（机械工程专业论文）城市快轨车车体钢结构设计及工艺分析.pdf

工程硕士学位论文 城市快轨车车体钢结构设计及工艺分析 摘要 本论文介绍了大连市城市快速轨道车车体钢结构部分的设计思想、结构组成、强 度计算以及制造工艺等方面的内容。文章从车辆要求出发，结合目前国内外先进技术， 全面分析了车体钢结构的设计过程，解决了钢结构设计中部分部件应力过大的问题； 同时详细分析车体钢结构的制造工艺，通过制定合理工艺顺序，选择f 确工艺参数， 制造适用的，1 ：装胎具，解决了鼓形侧墙、流线型司机室、无中梁底架、车体顶棚和端 墙的制造，整体钢结构准确组装等问题。 大连市城市快速轨道车已制造1 0 列，从开始试运彳亍至今，车辆状态良好。经过 强度和刚度计算、车体静强度试验以及机车运用考核证明，大连市城市快速轨道车车 体钢结构完全能够满足该车总体设计要求，达到预期目标，为今后的类似车辆钢结构 的生产提供了经验。 关键词：快速轨道车车体钢结构鼓形侧墙设计工艺 第1 页 工程硕士学位论文城市快轨车车体钢结构设计及工艺分析 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , t h ec a rb o d yo ft h ec i t y t r a n sl i g h tr a i le x p r e s st r a i no fd a l i a ni s i n t r o d u c e d ，m a i n l yi na s p e c t so f t h ei d e ao ft h ed e s i g n ，t h ec o m p o s i n go ft h es t r u c t u r e ，t h e c a l c u l a t i o no f t h es t r e s sa n dt h et e e h n i q u e so f t h em a n u f a c t u r e t h ea n a l y s i sa n di m p r o v i n g o ft h ed e s i g n ，w h i c hc o n s i d e r e dt h er e q u i r e m e n to ft r a i na n dc o n s u l t e dt h ea d v a n c e d t e c h n o l o g y , i si n t r o d u c e dc o m p l e t e l y t h eq u e s t i o no f t h eh i 曲s t r e s si nt h es o m ep a r to f c a rb o d yi sr e s o l v e d 1 1 1 em a n u f a c t u r et e c h n i q u e so ft h ec a rb o d ya r ei n v e s t i g a t e d t h e q u e s t i o n s ，s u c ha st h em a n u f a c t u r eo ft h ed r u ms i d e w a l l ，t h eu n d e rf r a m ew i t h o u tt h e m i d d l eb e a m ，t h er o o fc o v e ra n dt h ee n dw a l l ，t h ea s s e m b l yo ft h ec a rb o d y ，a r er e s o l v e d b y t h er e a s o n a b l et e c h n i q u e sa n dt h ea v a i l a b l ef a c i l i t y t h e c i t y t r a n sl i g h tr a i le x p r e s st r a i no f d a l i a np r o d u c e d1 0u n i t s f o r mt h e no n ，t h e s t a t u so ft h et r a i n si sg r e a t i ti sc e r t i f i c a t e dt h a tt h ec a rb o d yo f t h ec i t y - t r a i l sl i g h tr a i l e x p r e s s t r a i n si ss a t i s f i e do ft h er e q u i r e m e n tb yt h ec a l c u l a t i o na n dt h ee x a m i n a t i o no f t h e c a l b o d y ，r e a c h e d t h ep r o p o s eo f t h ed e s i g n i ts u p p l i e st h ee x p e r i e n c ef o r t h ep r o d u c t i o n o f t h es i