1、.城市軌道交通車輛的結(jié)構(gòu)和原理課程設(shè)計(jì)學(xué)院：城市軌道交通學(xué)院本科(教室):車輛工程學(xué)系課程名稱：城市軌道交通車輛的結(jié)構(gòu)和原理課程編號(hào)： 100135名字：潘洋洋學(xué)位： 101112215上海工程大學(xué)城市軌道交通學(xué)院2015年6月目錄1概要12整體技術(shù)條件12.1任務(wù)12.2技術(shù)條件12.3整體方案4(附上每個(gè)人的設(shè)計(jì)內(nèi)容的概要) 6三人具體分工項(xiàng)目74設(shè)計(jì)方案74.1整體理念74.2尺寸設(shè)定75流程分析105.1材料選定105.2焊接處理116強(qiáng)度檢查146.1屋頂強(qiáng)度檢查146.2新材料車體強(qiáng)度檢查147總結(jié)168結(jié)語169參考資料1710附件：設(shè)計(jì)圖1711組內(nèi)分工17.車身輕量設(shè)計(jì)名字潘

2、洋洋學(xué)號(hào)1011122151概要隨著國(guó)內(nèi)外城市軌道交通的迅速發(fā)展，城市軌道交通已經(jīng)成為城市軌道交通系統(tǒng)的大動(dòng)脈，人們對(duì)地鐵列車的安全性和舒適性的要求也越來越高。 車身是地鐵車輛的主體部分，適當(dāng)?shù)販p輕車身、附屬設(shè)備的質(zhì)量，不僅有利于減少原材料的加工時(shí)間，還有利于提高車輛的動(dòng)力性能和降低建設(shè)成本。 因此，在保證安全性和可靠性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)輕量化是地鐵車輛設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)之一，也是城市軌道的發(fā)展趨勢(shì)。 減輕車輛自重可以降低運(yùn)行阻力，節(jié)省牽引和制動(dòng)所需的能量，降低車輛和軌道的維護(hù)成本，直接減少建設(shè)車輛的材料。 因此車身輕量化是城市軌道交通的發(fā)展趨勢(shì)。2整體技術(shù)條件2.1任務(wù)城市軌道交通車輛的主體部分是車身

3、。 為了確保列車的安全、定時(shí)、可靠運(yùn)行，列車的車身強(qiáng)度有相關(guān)指標(biāo)。 因此，車體的輕量化也在各種要求的范圍內(nèi)，必須在減輕車體重量的同時(shí)保證列車的正常運(yùn)行和乘客的乘車安全。 本設(shè)計(jì)旨在采用先進(jìn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)車身輕量化，同時(shí)為乘務(wù)員提供最安全舒適的乘車環(huán)境，節(jié)約能源，降低維護(hù)成本，提供最大的使用率和可靠性。2.2技術(shù)條件線路特性：鐵路是全隧道車輛參數(shù)車輛特征：車型是a型車，車型是m車(帶受電弓空調(diào)的車)，一端是半永久牽引桿，另一端是半自動(dòng)掛鉤。車身和底盤的結(jié)構(gòu)：鎂合金、發(fā)泡鋁合金車身的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度為1200 KN2.1車輛尺寸帶鉤的車輛長(zhǎng)度： 22.8m車輛最大高度(從車頂?shù)杰壍辣砻? : 3.805m車

4、輛最大寬度： 3.0m地面距離軌道面的高度：130mm (新輪)臺(tái)車中心距離： M=15.7m臺(tái)車：輪座： 2.5m新輪： 840mm磨損輪： 770mm乘客通過門：滑動(dòng)外推式電控門：每邊5個(gè)寬度，最小凈開度：1，300 mm高度，凈重：1，950毫米門的開閉時(shí)間由微處理器調(diào)整乘客的車窗雙層玻璃，彩色的，一片長(zhǎng)度在兩個(gè)柱子之間。乘客負(fù)荷：s舒適負(fù)荷AW1 :滿員s額定負(fù)荷AW2:6人/m2擁擠負(fù)荷AW3:9人/m2乘客人數(shù)總?cè)藬?shù)乘客的總質(zhì)量每人六十公斤乘客總數(shù)AW000乘客總數(shù)PK 1382280乘客總數(shù)AW221813080乘客總數(shù)AW3305183002.2.2.1車身下方懸掛裝置分類重量

