地铁车体轻量化报告.docx

都市轨道交通车辆构造与原理课程设计 学 院：都市轨道交通学院系（教研室）：车辆工程系课程名称：都市轨道交通车辆构造与原理课程代号：100135 姓 名：潘汪洋学 号： 上海工程技术大学都市轨道交通学院6月目录1 概述 12 总体技术条件 12.1 任务 12.2 技术条件 12.3 总体方案 4（附每个人的设计内容简述） 63 个人具体分工项目 74 设计方案 74.1 总体理念 74.2尺寸设定 75 工艺分析 105.1 材料选定 105.2焊接处理 116 强度校核 14 6.1车顶强度校核 14 6.2新材料车体强度校核 14 7 总结 168 结后语 169 参考资料 1710 附件：设计图 1711 组内分工 17车体轻量化设计姓名 潘汪洋 学号 1 概述随着国内外都市轨道交通的迅速发展，都市轨道交通已经成为都市轨道交通系统的积极脉，人们对地铁列车安全性和舒服性等方面的规定也越来越高。

而车体是地铁车辆的主体部分，合适减轻车体、附属设备的质量不仅可以节省原材料减少加工时间，更有助于提高车辆的动力性能和减少建导致本因此，在保证安全性和可靠性的的前提下，实现轻量化是地铁车辆设计的重要目的之一，也是城轨发展的大势所趋车辆自重减轻可以减少运营阻力，节省牵引以及制动需要的能量，减少车辆和轨道的维护成本，直接减少建造车辆使用的材料因而，车体轻量化是都市轨道交通发展的趋势2 总体技术条件2.1 任务都市轨道交通车辆的主体部分是车体为了保证列车安全、准时、可靠地运营，对列车车体强度有有关指标规定因此车体轻量化也要在保证其在各项规定的范畴内，既减轻车体重量又能保证列车正常运营和乘客乘坐安全本设计旨在采用先进的设计实现车体轻量化的同步，为司乘人员提供最安全和最舒服的乘坐环境，既节省能源、减少维修成本又能提供最大的使用率和可靠性2.2 技术条件线路特性：线路为全隧道车辆参数车辆特性：车型为A型车，车种为M车（无受电弓带空调的动车），一端为半永久牵引杆,另一端为半自动车钩车身和底架构造：镁合金，泡沫铝合金车体的静态抗压强度为： 1200 KN2..2.1车辆尺寸带车钩的车辆长度： 22.8m车辆最大高度(车顶到轨道表面): 3.805m车辆最大宽度: 3.0m地板面距轨面高: 1,130mm(新轮)转向架中心距离: M =15.7m转向架:轴距: 2.5m新轮: 840mm磨耗轮: 770mm乘客通过门:滑动外推式电控车门: 每边5个宽度,最小净开度: 1,300mm高度,净开: 1,950mm门的开关时间由微解决器进行调节.乘客车厢车窗双层玻璃，带颜色的，一整块长的位于两个门柱之间。

乘客载荷：s 舒服载荷 AW1：满座s 额定载荷 AW2：6人/m2拥挤载荷 AW3：9人/m2 乘客数量总人数乘客总质量每位60KG乘客总人数AW000乘客总人数AW1382280乘客总人数AW221813080乘客总人数AW3305183002.2.2.1车体下方悬吊装置 类别 重量备注转向架（涉及牵引电机）7200KG/台单台车体两个转向架单元制动器360KG单台车体一台单元制动机辅助逆变器1200KG单台车体一台电抗器34KG单台车体一台可变电阻器8.5KG单台车体一台2.2.2.2 车体其她装置类别 重量备注空调750KG/台单台车体两个空调内外装饰件3200KG重要涉及侧墙板和内部设施设备等2.2.3列车动态参数车速：最高运营速度： 120 km/h运营电压： 1500 V DC最大电压： 1800 V DC最小电压： 1000 V DC牵引工况：在1,500 VDC，干燥平直轨道以及AW2载荷下（如：6人/m2）： 初始加速度： ³ 0.97 m/s2 （0 – 35 km/h） 计算的粘着限制： 16 % 平均加速度： 0.6 m/s²（0 – 120 km/h）制动模式下的工况：在干燥、平直轨道以及AW3载荷下（如：9人/m2）： 平均常用减速度： 1 m/s² 瞬间减速度： 1.11m/s² 最大冲动极限： 0.75 m/s3 平均紧急减速度： 1.2 m/s²（注：平均紧急减速度－列车制动前速度120km/h与从司机按下紧急制动按钮到列车停止这一过程时间的比值）瞬间紧急减速度： 1.3 m/s²瞬间迅速制动减速度： 1.3 m/s²最大粘着限制： 15 %2.2.4列车寿命本车辆的使用寿命至少为30年。

