直线电机轨道车辆司机室前窗系统设计

直线电机轨道车辆司机室前窗系统设计

直线车辆是当前最先进的市政车辆之一。世界上，十多条直线车辆的运营路线主要分布在日本、加拿大、美国和马来西亚。目前，只有加拿大和日本等少数国家拥有直线车辆的技术。中国幅员辽阔,人口众多,多数大城市人口密度非常大,城轨车辆往往穿越市区繁华区域,因此,要求城市轨道交通车辆的噪声特别低;另外,中国多数大城市地质结构复杂,城市轨道交通工程投资巨大,这就要求尽量降低工程造价。直线电机车辆在这些方面具有明显优势,并具有爬坡能力强的特点。广州地铁4号线、5号线项目由南车四方机车车辆股份有限公司与日本川崎重工联合设计开发,是国内首个直线电机地铁项目。1司机室前窗系统司机室前挡风系统包括司机室前窗系统和侧窗系统,其中前窗系统的设计直接影响车辆的外观、视野、安全性和空气动力学性能,是司机室结构的重要组成部分。本车前窗系统中前窗玻璃为球面形状,与整个司机室前部融合为同一个曲面,使驾驶员的视野更宽广,整个外形融入了现代感和流行的时尚设计理念,给人以耳目一新的感觉。前窗系统的结构设计可保证司机的安全,当玻璃被击打或打破时,玻璃仍然留在原来的位置,为驾驶员提供安全和足够的视觉,使列车能够继续行驶。司机室前挡风系统不参与司机室结构的承载,但必须承受气动载荷,并与司机室结构气密性相关。该系统应具有良好的气密性能和抗冲击性能。侧窗系统采用普通钢化玻璃,结构比较简单,在此不作详细介绍。2技术性能2.1适用的环境条件表12.2前窗玻璃的技术标准表22.3噪声性能该系统具有良好的隔声性能,具体性能参数见表3。3结构特征3.1玻璃的复合改性见表3前窗玻璃是前窗结构中最重要的部件。为达到良好的视野,要求玻璃是整块的;要达到较低的气动阻力,则应尽量采用倾角大的曲面玻璃;而要达到满意的光学性能,则要求玻璃本身具有良好的品质。这些都对前窗玻璃的选型与安装提出了很高的要求。前窗玻璃采用夹层式无色透明的安全防爆玻璃,由透明的复合安全玻璃组成。玻璃总厚度为11.33mm,外层为厚5mm的强化玻璃,内层为厚3mm的强化玻璃,内外层之间用厚3.33mm的高强度胶片粘结,胶片为进口胶片。玻璃周边为丝网印刷处理(如图1所示)。此种结构的玻璃具有足够的强度和良好的抗冲击性能,可保证当窗玻璃被击打或被打破时,玻璃仍留在原来的位置。3.2结构困难和解决办法3.2.1玻璃在2个方向上的投影前窗玻璃的结构难点之一在于形状难以控制。在国内现有地铁车辆中,前窗玻璃以单曲面为主,即整个玻璃仅在一个方向上的投影为曲线,而在另一个方向上的投影为直线,如八通线地铁前窗玻璃(见图2)。而本车前窗系统的前窗玻璃形状为双曲形状,整个玻璃在2个方向上的投影都是曲线,而且为变曲率半径的曲线(见图3)。该玻璃形状在二维设计环境中难以描述,为此采用三维建模来实现,以保证前窗与车体外轮廓的正确配合。3.2.2玻璃的强化方法前窗玻璃的另一个设计难点在于对前窗玻璃的抗冲击性能要求很高。本车在广州市内运行时,以地面上高架桥线路为主,所以前挡风玻璃应具有足够的强度,以避免被固体抛射物(如突然飞来的石子、鸟等)击穿。前窗玻璃必须达到UIC651《机车、动车、动车组和驾驶拖车的司机室设计》规定的抗冲击性能要求,因此,按照航空破损安全设计准则,采用夹层玻璃作为本车前窗玻璃。根据列车速度及抗冲击能量的要求不同,夹层玻璃的层数有2、3、4层不等,由于本车最高持续运行速度为90km/h,属于一般常速车,所以只需2层玻璃即可。该夹层玻璃的外层玻璃为主承力层,内层玻璃在外层玻璃破碎后作为备用承力构件,夹层材料主要用来防止玻璃破碎而进入司机室内部。在夹层玻璃中,玻璃的强化方法有物理强化和化学强化2种方式。其中,物理强化方法主要是利用加热来提高钢化玻璃的抗弯能力,而化学强化方法是利用含有钾离子的盐溶液与玻璃发生化学反应,以提高玻璃强度。由于化学强化玻璃比热钢化玻璃具有更高的抗弯能力,因而其夹层玻璃的厚度可适当减薄,整块玻璃重量减轻,有利于整车车体轻量化设计。3.3开口开口的选择前窗玻璃采用双曲面玻璃,车体在前窗部位直接开口,玻璃粘在相应的开口中,不需要窗框,这样可以避免由于骨架的制造误差所引起的玻璃安装应力。玻璃的材料为半钢化的无机硅酸盐玻璃,破损时为块状(非颗粒状)破碎,不会影响司机的正常瞭望。3.4玻璃透光率测试根据用户要求,本车前窗玻璃透光率应不低于80%。单就透光率而言,平面玻璃具有较好的光学性能,但由于气动外形以及整车美工的要求,经综合考虑,本车采用双曲面前窗玻璃。经测试,该玻璃实际透光率为87%,达到要求。车窗加热系统是一种电加热装置,其作用是为了避免因车辆内外温差造成前窗玻璃雾化而影响司机视线,进而影响行车安全。根据广州市实际气候状况,全年平均温度为22℃,最低温度不低于0℃,车内外温差不至于引起前窗玻璃雾化,故本车前窗玻璃不需要采用加热系统。3.5玻璃边缘处的应用在玻璃四周印有黑色丝网及渐变梅花点,一方面可以保护玻璃边缘免受紫外线照射,另一方面可掩饰车内装饰件安装结构,起到美观作用,提升了车辆的设计档次。3.6前窗玻璃保护为防止下雨或刷车时有水从玻璃边缘渗入,前窗玻璃设有环氧边缘保护,起到了防雨、防尘和密封作用。另外,在安装时,玻璃与车体间涂有密封胶,进一步保证了气密性。4室前窗玻璃结构安装形式司机室前窗安装采用专用胶将玻璃直接与车体粘接。设计时通过以下2方面保证结构的安全性和可靠性:(1)从安装结构上保证前窗的安装强度。司机室前窗玻璃安装形式借鉴了国内外地铁车辆前窗安装的成功经验,玻璃四周与车体钢结构之间采用聚胺酯结构胶粘接,具体安装形式见图4。(2)选择粘接性能优良的结构胶