5、備注臺(tái)車(包括牽引電動(dòng)機(jī))7200公斤/臺(tái)兩輛單體車單元制動(dòng)器360公斤單體車身一臺(tái)單元制動(dòng)器輔助逆變器1200KG公斤每輛車身一輛電抗器34公斤每輛車身一輛可變電阻器8.5公斤每輛車身一輛2.2.2.2車身的其他裝置分類重量備注空調(diào)。750公斤/臺(tái)每輛車有兩個(gè)空調(diào)內(nèi)外裝飾品3200KG公斤主要包括側(cè)壁面板和內(nèi)部設(shè)施設(shè)備等2.2.3列車動(dòng)態(tài)參數(shù)車速：最高運(yùn)行速度： 120 km/h運(yùn)行電壓： 1500 V DC最大電壓： 1800 V DC最小電壓： 1000 V DC牽引箱：1,500vdc、干燥平軌和AW2載荷下(例如6人/m2) :初始加速度： 0.97 m/s2 (0 - 35 km/

6、h )計(jì)算的粘結(jié)限制： 16 %平均加速度： 0.6 m/s(0 - 120 km/h )制動(dòng)模式下的情況：干燥、平坦導(dǎo)軌和AW3負(fù)載下(例如9人/m2 ) :平均常用減速度：1 m/s瞬時(shí)減速度： 1.11m/s最大沖動(dòng)極限： 0.75 m/s3平均緊急減速度： 1.2 m/s(注：平均緊急減速度-列車制動(dòng)前速度120km/h和司機(jī)按下緊急制動(dòng)按鈕后到列車停止的經(jīng)過時(shí)間之比)瞬時(shí)緊急減速度： 1.3 m/s瞬時(shí)快速制動(dòng)減速度： 1.3 m/s最大粘合限制： 15 %2.2.4列車的壽命本車輛的壽命至少為30年。 在以下條件下，車輛的壽命不能保證車輛用于旅客以外的目的修理工作不符合修理手冊(cè)發(fā)生

7、重大故障的情況下，沒有按照車輛設(shè)計(jì)者的建議修理。2.3整體方案城市軌道交通車身主要由屋頂、端壁、底架、底板、側(cè)壁、裝修等構(gòu)成。 裝修還包括吊環(huán)、扶手、座位等。 碳纖維材料構(gòu)成的整體承載結(jié)構(gòu)是車身的骨架，受到車身自重、駕駛時(shí)各種負(fù)荷和各種輔助設(shè)備的重量，是車身結(jié)構(gòu)的主要部分。 車身內(nèi)部設(shè)施的輕量化必須保證車輛運(yùn)行過程中能承受各種負(fù)荷不變形。通過修改車身結(jié)構(gòu)和材料、車輛內(nèi)裝(座椅/扶手/天花板)的結(jié)構(gòu)和材料，實(shí)現(xiàn)車身的輕量化(使用SolidWorks維建模軟件)使用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行強(qiáng)度檢查核對(duì)是否符合GBT 7928-2003地鐵車輛通用技術(shù)條件否車身輕量化成功是的，是的。質(zhì)量是否比原

8、始鋁合金車身輕是的，是的。否我們從結(jié)構(gòu)和材料兩方面進(jìn)行了車身的輕量化設(shè)計(jì)。在地鐵列車乘客人數(shù)大而不定的情況下，其整體結(jié)構(gòu)形式、性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)主要取決于車身材料，在設(shè)計(jì)城市鐵路車身時(shí)，車身部件和內(nèi)裝所用材料的基本要求是具有部件要求的高強(qiáng)度和剛性、輕量、耐老化、耐污染、耐磨、耐腐蝕等特性，提高舒適性目前城市軌道交通車體采用的材料是車輛專用的經(jīng)濟(jì)型不銹鋼和鋁合金，我們?cè)诒容^了許多材料后，最終選擇了鋁合金和新型材料兩種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。方案1 :鋁合金材料鋁合金材料密度低，而且強(qiáng)度高，接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼，塑性好，能加工成各種型材，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和耐腐蝕性，在工業(yè)上廣泛使用，用量?jī)H次于鋼。 鋁合