m i l a rt r a i n si nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：t h e c i t y - t r a n sl i g h t r a i le x p r e s st r a i n st h ec a rb o d y t h ed r u ms i d e w a l l d e s i g nt e c h n i q u e s y 6 8 3 3 2 , 9 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：纽硼年，月廖日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电二f 和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：强棘绷年堂月j ；日 工程硕士学位论文 城市快轨车车体钢结构设计及工艺分析 1 绪论 1 1 城市快速轨道车的发展状况 现代快轨交通是由铁路发展而来，经历了现代有轨电车到快速轨道运输系统各个 阶段。 有轨电车在世界上已有1 0 0 多年的历史，1 8 8 1 年德国柏林工业博览会期间，展 示了一列三辆电车编组的小有轨电车，只能乘坐6 人，在4 0 0 米长的轨道上展示，它 给世人提供了富有创意的启示。世界上第一个投入商业运行的有轨电车系统是1 8 8 8 年美国弗吉尼亚洲的里磁门德市。以后，有轨电车系统发展很快，在2 0 世纪2 0 年代， 美国的有轨电车线总长2 5 0 0 0 k m 。到3 0 年代，欧洲、日本、印度和我国的有轨电车 有了很大的发展。1 9 0 8 年我国第一条有轨电车在上海建成通车，在随后的年代里， 大连、北京、天津、沈阳、哈尔滨、长春等城市都相继修建了有轨电车，在当时的城 市轨道公共交通中发挥了骨干作片j 。 旧式有轨电车行使在道路中间，与其他车辆混合运行，又受路口红绿灯的控制， 运行速度很慢，f 点率低，而且噪声大，加减速性能较差。随着汽车工业的迅速发展， 西方国家私人小汽车数量急剧增长，大量的汽车涌上街头，城市道路面积明显不够用。 2 0i ：i 上纪5 0 年代开始，世界各国大城市都纷纷拆除有轨电车线路，这也波及到我国。 到5 0 年代末，我国各大城市也把有轨电车线路基本拆完，仅剩大连、长春个别线路 一直保留至今，继续承担着正常的公共客运任务。 2 0 世纪6 0 、7 0 年代进入地下轨道建设高潮发展时期，但由于地下铁道造价昂贵， 建设进度受财政和其他因素制约，西方大城市在建设地下铁道的同时，又重新把注意 力转移到地面轨道上。8 ( ) 、9 0 年代，环保问题、能源结构问题突出，在经济可持续 发展战略方针指导下，全世界掀起了新一轮的快轨交通系统的建设高潮。在德国、瑞 士、比利时等尚保圈了以往有轨电车的国家，系统已经通过改进和升级成为现在的“快 轨系统”。在北美、亚太地区以及英法几个欧洲国家，虽然曾于2 0 世纪5 0 年代开始 将有轨电车淘汰出城市轨道交通系统，但自7 0 年代以来，快轨系统同样在这些国家 和地区获得了崭新的发展。现在，快轨交通在全球五大洲5 0 多个国家均得到发展， 已经有超过4 0 0 条快轨和有轨电车线路，此外世界各地还有1 0 0 多条快轨线路在拟建 中”“。1 9 8 4 年起，国外开始发展部分低地板快轨车辆，1 9 9 0 年起又开始发展1 0 0 低地板快轨车辆，这是一种无噪声污染的新型电车，其运行噪声仅为7 0 d b 左右。 1 9 7 8 年3 月，国际公共交通联合会( u i t p ) 在比利时首都布鲁塞尔会议上，确 定了新型有轨电车交通的统一名称，英文为l j g h tr a i lt r a n s i t ，简称快轨交通( l r t ) ( 也称其为轻轨交通) 。 第1 页 工程硕士学位论文城市快轨车车体铡结构设计及工艺分析 国际对轨道交通的内涵和名称并不统。按车辆走行部分可分为两类轨道交通系 统：一类是在原有的有轨电车基础卜发展起来的钢轮、钢轨的交通系统，另一类是采 用橡胶轮的独轨和新交通系统。本文所指为第一类钢轮、钢轨的交通系统，即是指采 用钢轮钢轨走行关系，并由电力驱动车辆所组成的公共交通客运系统”“。这种轨道交 通系统吸取了地下铁道在车辆和信号等方面的技术，由于是在有轨电车基础上发展起 来的技术，所以在许多方面与有轨电车相似，但在采用一系列高新技术后，运输能力、 技术性能、环保水平、便捷程度等方面己远非老式有轨电车所及。轨道车辆运输能力 的适用范围广，从发展城市公共交通角度出发，每小时单方向超过3 0 0 0 人次甚至还 低一些，就可建设快轨系统线路。这种轨道交通分地面、地f 和高架轨道三种形式， 但以地面和高架居多。在欧洲，大多采用地面形式，速度要求较高的，采用专用车道， 在交通繁忙的交叉路口采用半地下或简易高架线路及专用车道。为降低噪声和造价， 一般采用有渣轨道，与地面汽车和用车道时，采用与路面相平的整体道床结构，便于 轨道车辆和汽车同时使用。另外，轨道结构均采用焊接长钢轨，以降低噪声。 