直線電機軌道車輛司機室前窗系統(tǒng)設(shè)計

直線車輛是當(dāng)前最先進的市政車輛之一。世界上，十多條直線車輛的運營路線主要分布在日本、加拿大、美國和馬來西亞。目前，只有加拿大和日本等少數(shù)國家擁有直線車輛的技術(shù)。中國幅員遼闊,人口眾多,多數(shù)大城市人口密度非常大,城軌車輛往往穿越市區(qū)繁華區(qū)域,因此,要求城市軌道交通車輛的噪聲特別低;另外,中國多數(shù)大城市地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,城市軌道交通工程投資巨大,這就要求盡量降低工程造價。直線電機車輛在這些方面具有明顯優(yōu)勢,并具有爬坡能力強的特點。廣州地鐵4號線、5號線項目由南車四方機車車輛股份有限公司與日本川崎重工聯(lián)合設(shè)計開發(fā),是國內(nèi)首個直線電機地鐵項目。1司機室前窗系統(tǒng)司機室前擋風(fēng)系統(tǒng)包括司機室前窗系統(tǒng)和側(cè)窗系統(tǒng),其中前窗系統(tǒng)的設(shè)計直接影響車輛的外觀、視野、安全性和空氣動力學(xué)性能,是司機室結(jié)構(gòu)的重要組成部分。本車前窗系統(tǒng)中前窗玻璃為球面形狀,與整個司機室前部融合為同一個曲面,使駕駛員的視野更寬廣,整個外形融入了現(xiàn)代感和流行的時尚設(shè)計理念,給人以耳目一新的感覺。前窗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計可保證司機的安全,當(dāng)玻璃被擊打或打破時,玻璃仍然留在原來的位置,為駕駛員提供安全和足夠的視覺,使列車能夠繼續(xù)行駛。司機室前擋風(fēng)系統(tǒng)不參與司機室結(jié)構(gòu)的承載,但必須承受氣動載荷,并與司機室結(jié)構(gòu)氣密性相關(guān)。該系統(tǒng)應(yīng)具有良好的氣密性能和抗沖擊性能。側(cè)窗系統(tǒng)采用普通鋼化玻璃,結(jié)構(gòu)比較簡單,在此不作詳細介紹。2技術(shù)性能2.1適用的環(huán)境條件表12.2前窗玻璃的技術(shù)標準表22.3噪聲性能該系統(tǒng)具有良好的隔聲性能,具體性能參數(shù)見表3。3結(jié)構(gòu)特征3.1玻璃的復(fù)合改性見表3前窗玻璃是前窗結(jié)構(gòu)中最重要的部件。為達到良好的視野,要求玻璃是整塊的;要達到較低的氣動阻力,則應(yīng)盡量采用傾角大的曲面玻璃;而要達到滿意的光學(xué)性能,則要求玻璃本身具有良好的品質(zhì)。這些都對前窗玻璃的選型與安裝提出了很高的要求。前窗玻璃采用夾層式無色透明的安全防爆玻璃,由透明的復(fù)合安全玻璃組成。玻璃總厚度為11.33mm,外層為厚5mm的強化玻璃,內(nèi)層為厚3mm的強化玻璃,內(nèi)外層之間用厚3.33mm的高強度膠片粘結(jié),膠片為進口膠片。玻璃周邊為絲網(wǎng)印刷處理(如圖1所示)。此種結(jié)構(gòu)的玻璃具有足夠的強度和良好的抗沖擊性能,可保證當(dāng)窗玻璃被擊打或被打破時,玻璃仍留在原來的位置。3.2結(jié)構(gòu)困難和解決辦法3.2.1玻璃在2個方向上的投影前窗玻璃的結(jié)構(gòu)難點之一在于形狀難以控制。在國內(nèi)現(xiàn)有地鐵車輛中,前窗玻璃以單曲面為主,即整個玻璃僅在一個方向上的投影為曲線,而在另一個方向上的投影為直線,如八通線地鐵前窗玻璃(見圖2)。而本車前窗系統(tǒng)的前窗玻璃形狀為雙曲形狀,整個玻璃在2個方向上的投影都是曲線,而且為變曲率半徑的曲線(見圖3)。