车体结构与车辆设施公开课课件.pptx
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1、城轨车辆车体结构的要求:城轨车辆车体结构的要求:重量的限制较为严格,特别是高架轻轨车和独轨车,要求轴重小,以降低线路的工程投资。对车体的防火要求严格,特别是运行于地下隧道的地铁车辆,一旦发生火灾后果不堪设想。对车辆的隔音和减噪有严格要求,以最大限度地降低噪声对乘客和沿线居民的影响。在车内的平面布置上有其特征,例如座位少,车门多且开度大,内部服务于乘客的设备较简单等。由于用于市内交通,对车辆的外观造型和色彩都有美化和与城市景观相协调的要求。第2页/共125页1.铝合金材料车体轻量化的措施车体轻量化的措施l 材料:铝合金、不锈钢、玻璃钢材料:铝合金、不锈钢、玻璃钢l 结构优化结构优化普遍采用铝合金
2、材料第3页/共125页铝合金材料的特性:密度为钢材的1/3,刚度也是钢材的1/3。耐腐蚀性:好 加工性:好 强度较低:70-600MPa 低温特性:强度随温度下降而上升,无低温脆性第4页/共125页铝合金分类铝合金按加工工艺分为形变铝合金和铸造铝合金。动车组车体常用的形变铝合金有:非热处理强化:Al-Mg合金(5000系)热处理强化:Al-Mg-Si合金(6000系)、高强度的Al-Zn-Mn合金(7000系)第5页/共125页l5083:强度一般,适合焊接,但挤压加工性差。l6N01:中等强度,挤压性好,但焊接接头软化,且疲劳强度较低。l7N01:强度较高,焊接后通过常温时效处理,接头强度可
3、恢复到接近母材的水平。第6页/共125页铝合金的焊接 铝合金表面易产生难熔的氧化膜(Al2O3 其熔点为2060),阻碍金属结合。铝合金热导率大(约为钢的4 倍),相同焊接速度下,热输入要比焊接钢材大24 倍。因此要采用大功率或能量集中的焊接热源。惰性气体保护焊是应用最广泛的铝及铝合金焊接方法。第7页/共125页一、氩弧焊氩弧焊又称氩气体保护焊。就是在电弧焊的周围通上氩弧保护性气体,将空气隔离在焊区 之外 第8页/共125页1.特点保护效果好,适于焊活泼金属(如铝、钛)、电弧稳定、飞溅很小;成本较高、熔深较浅2.分类:非熔化极氩弧焊(TIG):0.5-5mm薄板熔化极氩弧焊(MIG):用于7m
4、m板第9页/共125页 非熔化极氩弧焊:电弧在非熔化极(通常是钨极)和工件之间燃烧,在焊接电弧周围流过一种不和金属起化学反应的惰性气体(常用氩气),形成一个保护气罩,使钨极端头,电弧和熔池及已处于高温的金属不与空气接触,能防止氧化和吸收有害气体。从而形成致密的焊接接头,其力学性能非常好。熔化极氩弧焊:焊丝通过丝轮送进,导电嘴导电,在母材与焊丝之间产生电弧,使焊丝和母材熔化,并用惰性气体氩气保护电弧和熔融金属来进行焊接的。它和钨极氩弧焊的区别:一个是焊丝作电极,并被不断熔化填入熔池,冷凝后形成焊缝;另一个是采用保护气体,随着熔化极氩弧焊的技术应用,保护气体已由单一的氩气发展出多种混合气体的广泛应
5、用,如Ar 80CO220的富氩保护气。通常前者称为MIG,后者称为MAG。第10页/共125页3.焊接电源MIG:直流电源,外特性可能是下降外特性(用于小电流,短路过渡、变速送丝)或平特性(用于大电流,喷射过渡,等速送丝)TIG:交流或直流。电弧工作在平直区或略上升,一般用恒流电源。4.焊接材料氩气、钨极(纯钨、钍钨、铈钨)、填料或焊丝(一般与母材同成分)第11页/共125页5.焊接工艺焊前准备:除油、氧化膜,加强焊缝反面的保护焊接规范:电流、电压、速度、电极、气流量TIG焊:一般用直流正接,以保护钨极;焊Al、Mg时,采用交流,因为要利用阴极破碎作用,去除氧化膜。MIG焊:用直流反接,提高
6、效率。第12页/共125页主要的问题和解决方法为:Al易与O生成高熔点的Al2O3,阻碍熔合,产生夹杂。解决方法:焊前去除氧化膜、利用阴极破碎作用焊接。氢气孔:焊前去除油、氧化膜。热裂纹:因热膨胀系数大(约为钢材的2倍),且以形成低熔点共晶。需要正确选择焊材,控制焊缝成分。接头的软化:Al-Zn-Mn经自然时效可基本恢复,其他可焊后进行热处理恢复,否则应采用小的焊接线能量,以减小软化区。第13页/共125页二、摩擦搅拌焊(FSW),其原理是在让金属制滚子旋转的同时沿连接线前进,铝合金因摩擦热软化,滚子的旋转又形成拖拉,产生塑性流动而进行连接。第14页/共125页2、车体外形设计外形设计的要求:
7、空气阻力 压力波动 噪声第15页/共125页减小空气阻力的措施 列车外表面光滑并流线化 增大列车头部的长细比:即列车前端鼻部长度与其衔接的一般截面等效半径之比,一般达到3以上。列车底部安装裙边整流罩 受电弓及其基座流线型化 列车密封,消除间隙第16页/共125页影响压力波的因素 阻塞系数;车辆横断面积与隧道横断面积之比 列车头部长细比 头部截面形状第17页/共125页在车端部设置了使用大型型材制作的裙板。在长度一定的情况下,椭球形头部有利于降低列车运行空气阻力,但其引发的列车交会空气压力波幅值最大;瑞典X2000型摆式列车在曲线上行驶时,使旅客承受的横向力减少大约70。CRH2型动车组车体结构