快轨车型种类较为复杂，但基本车型大致可分为三类，即在同等宽度情况下，单 元车辆可以是单厢4 轴车、双厢单铰接6 轴车及三厢双铰接8 轴车。也可以有2 辆至 4 辆组成列车方式运行。目前国际上快轨车辆的发展很快，已出现了模块式组合车体 的快轨车辆“”。1 。为方便乘客上下车和老人、儿童、残疾人乘用，广泛采用低地板 车型，地板高度为3 0 0 3 5 0 r i o n 。 城市快速轨道车作为新的都市交通系统，由于其具有高性能车辆、超低地板、运 行线路多样化( 或地上、或高架化、或人行专用道内运行) ，与环境和谐、容量大、 能耗低、污染轻、效益高等特色，在欧洲各国都有应用，成为主要交通系统。快速轨 道交通系统的运输能力可达3 0 0 0 1 1 0 0 0 人h ，很好地解决了城市交通运营供求的 匹配问题，是较为理想的运输模式。由于快轨车辆具备良好的性能，便于加速和高速 运行，同时，快轨系统拥有独立路权和部分路权，通过道路交叉口时具有交通信号优 先权，使得快轨交通能保证良好的商业运营速度，缩短行程时间。快轨运输的畅通快 捷使其具备了良好的运营规律和可靠性，并且它还不易受风雨冰雪等不利自然环境和 路况条件的影响，可全天候正常运行。快轨系统的车辆的减震性能和轨道稳定性能， 可保证其运行平稳流畅，较低的车辆底板和无缝登车踏板可使乘客舒适乘坐。其安全 性也优于公共电汽车出行，隔离的轨道和信号优先权减少了其与道路交通的冲突。由 于采用电力牵引，快轨车不会产生很多废气污染，还可以节约能源，快轨交通方式产 生的噪声污染相对较小。车辆和轨道的良好性能使得运行时的噪声和摆动进一步减 弱。此外，快轨车辆造型美观，塑造了良好的城市形象。大量实践证明人们对快轨 车的满意度高于同渐扩大的道路公交系统等其它运输方式，不断更新升级的轨道交通 系统分流了道路公交等其它运输方式的客流，减少了地面交通拥挤，降低了停车场地 第2 页 ： 程硕士学位论文 城市快轨车车体钢结构设计及工艺分析 和道路基础设施的建设需求压力，提高了居民生活质量，使得城市更加充满活力。快 轨交通系统的建立使城镇的联系更加紧密，避免城市摊大饼式”向外蔓延，引导城 市轴向发展，带动城市中心和城市新区的现代化发展，对城市发展具有长期的战略意 义1 。 1 2 国内城市快速轨道车的发展及研究现状 随着我国国民经济的迅速发展，城市化进程的不断加快，城市交通问题与城市住 房、环境污染一起，成为困扰城市发展的三大难题。2 l 世纪我国国民经济的持续发 展将更加迅速，必将推动城市建设规模的不断扩大，城市人口也将随之急剧增加，居 民出行和物资交流必然处于高度频繁状态，使本来就很困难的城市交通问题面临更加 严峻的势念。当前私人小汽车增长幅度很大，是否会出现西方国家曾经历过的小汽车 成灾的现象尚不好预测，但在有限的城市道路上。大量的机动车、自行车和行人并存， 道路交通秩序混乱局面是不可避免的。这种状况的长期存在，不仪影响居民的正常生 活质量，也将对城市的经济发展带来无形的阻力。为了改善城市交通状况，我国城市 在不同程度上投入了大量的财力、物力，对道路基础设施进行建设，但由于传统城市 交通发展方式存在着严重的弊端，很难从根本上摆脱拥挤一缓和一再拥挤的恶性循 环。为了克服城市交通堵塞、环境污染等“城市病”，减少公交汽车的出车流量，有 效缓解道路紧张状况，减少交通事故，改善交通环境，发展以轨道交通为骨干的城市 客运公共交通已形成广泛共识。城市轨道交通包含地铁和快轨交通等多种类型，地铁 虽然客运量很大，但造价昂贵，非一般城市的经济实力所能承受，而且这也不是改善 城市交通的唯一途径。采用经济实用的中运量快轨交通系统，同样可以解决大多数中 等以上城市的交通困扰问题。它的特点是快捷、安全、准时、容量大、能耗低、污染 轻，具有可持续性。全幽已有十几座城市丌始进行城市轨道交通建设的前期工作，纷 纷向国家提出立项要求，城市轨道交通具有良好的发展前景。 我国的轨道交通事业起步较晚，2 0 世纪6 0 年代，北京市开始修建地下铁道，到 1 9 9 9 年共计3 5 年，北京地f 铁道线路总长达到5 5 5 公里，年平均建设仅1 6 公罩， 发展速度较慢。8 0 年代后，部分大城市发展极快，为了改善城市交通状况，上海、 广州陆续修建地铁，但由于地铁的造价高昂，发展中运量快轨交通系统解决中国大城 市交通堵塞成为大家的一致共识。在大连、天津、武汉、长春等城市已立项多个快轨 线路j 二程。另外还有一些大中城市，虽然尚未公布其轨道交通建设规划，但大量的前 期工作丁f 在开展。一些大城市已提出目标，未来轨道交通承担的客运量要占全市客运 量的3 0 一4 0 。我国城市轨道交通发展的前景是宏大的。 目前，城市快速轨道车的研制丌发相对滞后，尚无由我国自主知识产权开发的城 第3 页 工程硕：l 学位论文 城市快轨车车体钢结构设计及工艺分析 市轨道车项目，多数线路使用国外的城市轨道车辆“。假设2 0 1 0 年前需要采购4 0 0 0 辆左右的轨道车辆，按平均价格1 0 0 ) j - 美元计算，则向国外采购需4 0 亿美元，这是 一笔巨额资金，而且一旦轨道交通系统建成后，大量备品、配件还需要长期依赖国外， 上海、广州车辆的购置费总额约占到整个地铁工程造价的3 0 4 0 ，这是造成国内地 铁工程造价昂贵的重要原因之一。