該玻璃形狀在二維設(shè)計環(huán)境中難以描述,為此采用三維建模來實現(xiàn),以保證前窗與車體外輪廓的正確配合。3.2.2玻璃的強化方法前窗玻璃的另一個設(shè)計難點在于對前窗玻璃的抗沖擊性能要求很高。本車在廣州市內(nèi)運行時,以地面上高架橋線路為主,所以前擋風(fēng)玻璃應(yīng)具有足夠的強度,以避免被固體拋射物(如突然飛來的石子、鳥等)擊穿。前窗玻璃必須達到UIC651《機車、動車、動車組和駕駛拖車的司機室設(shè)計》規(guī)定的抗沖擊性能要求,因此,按照航空破損安全設(shè)計準則,采用夾層玻璃作為本車前窗玻璃。根據(jù)列車速度及抗沖擊能量的要求不同,夾層玻璃的層數(shù)有2、3、4層不等,由于本車最高持續(xù)運行速度為90km/h,屬于一般常速車,所以只需2層玻璃即可。該夾層玻璃的外層玻璃為主承力層,內(nèi)層玻璃在外層玻璃破碎后作為備用承力構(gòu)件,夾層材料主要用來防止玻璃破碎而進入司機室內(nèi)部。在夾層玻璃中,玻璃的強化方法有物理強化和化學(xué)強化2種方式。其中,物理強化方法主要是利用加熱來提高鋼化玻璃的抗彎能力,而化學(xué)強化方法是利用含有鉀離子的鹽溶液與玻璃發(fā)生化學(xué)反應(yīng),以提高玻璃強度。由于化學(xué)強化玻璃比熱鋼化玻璃具有更高的抗彎能力,因而其夾層玻璃的厚度可適當(dāng)減薄,整塊玻璃重量減輕,有利于整車車體輕量化設(shè)計。3.3開口開口的選擇前窗玻璃采用雙曲面玻璃,車體在前窗部位直接開口,玻璃粘在相應(yīng)的開口中,不需要窗框,這樣可以避免由于骨架的制造誤差所引起的玻璃安裝應(yīng)力。玻璃的材料為半鋼化的無機硅酸鹽玻璃,破損時為塊狀(非顆粒狀)破碎,不會影響司機的正常瞭望。3.4玻璃透光率測試根據(jù)用戶要求,本車前窗玻璃透光率應(yīng)不低于80%。單就透光率而言,平面玻璃具有較好的光學(xué)性能,但由于氣動外形以及整車美工的要求,經(jīng)綜合考慮,本車采用雙曲面前窗玻璃。經(jīng)測試,該玻璃實際透光率為87%,達到要求。車窗加熱系統(tǒng)是一種電加熱裝置,其作用是為了避免因車輛內(nèi)外溫差造成前窗玻璃霧化而影響司機視線,進而影響行車安全。根據(jù)廣州市實際氣候狀況,全年平均溫度為22℃,最低溫度不低于0℃,車內(nèi)外溫差不至于引起前窗玻璃霧化,故本車前窗玻璃不需要采用加熱系統(tǒng)。3.5玻璃邊緣處的應(yīng)用在玻璃四周印有黑色絲網(wǎng)及漸變梅花點,一方面可以保護玻璃邊緣免受紫外線照射,另一方面可掩飾車內(nèi)裝飾件安裝結(jié)構(gòu),起到美觀作用,提升了車輛的設(shè)計檔次。3.6前窗玻璃保護為防止下雨或刷車時有水從玻璃邊緣滲入,前窗玻璃設(shè)有環(huán)氧邊緣保護,起到了防雨、防塵和密封作用。另外,在安裝時,玻璃與車體間涂有密封膠,進一步保證了氣密性。4室前窗玻璃結(jié)構(gòu)安裝形式司機室前窗安裝采用專用膠將玻璃直接與車體粘接。設(shè)計時通過以下2方面保證結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性:(1)從安裝結(jié)構(gòu)上保證前窗的安裝強度。司機室前窗玻璃安裝形式借鑒了國內(nèi)外地鐵車輛前窗安裝的成功經(jīng)驗,玻璃四周與車體鋼結(jié)構(gòu)之間采用聚胺酯結(jié)構(gòu)膠粘接,具體安裝形式見圖4。(2)選擇粘接性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)膠