9、金通過熱處理可以得到良好的機(jī)械性能、物理性能和耐腐蝕性。 鋁合金材料優(yōu)點(diǎn)多，應(yīng)用范圍廣，同時(shí)也是城市軌道交通車輛采用的材料，故選定鋁合金材料。方案2 :新材料(加入碳纖維的內(nèi)容)鎂合金的比強(qiáng)度比鋁合金和鋼、鐵高，其比剛性與鋁合金和鋼同等，在使用金屬結(jié)構(gòu)材料中比重最小的特性對(duì)車輛的能量消耗、輕量化具有非常重要的意義。 鎂合金具有優(yōu)異的能量吸收能力，吸收振動(dòng)和噪音，保證車輛能安靜運(yùn)行，鎂合金的衰減性達(dá)到鋁合金的幾十倍，衰減效果顯著。 其抗沖擊性是塑料的20倍，鎂合金鑄件受到?jīng)_擊時(shí)表面產(chǎn)生的傷痕比鐵和鋁小得多。 具有尺寸穩(wěn)定、鑄模生產(chǎn)率高、機(jī)械加工性好的特點(diǎn)。 鎂具有良好的耐腐蝕性、散熱性和再生性。

10、 此外，鎂合金具有疲勞性、無毒性、無磁性、裂紋傾向低、不易破裂等特征。結(jié)構(gòu)面(整體裝備圖)圖1 :整體方案設(shè)計(jì)圖(附上每個(gè)人的設(shè)計(jì)內(nèi)容的概要)車內(nèi)裝飾布局圖3.1座椅座位縱向排列，布置在兩門之間，靠著墻壁的窗戶下。 通過去除靠背，一邊去除內(nèi)部，一邊用新材料實(shí)現(xiàn)輕量化。3.2扶手一組扶手固定在座位上。 另一個(gè)扶手固定在地板中央。 (與側(cè)壁平行)。 在優(yōu)化扶手形狀的同時(shí)，通過采用新材料實(shí)現(xiàn)輕量化。3.3天花板天花板是自我支撐結(jié)構(gòu)。 素材是鋁制的，通過采用新的素材，減輕了天花板的重量，實(shí)現(xiàn)了輕量化。三個(gè)人的具體分工項(xiàng)目軌道交通車體的屋頂設(shè)計(jì)4設(shè)計(jì)方案4.1整體理念(來自廖愛華給我們的資料)屋頂由兩張

11、縱向中空型材的懸垂梁構(gòu)成，構(gòu)成縱向構(gòu)件和屋頂本身。 這些縱截面都是鋁合金材料。因?yàn)檐嚿硎菐Э照{(diào)受電弓的m車，所以在屋頂預(yù)先設(shè)置空調(diào)單元(凹部全部是機(jī)械焊接鎂合金制)?？紤]到維修員登上屋頂進(jìn)行空調(diào)和受電弓的維修，屋頂可以受到以下力(1)一個(gè)200 cm2的區(qū)域中的1000N的垂直力(作用于相隔500mm的兩個(gè)單個(gè)400cm2區(qū)域的1000N垂直力。4.2尺寸設(shè)定(1)車型為a型車，寬度為3.0米。 為了減小空氣阻力，采用流線型的設(shè)計(jì)，同時(shí)有利于排水，橫截面呈弧形。 但是，因?yàn)榕c側(cè)壁上梁密接，所以橫截面兩端的曲線成為垂線。(2)因?yàn)閹煦^的車的長(zhǎng)度是22.8米，所以屋頂?shù)目v向長(zhǎng)度是22米。(3)目