因此，国产化是轨道车辆的发展方向。 城市轨道车辆的关键技术集中在车体、转向架、列车通讯网络和控制装置。车辆 的车体应该具备足够的强度和刚度。为了确保安全性和舒适性，车体应具备良好的不 燃性、隔热性、隔音性和封闭性；从经济性能出发，车体应该具备重量轻、耐腐蚀和 可以重新利用的性能。转向架应确保乘车舒适性，降低噪音和节约能源。各电气部分 应具有先进的牵引调速系统和高速数字传输技术和计算机信息处理技术，实现对列车 位置的精确测定、列车速度的f 确控制、地面调度指挥和列车的实时通讯。要实现轨 道车辆的国产化，必须解决上述关键技术。 从世界范围看，城市轨道车辆与干线铁路车辆均在同一机车车辆厂制造，并没有 专门的轨道车辆制造厂。大连机车车辆厂现有年生产3 0 0 台各种不同型号的内燃、电 力机车和动牟组的设计和生产能力，具有开发和研制现代轨道车辆的能力。 1 3 选题依据 为了适应大连经济快速发展的要求，改善城市的交通结构，带动地方产业和旅 游业的发展，大连市要新建香炉礁一金石滩的快速轨道线路( 轨道交通3 号线工程) 。 大连机车车辆厂根据该工程对车辆的需求，着眼于未来广阔市场，开始对快轨车辆进 行研究和预开发，在前期的调研、考察、资料收集过程中作了大量准备工作，以投标 方式承担了首批l o 列城市轨道车辆的开发制造。本项目是大连机车车辆厂首次涉足 城市轨道车辆这一新领域，在研发周期短，质量性能要求高的情况下，大连机车车辆 厂汇集厂内优秀工程技术人员，根据城市快速轨道交通工程项目建设标准和大连 市的具体情况，提出初步方案，同时与国外、国内两家著名的城市轨道车辆咨询公司 签订技术咨询合同，保证了城市轨道车辆开发的高起点，但同时也对设计和镉造提出 了更高的要求，特别是车体部分的设计完全由大连厂独立完成，在没有现成经验的基 础上进行研发，困难巨大。 车体是车辆结构的主体。车体的强度、刚度，关系到运行可靠性和舒适性；车体 的防腐蚀能力、表面保护和装饰方法，关系到车辆外观、寿命和检修制度：车体的重 量，则关系到能耗、加减速度、载客能力乃至列车编组形式( 动拖比) 。这些都直接 影响运营质量和经济效益。 城市快轨使用的车辆车体结构，同前世界上种类很多。按使用的主要村料可分为 第4 页 工程硕士学位论文 城市快轨车车体钢结构设计及工艺分析 铝合会、不锈钢和耐侯钢车体。按承载方式分底架承载、侧壁承载、整体承载三种方 式。按结构形式分，有板梁组合结构、开口型材与大型中空型材组合结构以及大型中 空型材结构三种形式。这些结构同时属于整体承载结构。从板与粱( 柱) 、梁( 柱) 与梁( 柱) 之问的结合方式来分，有焊接、铆接、螺柱( 钉) 粘结连接或混合连接结 构。我国和r 本大多采用焊接结构。焊接一铆接或焊接螺拴( 钉) 连接在欧洲应用 较多。 整体承载结构，即所有车体承载构件和外板都参与承载，这样能充分发挥所有承 载零部件的承载作用，有效减轻车体重量。特别是板梁组合结构，原则上可按照有限 元法的车体强度、刚度计算结果来分配材料：强度不足部位补强，刚度不足部分补刚， 强度刚度富余的部位将材料去掉，从而收到最佳的轻量化效果。 耐侯钢车体采用板梁组合整体承载全焊接结构。将冷轧定尺板材或热轧卷料开 卷、矫平，切断的板材经磷化预处理。车体外板一般采用整体预拉伸工艺，梁柱则将 预处理后的板材剪切下料、轧压、冷弯或拉延成型。车体采用大部件组装方式：将底 架、侧墙、车顶、端墙部件预先组成后再组成车体。经变形矫正后的车体送到油漆工 序。在车体设计开始，梁柱布置完成后用三维有限元法进行车体强度计算。在头一辆 车体制造完工后，进行强度试验。车体的强度试验属于形式试验，即同种车只试验 台，在油漆前进行。车体需经钢结构强度试验通过后才能批量生产。 不锈钢车体结构与耐侯钢车体一样，也是采用板梁组合整体承载全焊结构。由于 使用的板材更薄，须采用大量薄板轧墉成补强( 刚) 裂车孝与外板点焊连接形成空腔， 借以提高外板的刚度、强度。这是不锈钢车体的结构特征之一。为了不降低板材强度 和减小变形，应尽量采用点焊。特别是强度级高的材料不允许任何形式的弧焊。梁柱 之间采用平面或立体接头、点焊。板的拼接采用搭接缝焊。采用接触焊代替弧焊是不 锈钢车的又一特征和技术关键。为了降低制造成本或提高工艺性，对这种车体上没有 腐蚀倾向的部位，通常采用普通钢或耐侯钢，如牵引梁、枕粱、侧门内立柱的下部， 内端墙立柱等。因此，即使轻量化不锈钢车体也有大约3 0 的普通钢或耐侯钢。不 锈钢车体的制造：i ：艺性远不如碳钢车，不能采用弧焊，特别是不锈钢成型困难，因此 不锈钢车体的前端造型若特别复杂或数量很少时，不得不采用钢材或玻璃钢制造。由 于现在生产的不锈钢车体大量采用点焊，密封性不如连续焊，因此不适用于高速车车 体。 铝合金车体从结构形式上可分为：板粱、大型丌口型材和大型中空闭口型材及其 组合形式。板粱式铝合金车体在结构形式上类似于耐侯钢车体，但为了提高断面系数， 防止板材由于剪力产生失稳现象，因此加大板厚。铝合金车体的薄板焊接非常困难， 技术水甲高，而且变形大，矫正困难，因此，必须采用接触焊。开r _ _ i 型材将板、梁合 成一体，简化了车体制造工艺，提高了质量，但成本也相应增加。