构强度试验条件
6、底架要求 (1)底架可承受AW3的乘客载荷。 (2)提供所有底架安装设备的支撑。 (3)设吊、架车支撑点。 7、设备支承及布置 设备布置要求:车辆电气设备安装在车体底架的设备箱或客

室的电气柜中,电气设备的位置根据其电气要求选定。设备箱的
布置和设计应考虑设备的尺寸、重心位置及车重的分配,应提供 重量计算。

(二)结构强度试验条件
8、车体与转向架的连接 车体与转向架的连接部位在减速度为30m/s? 作用力的作用 下,不会发生永久变形。在减速度为50m/s? 作用力的作用下, 不被损坏。当车体吊起时,其连接应能同时吊起转向架。 9、架车支承 在底架边梁上靠近转向架的位置设四个支撑点;在两端的 车钩横梁中央分别设1个架车支承点,作复轨用,在车钩横梁下 方架车应能抬起空载整车的一端;在车辆的四角处设四个起吊 点,用于紧急情况下的架车。 车体的垂向强度应满足在使用任何一对架车点架车时,不 使车体任何部位发生屈服变形。

(二)结构强度试验条件
10、防爬装置 防爬装置为可拆卸型,采用低合金高强度钢制造,可承受 100kN的任一方向垂向力与1000kN水平力的合力。在发生事故的

情况下,两列车相撞时车体上最先接触的部位应该是防爬装置。
在每个带司机室的车前端设置防爬装置。 11、应力分析 利用动态、静态有限元分析法进行车体的设计,设计后进行 试验验证,分析结果和有关性能,采用FEA系统对车体进行强度 分析。

(三)试验内容
1、模拟运行条件试验(垂向加载试验) 通过液压油缸对车体施加静载荷,用电阻式应变仪测定应 力,测量出变形量确定垂向挠度。应按照AW0及AW3载荷条件 施加试验作用力。 2、静压试验(纵向加载试验) 静压(挤压)试验应在首辆生产的A型车车体上进行,按照

三种型式车辆中的最大重量(AW3)条件进行。试验作用力约
为1180kN,以水平方向作用在车钩安装座上。

(三)试验内容
3、冲击试验 按A、B各型车不同的车重,以15km/h基准速度产生的力作 计算机模拟冲击试验。 4、动态试验及疲劳试验 按各型车不同的车重、载荷作计算机模拟动态试验和疲劳

试验。设计方案需经历疲劳试验,相当于30年的工作寿命。
5、挠度测试 在进行模拟运行条件试验时,应测量各项挠度,确定车体 固有频率。

(三)试验内容
6、模拟架车试验(模拟AW0载荷) ①垂向架车试验 在靠近车钩横梁4个架车点位置,升起空车,测定底架应力。 ②对角架车试验

在靠近车钩横梁4个架车点位置升起车体后,下降一个支承
点直至该点的垂向载荷为零,测出应力、支承力和变形量。 ③复轨试验 车体的一端支承在转向架上,车体的另一端在车钩梁中央 的架车点位置处提升。

(四)城轨车辆材料及比较
1、车体轻量化 一般普通碳素钢车辆的车体自重达10t~13t ,为了提高车 体的耐腐蚀性,延长车体的使用寿命,现在多应用的是耐候钢 材料,可使车体钢结构自重减轻10%~15%。 采用半不锈钢或全不锈钢车体,在保证强度、刚度的前提 下,通过调质压延而获得高强度不锈钢薄板,板厚可减小,同 时提高了使用寿命。车体自重比碳素钢可减轻约10%~20%。

在铝制车体结构设计中,车体主要承载构件一般采用大型 中空截面的挤压铝型材,以提高构件的刚度,充分发挥材料的 承载能力,达到最大限度地减轻车体自重,与钢制相比焊接工 作量减少40%,制造工艺大为简化,重量可减轻3t~5t。

(四)城轨车辆材料及比较
2、车体腐蚀状况
(1)碳素钢车体 碳素钢车体的雨檐周围,门口及车窗周围的立柱、墙板、地板等处容 易被腐蚀,6年后要局部修补,10年后要部分改造,20年后要进行大的改造, 30年后车辆基本上就要报废了。 (2)铝合金车体 铝合金车体除了车钩部分及车体内的螺钉座使用碳素钢外,其他部位均 为铝合金。1962年开发的铝合金车体,已经历了30余年的实际应用。目前 的铝合金车体已经使用大型铝合金挤压型材。通过对运营后铝合金车体腐 蚀情况进行的调查表明:雨檐、门口、窗口周围及底架端部、车体侧面的 焊接热影响区处发生了腐蚀。但和碳素钢车体相比较,腐蚀程度很轻,对 车体的强度不会产生影响,只需对车辆进行定期维护。
(3)不锈钢车体 不锈钢车体具有耐腐蚀、免维修等特点。全部采用不锈钢材料的车体是 与铝合金车体大致在同一时期开发出来的。通过对运营车辆进行的定期检 查、发现没有必要对外板进行修补、涂装。另外,对梁柱也没有必要进行 修补,因此除了不需要车体维修费用外,还会减少由于维修而产生的烟雾、 有机溶剂等在作业场所的散布,从而减少对相关电器设备的检查、维修等 其他作业量。

(四)城轨车辆材料及比较
(1)材料成本

从材料来讲,车体的成本:碳素钢车体<不锈钢车<铝合金
车。

(2)加工成本
车体的制造成本:碳素钢车体制造成本最低,不锈钢车体

次之,铝合金车体制造成本最高。铝合金车体要比碳素钢车体
高出70%,不锈钢车体要比碳素钢车体高出14%。

(四)城轨车辆材料及比较
4、维修管理 车体采用不锈钢和铝合金材料,主要是为了提高车辆的耐 腐蚀性和轻量化,还有使车辆的维修管理及运营更加合理化。 过去30年的运营实际已经验证,不锈钢车体和铝合金车体基本 是不用维修的,所以选用不锈钢和铝合金车体的车辆后期费用 明显减少。

(四)城轨车辆材料及比较
5、运营总成本 如将碳素钢车体制造成本定为1.0,则不锈钢车为1.14,铝 合金车(不涂漆)为1.57,铝合金(涂漆)为1.66。但是由于碳 素钢车体检查维修量大,其总成本明显增加,12年厂修时其总 成本大幅上升,超过不锈钢车。20年时,再次大幅跃升,超出 铝合金车。所以可以看出,最初的制造成本最低,但经过长年

使用后,总成本变为最高。而不锈钢车维修量很少,所以最终
总成本最低。


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