12、前城市軌道列車零件維護(hù)方便，多采用模塊設(shè)計(jì)。 因此，屋頂兩端還留有空調(diào)安裝座。 安裝座的深度為0.3米。5工藝分析(可包括材料焊接、鉚接的內(nèi)容)5.1材料選定(鎂合金和鋁合金材料性能比較表)材料密度(公斤kg/m3 )楊氏模量(PS )泊松比屈服強(qiáng)度(Mpa )AZ31B鎂合金18004.5E 100.35200毫帕6060 T5鋁合金27707.1E 100.33420毫帕屋頂主要配備空調(diào)設(shè)備，由于機(jī)箱受到的應(yīng)力較小，所以采用了密度低、楊氏模量和屈服強(qiáng)度也優(yōu)異的鎂合金材料。5.2焊接處理5.2.1鎂合金的焊接技術(shù)背景一般來說，鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊(GTAW TIG )和熔化極惰性氣體保護(hù)電

13、弧焊(GMAW MIG )是鎂合金中常用的焊接方法。 此外，鎂合金也可以用電阻點(diǎn)焊(RSW )、摩擦焊接(FW )、攪拌摩擦焊接(FSW )、激光焊接(LBW )、電子束焊接(EBW )等方法進(jìn)行焊接。 鎂比熱容量和熔融潛熱小，焊接時(shí)要求的輸入熱量少，焊接速度高。 大多數(shù)情況下，鎂合金材料可以用焊接，例如電弧焊接、激光焊接、電子束焊接、氣體焊接等方法進(jìn)行焊接。5.2.2屋頂?shù)逆V合金焊接方法鎂合金鎢極電弧焊1鎢極電弧焊是目前焊接鎂合金中最常用的焊接方法，在惰性氣體保護(hù)下，用電弧熱熔化母材和填充金屬。 在直流電源焊接中，為了利用陰極霧化作用破壞去除母材表面的氧化膜，避免焊接中氧化物的夾雜，采用了反

14、極性接合法。 電弧焊熱影響區(qū)的尺寸和變形較小，焊接的力學(xué)性能和耐腐蝕性能也較高。5.2.3焊接要求賣方必須按照ALSTOM質(zhì)量技術(shù)或同等技術(shù)制造。 即，滿足標(biāo)準(zhǔn)EN 729的第一到第四部分的要求。 焊工和工作人員的工作資格應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)EN 287的第一部分到第二部分的要求和標(biāo)準(zhǔn)EN 1418的要求。5.2.4組裝質(zhì)量組裝質(zhì)量應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)EN288第一部分至第八部分的要求。焊接按照ALSTOM BCN工廠的內(nèi)部工藝進(jìn)行。5.2.5焊接的控制對(duì)缺陷的檢查標(biāo)準(zhǔn)由標(biāo)準(zhǔn)EN 25-817(ISO 5817 )和EN 30-042(ISO 10042 )給出。圓角檢查是根據(jù)事先制定的檢查計(jì)劃進(jìn)行的。 其中規(guī)定了控制和檢查的性質(zhì)、范圍、參考標(biāo)準(zhǔn)、控制范圍。 最初的制造階段開始前，這個(gè)檢查計(jì)劃會(huì)交給買方。肉眼檢查以EN 970標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行干滲透檢查以EN 571-1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行x射線檢查以ISO 1106-1和ISO 2437為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。6強(qiáng)度檢查6.1屋頂強(qiáng)度檢查6.1.1核對(duì)標(biāo)準(zhǔn)(1)在一個(gè)200 cm2的區(qū)域施加1000N的垂直力，最大應(yīng)力小于鎂合金強(qiáng)度(250Mpa )。(500mm以外的兩個(gè)作用于單個(gè)400cm2區(qū)域的1000N垂直力，最大應(yīng)力小于鎂合金強(qiáng)度(250Mpa )6.1.2核對(duì)結(jié)果(1)由圖可以看出，最大應(yīng)力為0.21Mpa，小于200Mpa，對(duì)照通過(2)