大型中空型材组焊 第5 页 ：1 程硕士学位论文 城市快轨车车体钢结构设计及工艺分析 式车体制造时，只需将型材沿车体长度方向对接连续自动弧焊。出于车体零件数量少， 焊接工作量少，且容易实现自动化，人大提高了产品质量，但与此同时，由于大型型 材需要能力为8 0 0 0 1 0 0 0 0t 的大型挤出设备和大型模具，因此制品成本昂贵，设计 断面的变化也受到制约。此外，由于多余金属只能靠机械加工的办法去掉，工艺复杂， 成本高，所以，大型中空型材结构的车体比板梁式、大型开口型材式车体略重些。 铝合金结构的变形矫正非常困难。因此小管什么结构形式，都必须千方百计用工装 具来限制焊接变形。铝合金车体的自重一般可达到普通钢车体的1 2 。但铝合金车体 的车体刚度差，设计时要加大板厚和尽量加大车体断面以提高车体抗弯刚度。铝合金 车体的另一个不尽人意之处是耐腐蚀性能差，不能像不锈钢那样达到不用涂漆的程度 ”m “。表1 3 1 “列举了三种材料车体的特点。 表1 3 1 各种材料车体的特点 碳钢车锅合金车不锈钏车 l 可以自由造型可以自由造型造型困难 塑性加工容易 塑性加工容易要有塑性加工技术 可做到车体气密结构可做到车体气密结构车体气密结构困难 轻量化难轻量化有效果可以轻量化 材料价格低材料价格特高材料价格高 材料强度一般材料强度略低材料强度高 耐腐蚀性一般耐腐蚀性好耐腐蚀性优越 耐热性高耐热性低耐热性高 焊接性好要高水平熔焊技术 焊接性一般 制造价格低制造价格高制造价格较高 注：相同特点中，“”为好，“”为一殷。 车辆总体设计在考虑确保安全可靠的前提下，以经济特性为基础，满足材料的来 源充足，结构工艺性好的要求，结合大连市香炉礁一金石滩的快速轨道线路( 轨道交 通3 号线工程) 条件和车辆条件，此次大连市快轨车车体钢结构采用耐侯钢材料，筒 形整体承载结构。 1 4 本文研究内容及论文结构 本项目从车辆要求出发，借鉴目前国内外先进技术，确定车体钢结构总体设计思 想，进行相应的结构设计和强度计算和分析，实现车体钢结构的轻量化设计，满足线 路运营需要；同时详细分析城市快速轨道车车体钢结构的制造工艺，实现车体钢结构 第6 页 兰：堡堡主堂焦堡塞 垫壹堡垫主主堡塑笙塑堡豉壅三茎坌堑 的精细制造，满足图纸的设计要求。通过本项目的完成，以期解决车体钢结构设计、 制造中出现的一系列问题，保证大连机车车辆厂城市快速轨道车的顺利生产，同时也 为国内同类产品的生产提供经验。 本次研究工作主要分两个部分： 1 ) 完成车体钢结构初步设计，并根据车体强度计算结果对设计方案进行修改，确定 最终设计方案。 2 ) 分析车体钢结构制造工艺，确定合理的工艺过程，制造组对工装，解汝生产中的 工艺难点，保证大连市城市快速轨道车的生产。 本文第一章绪论主要介绍城市快速轨道车辆的发展状况，我国城市轨道交通的现 状以及目前城市快速轨道车辆车体钢结构的设计和工艺水平，并提出了选题依据和研 究内容；第二章主要分析大连市城市快速轨道车设计需求；第三章详细分析了大连市 城市快速轨道车车体钢结构的漫计过程；第四章分析了大连市城市快速轨道车车体钢 结构的制造工岂难点，并针对这些问题采用相应工艺措旎；第五章是对全文的总结和 展望。第三、第四两章是本文研究的核心部分。 1 5 本章小结 本章介绍了城市快速轨道车辆的发展状况和我国城市轨道交通的现状，阐明了我 国对发展城市快速轨道交通的迫切要求，同时也指出了我国在轨道交通车辆国产化方 面的小足，提出了国产化的可行性。本章还介绍了目前城市快速轨道车辆车体钢结构 的设计和工艺水平，同时根据大连市城市轨道3 号线的具体情况，提出了选题依据和 研究内容，并介绍了论文的基本结构。 第7 页 工程硕士学位论文 城市快轨车车体钢结构设计及1 二艺分析 2 车辆概况及主要性能 2 1 设计目标 车辆设计寿命为3 0 年，技术水平超过目前图内同类产品。性能先进，经济实用， 运行安全可靠，使用检修方便，造型美观，乘坐舒适。车辆的总体布置本着使用维修 方便，保证运行安全可靠的原则进行布置，使该车技术j 二既有先进性，经济上又合理 - j - h 。 2 2 车辆基本使用条件 车辆运行的环境、线路条件等基本使用条件直接影响对车辆耐腐蚀性等性能要 求和车辆尺寸等尺寸要求，因此设计中必须考虑车辆的使用条件。 自然环境和车辆使用环境 海拔高度：不超过1 2 0 0 m 环境温度：2 5 + 4 0 相对湿度：晟湿月份平均最大相对湿度为9 0 。该月平均温度刁i 大于2 5 。c ，年平 均温度1 0 2 。 降水量：最大h 降水量1 9 8 5m m 风向及风速：风向偏北，东南偏南，最大风力3 2 7m s 使用环境：车辆在地面、高架线路及沿海运行，应能承受风、沙、雨、雪的侵袭 和碱的腐蚀，车辆在地面车辆段停放和检修。 线路条件 轨距：1 4 3 5l l l m 最小曲线半径：正线3 0 0i l l ，车场线1 5 0 m 最人坡度：正线2 5 o ，出入段线3 3 o 。 车辆符合大连市快速轨道交通三号线车辆轮廓限界 2 3 车辆种类及编组方式 快速轨道车基本车型大致可分为三类，即在同等宽度情况下，单元车辆可以是单 厢4 轴车、双厢单铰接6 轴车及三厢双铰接8 轴车，也可以有2 辆至4 辆组成列车方 式运行。