在如下条件下，车辆的寿命不予保证：车辆用于客运以外的目的；维修工作没有按照维修手册执行；在产生较大故障时没有按车辆设计者的建议进行修理2.3 总体方案都市轨道交通车体重要由车顶、端墙、底架、底板、侧墙、内饰等构成内饰又涉及：吊环、栏杆、座椅等碳纤维材料构成的整体承载构造是车体的骨架，它承受车体的自重以及运营时的多种载荷以及多种辅助设备的重量，是车体构造的重要部分而车体内部设施的轻量化应保证在车辆运营过程中可以承受多种载荷而不变形通过修改车体的构造和材料，车辆内饰（座椅/扶手/天花板）的构造和材料，实现车体轻量化（使用SolidWorks三维建模软件）使用ANSYS有限元分析软件进行强度校核校核与否符合GBT 7928- 地铁车辆通用技术条件否车体轻量化成功是质量与否比原铝合金车体更 轻是否我们从构造和材料两方面进行车体的轻量化设计由于地铁列车载客量大且不定的状况下，其总体构造形式、性能和技术经济指标重要取决于车体材料，在设计城轨车体时，对车体构件和内部装饰所用材料的基本规定为：应具有构件所规定的高强度和刚性，重量轻、耐老化、耐污染、耐磨耗、耐腐蚀等特性，合用于提高舒服度目前都市轨道交通车体采用的材料为：车辆专用经济形不锈钢和铝合金，我们对比了多种材料后来最后选用了铝合金和新型材料两种方案进行设计。

方案一：铝合金材料铝合金材料密度低,并且强度比较高,接近或超过优质钢,塑性好,可加工成多种型材,具有优良的导电性、导热性和抗蚀性,工业上广泛使用,使用量仅次于钢铝合金可以采用热解决获得良好的机械性能,物理性能和抗腐蚀性能铝合金材料长处颇多，应用范畴广，也是目前都市轨道交通车辆多采用的材料，因此我们选用铝合金材料方案二：新型材料（加入碳纤维的内容）镁合金的比强度要高于铝合金和钢、铁，其比刚度与铝合金和钢相称，在使用金属构造材料中其比重最小，这一特性对车辆减少能耗、轻量化具有非常重要的意义镁合金具有极好的吸取能量的能力，可吸取震动和噪音，保证车辆能安静运营，镁合金的阻尼性比铝合金大数十倍，减震效果很明显其抗冲击能力是塑料的20倍，当镁合金铸件收到冲击时其表面产生疤痕比铁和铝都要小得多具有尺寸稳定和铸模生产率高、机械加工性能好的特点镁具有较好的耐腐蚀性和高的散热性、再生性此外，镁合金还具有抗疲劳性、无毒性、无磁性和较低的裂纹倾向性、不易破裂性等特点构造方面（总体装备图） 图1：总体方案设计图（附每个人的设计内容简述）车体内饰布置图3.1座椅座椅采用竖排布置，布置在两个车门之间，靠墙的窗下方。

通过将椅背清除，将内部镂空，同步采用新材料实现轻量化3.2栏杆扶手一组扶手固定在座椅的上方另一组扶手固定在地板的中央平行于侧墙）通过优化栏杆的形状，同步采用新材料来实现轻量化3.3天花板天花板为自我支撑构造其原材料为铝制构造，通过采用新型材料，减轻天花板的重量来实现轻量化3 个人具体分工项目轨道交通车体车顶设计4 设计方案4.1总体理念（从廖爱华给我们的资料中抄下来）车顶由两条块纵向中空型材上悬梁构成，它们构成了纵向的构件和车顶自身所有这些纵向断面均为铝合金材料由于车体为带空调无受电弓的M车，车顶应留有安装空调单元（凹入部分都由机械焊接镁合金制成）考虑到维修人员爬上车顶进行空调和受电弓的维修，车顶可承受如下作用力：（1）在一种200 cm2的区域内的1000N的垂向作用力（2）2个相距500mm的，单个作用于400cm2 区域的1000N垂向作用力4.2尺寸设定（1）由于车型为A型车，宽为3.0米为了减小空气阻力因此采用流线型设计，同步有助于排水，横截面为弧形但为了和侧墙的上梁贴合，横截面两端的曲线为垂线2）由于带车钩的车长为22.8米，因此车顶的纵向长度为22米3）目前城轨列车部件为维修以便，多采用模块化设计。

因此车顶两端留有空调安装座安装座深度为0.3米5 工艺分析（可以波及材料焊接、铆接的内容）5.1材料选定（如下为镁合金和铝合金的材料性能对比表）材料密度（kg/m3）杨氏模量（pa）泊松比屈服强度（Mpa）AZ31B镁合金18004.5E+100.35200Mpa6060 T5铝合金27707.1E+100.33420Mpa由于车顶重要承载空调设备，相对于底架来说所受应力相对较小，因此采用密度较低且杨氏模量和屈服强度尚佳的镁合金材料5.2焊接解决5.2.1镁合金的焊接技术背景一般来说 ,钨极惰性气体保护电弧焊 ( GTAW ΠTIG) 和熔化极惰性气体保护电弧焊 ( GMAW Π MIG) 是镁合金常用的焊接措施此外镁合金还可以采用电阻点焊(RSW) 、摩擦焊 ( FW) 、搅拌摩擦焊 ( FSW) 、激光焊(LBW) 、电子束焊 ( EBW) 等工艺进行焊接由于镁的比热容和熔化潜热小 ,因此焊接时规定的输入热量少而焊接速度高大多数状况下 ,镁合金件可采用熔化焊 ,如电弧焊、激光焊、电子束焊和气焊等措施进行焊接5.2.2车顶的镁合金焊接措施镁合金钨极氩弧焊[1] 钨极氩弧焊是目前焊接镁合金最常用的焊接措施 ,它是在惰性气体的保护下 ,运用电弧热熔化母材和填充金属。

直流电源焊接时要采用反极性接法 ,以便运用阴极。