本项目根据客户要求和车辆摹本使用条件确定车辆种类和编组方式： 车辆种类：有司机室的拖车( t o ) 和动车( m ) ，均为单厢4 轴车。 车辆编组方式：一t c4m 4 m4t c 一 第8 页 工程硕士学位论文城市快轨车车体钢结构设；十及工艺分析 其中：一代表半自动车钩 4 代表牵引杆式车钩 2 4 车辆主要性能参数及主要尺寸 由于在车辆总体设计中必须考虑具有合理的技术经济指标和性能，减少维修、保 养的费用，因此必须统筹兼顾影响它的各种因素。其主要因素有自重、轴重、轴数、 每延米轨道载重允许值等。影响自重最大的因素就是车体钢结构。车体钢结构在设计 时必须在保证足够强度、刚度的前提下减轻自重，否则将会带来后患，给检修造成困 难。根据车辆的设计目标和基本使用条件，确定车辆的主要性能参数和尺寸。 主要性能参数： 车辆自重 有司机室的拖车( t o ) ：不大于3 2t 动车( m ) ：不大于3 6t 四辆车编组列车总重不大于1 3 6t 车辆载客能力 额定载员：( 站立乘客按6 人m 2 计算) 动车2 1 7 人( 座席4 8 人) ，拖车1 8 3 人( 座席4 0 人) 一列车总人数为8 0 0 人( 座席为1 7 6 人) 超员：( 站立乘客按9 人m 2 计算) 动车3 0 2 人( 座席4 8 人) ，拖车2 5 4 人( 座席4 0 人) 一列车总人数为1 1 1 2 人( 座席为1 7 6 人) 列车速度 最大运行速度 1 0 0k m h 起动平均加速度( 在平直线上，车轮处于半磨耗状态) 超员状态下，列车速度从0 加速至4 0k m h ，不小于0 8 3m s 2 超员状念下，列车速度从0 加速至1 0 0k m h ，不小于0 4 5m s 2 制动平均减速度( 在平直线上，车轮处于半磨耗状态) 在额定载员情况下，列车从最大运行速度至停车： 常用制动不小于1 0m s 2 紧急制动不小于1 2m s 2 主要尺寸： 车体长度： 1 9 0 0 0f i u l l 车体宽度( 最大处) ： 2 8 0 0 咖 第9 页 工程硕士学位论文 城市快轨车车体钢结构设计及工艺分析 车顶距轨面高度： 列车两端车钩连接面之间长度： 牟钩中心线距轨面高度： 客室地板面距轨面高度： 车辆定距： 轴距： 轮径： 轴重： 2 5 本章小结 3 8 0 0m m 四辆编组为4 x 1 9 5 2 0 m m 6 6 0 + 1 0m m 1 1 0 0m m 1 2 6 0 0m m 2 5 0 0f i l m 8 4 0m i l l 不大于1 4 t ( 超员状念下) 。 本章主要分析此次城市快速轨道车设计需求。提出了车辆的设计目标，介绍了线 路的自然环境和车辆使用环境及线路条件，确定了车辆种类和编组方式，并根据车辆 的设计目标和基本使用条件，确定车辆的主要性能参数和尺寸。 第1 0 页 t 程硕士学位论文 城市快轨车车体钢结构设计及工岂分析 3 车体钢结构设计及改进 3 1 结构设计 车体钢结构的总体设计需满足设计任务书中提出的各项功能要求，必须考虑运输 安全性、方便使用、具有合理的技术性能等问题，同时还需考虑制造时的结构工艺性， 尽可能利用工厂现有的工艺装备。车体钢结构的主要作用是承受上部载荷和传递机车 牵引力；同时又是机车各动力机组和设备的安装基础，并为乘务人员提供工作场所。 因此车体钢结构的设计，一方面要满足机车总体匆置的要求，并为乘务人员提供良好 的工作环境：另一方面更为重要的是要求车体钢结构具有足够的强度和刚度，确保机 车在任何状态下安全可靠。 大连市城市轨道交通3 号线车辆的车体钢结构与机车车体有所不同，与一般的铁 路客车有许多相同之处，但由于其特殊的用途，又有其特有的特征。因此，此次车体 钢结构的设计借鉴了客车车体钢结构的设计思想，同时又根据快轨车自身特点进行改 进。 此次城市快速轨道车辆采用四节连挂的双向式电动车组，每一车组由各两节动车 和拖车组成，其排列次序为拖车一动车一动车一拖车，如图3 1 1 所示，拖车和动车 车体均为薄壁筒形整体承载结构，拖车车体主要由司机室、底架、侧墙、车顶和端墙 等五部分组成，动车车体主要由底架、侧墙、车顶和端墙等四部分组成，动车和拖车 的主要不同是拖车车体前端设置有今跃为2 8 4 0 m m 的司机室，其司机室结构为板梁结 构、流线型，结合现代列车的造型特点和功能要求，充分利用大连厂u g 系统进行三 维设计，以求美观、流畅，保证司机良好的驾驶环境。拖车和动车的车体钢结构如图 3 1 2 所示。由于拖车和动车其结构、材料相似，本文在结构设计说明中不特别区分 动车和拖车各部分，只介绍两个车体钢结构的典型部分。 一_】璺喈*一。=二_二：=吾孑佣f专符i1?。云佩二二，赢罪譬习i ” ，j _ 。1 。l l _ _ _ j 三二_ + i 瞄。i “。j 。i 【。叫l ! 二ju u i 。i 。i 一面i 甚兰：。一豳，每婶谚* 噩璧虱戛丑圭基三三二量基孺白 l o 一 一 j 一 。 一 幽3 1 1大连市城市快轨车排列示意图 注：本图所示为一拖一动组成 第1 l 页 j ：程硕士学位论文 城市快轨车车体钢结构设计及工艺分析 ，藜i 田f j 。可霭习亍疆丁干司珂羽 媳! 睦_ 虹；， l 。垣墼逛醴耻：萄_ 上l 扳工。f | l 也盟i i l ll ， 【i一日j 士七 划 虬。；1j 【i f 阿_ i 强i 口l 韶圈广厂厂rn 3 1 2 大连市城市快轨车车体钢结构示意图 3 1 32 5 耍l l 客车车体断面形状图 主要以2 5 型客车为主的新酗客车改进了车 体制结构，由原来的有中梁、有压筋的整体承 载结构发展为无中梁、无压筋的薄板整体承载 结构，其钢结构断而形状见图3 1 3 所示。由于 这种客车结构具有自重低，在车体和车体高度 增加的情况卜，钢结构自重仍较2 2 型有所降低， 日乘坐平稳性好、噪声低、安全性好的优点， 大连市快速轨道车辆主要借鉴了这种车体钢结 构形式，同时根据快轨车运行的特点，对客车 车体进行了相应的改进： 第1 2 页 工程硕士学位论文城市快轨车车体钢结构设计及工艺分析 1 ) 由于本车服务于市区公共交通，在车内外布置上不仅要高质量、高档次，服务于 乘客，还要有现代感、别具一格，与城市景观相协调，因此在军体设计上首先选择了 鼓形车体，侧墙为无压筋鼓形曲面结构，即在地板面上5 8 0 m m 处车体达到最大宽度 2 8 0 0 m m ，该处为圆弧形状，圆弧上部和下部沿切线方向与垂直方向内倾一定角度， 3 1 4 快轨车车体断面形状图 2 ) 车辆的防蚀、耐蚀设计对延长车辆使用寿命， 两侧墙下部设有裙板，从车顶到下 体裙板外表面呈曲线平滑过渡。其 断面结构见图3 1 4 所示。 鼓形车体在我国城市快速轨 道车辆的设计上为首次应用，这种 结构取代了传统的竖直侧墙，车体 的圆弧处可安装纵向座椅的位置， 使室内空间增大，提高站立人数， 增加定员，同时减少运行阻力，增 加了刚度，减轻自重，使车体钢结 构最大限度的做到了轻量化，同时 车体钢结构骨架多采用压型钢形 式，与蒙皮结合后构成封闭的壳体 以保证车体的强度和刚度。 降低车辆自重，提高车辆系统的经 济效益起到了良好的作用，实际h ，防蚀、耐蚀与轻量化也是。个问题的两个方面， 不解决车辆的防蚀、耐蚀，也就谈不上减轻车辆的自重。对车辆自重影响最大的就是 车体钢结构，因此处理好车体钢结构的耐蚀、防蚀对车体钢结构影响很大。除了采用 耐候钢等耐腐蚀材料外，改进车体钢结构设计也是一个重要方法。 客车中易腐蚀的部位为：车顶纵向压筋，车顶和侧墙结合部位的雨檐，车窗下两 侧的转角处等部位，同时，蒙皮和粱柱之阍点焊、段焊连接会带来水分钻入夹缝部位， 造成腐蚀。因此，大连市城市快轨车首先全车的外包板( 包括波纹地板) 及部分梁、 柱采用镍铬系耐侯钢材料，以提高车辆的耐腐蚀能力和外观质量，延长快轨车的使用 寿命，同时，考虑客车雨檐作用不大，取消了结构中的雨檐；车顶空调机组座的面板、 脚蹬、翻板等易腐蚀部位采用不锈钢板，提高耐腐蚀能力；结构中尽量避免小转角和 沟槽；并在结构总体设计中就提出防腐蚀的基本工艺要求，对型材和板材在进行加工 之前就进行严格的表面预处理，清除表面的污垢及锈蚀，并涂刷防护底漆。 3 ) 由于本车运行线路不仅有地面，还有高架、隧道。在车体的结构及选材上还需特 别注意采用防火设计和阻燃处理，以提高车辆的防火性能。同时，特别注意车辆的隔 音和减噪，以最大限度的降低噪声对乘客和沿线居民的影响。因此在内部装饰板和地 第】3 页 工程硕士学位论文 城市快轨车车体钢结构设计及工艺分析 板设计中特别考虑了防火和隔音的问题。 4 ) 大连市快速轨道车包括有动车和拖车两个部分，动车提供动力，车顶设有受电弓 安装庵：拖车一端设有司机室。冈此在设计中要考虑各部分结构之间的连接。 在完成车体总体设计思路后，引入模块化设计概念，将车体钢结构分为车顶、侧 墙、端墙、底架和司机室五大模块，进行独立设计。 3 1 1 车顶 车顶有上边梁、车顶弯梁、车顶纵向粱、空调机组安装座和受电弓安装座等组成 钢骨架，在钢骨架的外面焊有车顶板，共同组成车顶锅结构，承受作用其上的各种载 荷。 车体顶棚由斜l 形边梁， 形弯梁和乙形纵梁组成弧形框架结构，在接近端 头处设有空调机组平台，见图3 1 1 1 所示。考虑车体轻量化要求，车体空调机组设 计为框架结构，同时将端头的空调机组座的面板设计为不锈钢板，满足了结构耐腐蚀 性的要求。 3 1 2 侧墙 图3 l1 1 车体顶棚示意图 侧墙是此次快轨车设计的重点，从美观角度考虑，需尽可能保证侧墙外平面光滑， 整车表面的甲面度相差小，这给制造工艺带来了一定难度，因此，在设计时要充分考 虑工艺需要，便于组对和拼装。车体钢结构侧墙的外表面从车顶到底架成平滑过渡的 鼓形曲线，在鼓形的外墙板内侧焊有随形的弯立柱和水平纵向梁，形成板梁式框架承 载侧墙钢结构，见图3 1 2 1 所示。侧墙由三种弯立柱组成，分别为帽形立柱、盆形 立柱、门框形立柱，均采用板材二次成型，满足了车体减重的要求，同时也可保证车 体的外形尺i j 。车体侧墙左右对称，动车每侧各设3 个客室门和8 个侧窗，拖车每侧 各设2 个客室门和7 个侧窗，门窗开孔处是侧墙的薄弱区域，利用周边的梁柱予以加 第1 4 页 工程硕一：学位论文 城市快轨车车体钢结构设计及【艺分析 强，通过选择合适的窗角板、门角板来降低应力集中，使设计结构合理。 3 1 3 端墙 幽3 1 2 1 车体侧墙示意圈 图3 1 3 1 车体端墒结构示意图 端墙是结构中受力部位，采用封闭框架结构，由连接风挡外侧的两根鼓形槽钢粱、 连接风挡内侧的两根直槽钢梁以及与车顶钢结构连接的横向槽钢梁构成端墙钢骨架， 在骨架的外表面焊有端墙板，共同组成端墙钢结构，其结构见图3 1 3 1 所示。端墙 外立柱角度与侧墙鼓形角度相同，因此，端墙的外形和车体的外表平度也有很大关系。 同时，在端墙板内侧还焊有一些如电线管、电器安装座、电器安装粱、扶手杆安装座 等附件，由于本车辆的端墙不仅仅是钢结构，它还起到电器柜的作用，t m s 、空调控 制板、电器柜等都分别安装在动车和拖车不i 司的端墙内，因此，在保证强度的同时， 还需合理布置，考虑电器件的安装和检修，端墙与侧墙板、中顶板、空调风口、幻4 带、 活动侧顶板之间的连接，设计上尽可能做到各部分间结构和功能的有机结合。 第1 5 页 工程硕士学位论文 城市快轨车车体钢结构设计及工艺分析 3 1 4 底架 底架是车体钢结构的重要组成部分之一，在运行中要承受整体钢结构的重量，而 且要满足耐冲击性能，对其动力学性能和运行性能都有着严格的要求，同时电气、制 动系统等部分的管线均从底架中引出，对底架的强度和刚度也带来一定影响。设计上 要能够满足：( 1 ) 超载时的乘客载荷为：拖车2 5 4 人( 席位为4 0 人) ，动车3 0 2 人( 座 位为4 8 人) ：( 2 ) 提供所有底架安装设备的支撑；( 3 ) 设置架车支座及吊车支座：( 4 ) 实现车体与转向架的连接。 二是由于采用鼓形侧墙结构，车体蒙皮为曲线形状，并覆盖在侧墙与底架边粱上， 底架的外形尺寸直接关系到整体钢结构外表平度。 本着在保证底架要求的强度和刚度的前提下尽可能减重的原则，该车底架采用无 中粱结构，由槽形下边梁、横梁、端部、枕梁及波纹地板组成，底架边梁的角度与钢 结构断而角度一致。出于减重的考虑，其边梁和横梁均采用板材二次成型，动车及拖 车车体底架结构如图3 ，1 4 1 所示。 图3 1 4 1a ) 拖1 i l i 体底架结构示意图 第j 6 页 工程硕士学位论文 城市快轨车车体钢结构设计及工艺分析 螳城 i 一 扩壁 器 j ：一 翮雠灞 群丽 等誊 h= i 十 i 玉 j j匪 r 一= 3 1 5 司机室 嘲3 1 4 1h ) 动乍车体底架结构示意图 司机室外形为流线型设计方案，为使头部外形具有较强的整体感，体现较强的动 感和一定的速度感。尽可能考虑外形表面光滑、平顺，头部的正、侧面采用大曲面设 计，各大曲面问的过渡曲面采用大曲率半径的光滑曲面，各曲面衔接处采用无棱边的 平滑过渡方式。为保证车头整体的流线型，前窗玻璃采用与钢结构外形相协调的大曲 面玻璃，为避免直边轮廓与流线型的外形反差过大，在设计时对侧窗窗角做园角处理， 使得整体外形与车窗协调。 前窗下沿高度的确定应从头部外形美观和司机室地板高度对司机视野影响的角 度考虑。在确定外形曲面的同时考虑倾角小则气动性能好，外形动感强，但倾角过小 对司机视野有影响，在整个头部尺寸有限的情况f 也会使司机室内部空间变小。前窗 玻璃垂直高度决定了前窗玻璃的大小过小对司机视野及外形美观有影响，过大则会 给结构设计带来困难，影响钢结构的强度。同时，为了保证前窗玻璃与钢结构的密贴， 采用高强度的粘胶将前窗玻璃与钢结构粘接。通过这种工艺，钢结构的前窗窗口内侧 只要伸出一定宽度的大曲面钢板，即可承接粘胶和i j i 窗玻璃，并且粘胶也可以补偿由 于制造工艺而产生的钢结构误差。 因此，司机室头部设计本着以f 原则： ( 1 )以外形表面及底架平面为粱结构的设计基准，保证能实现外形设计所要求 的流线型外形。 ( 2 ) 结构设计应能满足总体布置的要求。 ( 3 ) 在满足车体结构强度、刚度前提下，尽量减轻承载结构的自重。 ( 4 ) 充分考虑亡厂的工艺条件，尽可能地降低结构的工艺难度。 从设计原则考虑，头部铡结构为梁结构( 即骨架) 加蒙皮，f i - 架和蒙皮均为空间 第1 7 页 工程硕士学位论文城市快轨车车体钢结构设计及工艺分析 几何形状。头部骨架若采用槽形、角形、乙形等截面形式的压型件，由于蒙皮为三维 曲面，要使粱与蒙皮内表面形状吻合，采用上述压型件将导致压型件翼板翘曲或腹板 扭f 【，从而使粱件加工及组装的工艺难度加大。采用矩形截面的板梁，因其无翼板， 不存在翼板翘曲或腹板扭曲的问题，呵以将其设计为半面曲梁，通过梁件交叉组成骨 架，蒙皮蒙在骨架对应位置。如图3 1 。5 1 所示。 图3 15 1 车体司机窀结构示意图 3 2车体钢结构强度计算与分析 3 2 1 强度模型设计说明 由于该车体钢结构是一种全新的结构，为避免不必要的损失，在车体钢结构设计 结束后，就设汁方案进行有限元仿真分折。本次计算采用的有限元软件是美国a n s y s 公司的囤际通用大型分析软件a n s y s 7 1 。采用有限元技术对结构进行仿真计算分析， 首先是建立一个好的计算力学模型，才能准确地计算结构在外载荷作用下所产生的内 力效应。 在本次仿真计算中，先是应用p r o e 软件对车体钢结构按照设计方案图建立三维 的钢结构模型，然后读入到a n s y s 软件中，在采用a n s y s 软件