8、主要分为头车车体(2辆)和中间车车体(6辆)2种。将有关运行的信息显示在贯通整个列车的信息显示屏上,并伴有通过扬声器系统播出的数字声音。Al-Mg-Si合金(6000系)、离心力过大,旅客感到不舒适,还易造成列车脱轨、倾覆。并且,为了在全开、全关时能够保持其状态良好,设置了压紧装置。铝合金表面易产生难熔的氧化膜(Al2O3 其熔点为2060),阻碍金属结合。一、旅客信息系统设备及布置第110页/共125页客室两端车厢通道的门框上方设置了火灾报警按钮和旅客紧急按钮。整个头部结构焊接严格要求气密性,结构上适应配线、配管及内装需要。型材相互间的焊接为沿车体长度方向的连续焊接,但与侧墙的结合部位,车内
9、侧则采用点固焊接,车外侧采用连续焊接。另外,由于其具有良好的防水能力,也作为最佳的底部隔潮层被安装在车体地板上。在长度一定的情况下,椭球形头部有利于降低列车运行空气阻力,但其引发的列车交会空气压力波幅值最大;第115页/共125页端板中部设带滤网的风口,补充冷却用风量。空气弹簧固定在这两根钢柱的上端,悬挂装置大大高于重心。动车组车体常用的形变铝合金有:空气动力噪声的影响因素 车辆外形,包括列车头部和尾部形状、受电弓、导流罩形状,车辆的连接、通风口结构与布置,以及其他凹凸不平件(如车门、车窗、把手等)第18页/共125页 对于速度在200公里/小时以上的客车,为减少空气阻力,需将车头设计成流线型
10、。1)头型设计第19页/共125页l 流线型头、尾端的长度越长,越有利于改善空气动力性能;l在长度一定的情况下,椭球形头部有利于降低列车运行空气阻力,但其引发的列车交会空气压力波幅值最大;l扁宽形头部有利于降低列车交会空气压力波幅值,但增大了列车运行空气阻力;第20页/共125页2)车身外形设计 整个车身断面呈鼓形 为了避免地板下部设备的外露,采用与车身断面相吻合的裙板遮住车下设备。车体表面光滑平整,尽量减少突出物。车辆连接处采用大风挡,与车身保持平齐。尽可能减小车身横断面尺寸。第21页/共125页3.气密性 车体结构的密封:连续焊接 固定车窗的密封:密封材料 移动车门的密封:密封胶条 通过台
11、的密封 端墙门的密封 厕所的密封 空调的密封第22页/共125页密封性检查 车体结构漏气检查;对车体充气,用噪声或肥皂水检查泄露 车体气密性试验:对车体充气后,测量压力降至规定值所需的时间。车厢内压力从4000Pa降低至1000Pa的时间为50s以上。车门气密性试验 车窗气密性试验 通过台气密性试验 空调装置密封性试验 整车气密性试验:方法同车体气密性试验,只是评价指标不同 整车水密性试验:喷水淋雨第23页/共125页二、车体组成 底架 侧墙 车顶 端墙 风挡第24页/共125页三.铝合金车体结构形式 铝合金车体的等效弯曲刚度约为钢结构的1/3,为保证刚度,必须增大车体铝合金材料的断面惯性矩。
12、具体来说,就是使外板的厚度大于钢制车体的厚度。第25页/共125页1)骨架外壳结构第26页/共125页2)单壳(薄型材)结构第27页/共125页塞拉门由门体、门锁、导轮、导轨、驱动装置、密封件,安全装置等部分组成。在织物表面涂防火保护漆,同时也起到防止潮气渗入的作用第116页/共125页处理列车员与乘客之间的音频通信。关闭侧拉门,司机台的关门显示灯亮,车侧显示灯灭,而当侧拉门遇到障碍物而门无法关闭或是关门开关动作不良时,车侧显示灯亮,司机台的关门显示灯灭。在冬季,隔热可以更加有效地利用热量同时确保舒适的表面温度。列车外表面光滑并流线化这是乘客在乘车时,用来确认车号用的显示装置。第110页/共1
13、25页车体采用中空型材(双空)结构,使用大型中空宽幅铝合金挤压型材焊接组成。塞拉门一般采用电控制。第101页/共125页整车水密性试验:喷水淋雨热裂纹:因热膨胀系数大(约为钢材的2倍),且以形成低熔点共晶。第112页/共125页既有铁路往往有小曲率半径的曲线路段,它限制了列车的通过速度,速度过高会出现列车脱轨、倾覆等重大安全事故。旅客信息系统(PIS)是一个能够随时给旅客提供一些与列车运行相关信息的系统。压紧装置:是通过油压动力缸来顶住侧门,将门和车体压紧密贴,保证车内的气密性。在开闭侧窗时,要操作窗下边的开关。热裂纹:因热膨胀系数大(约为钢材的2倍),且以形成低熔点共晶。第28页/共125页
14、3)双壳(中空型材)结构第29页/共125页 4)蜂窝结构第30页/共125页第31页/共125页四、摆式车体列车既有铁路往往有小曲率半径的曲线路段,它限制了列车的通过速度,速度过高会出现列车脱轨、倾覆等重大安全事故。若改造线路,耗资过大。在这种情况下,要在既有线路上开行高速列车,只有在机车车辆上想办法,于是摆式车体列车(简称摆式列车)就应运而生了。第32页/共125页1、基本原理机车车辆在通过曲线时会产生离心力,其离心加速度的大小与速度的平方成正比,与曲线半径的大小成反比。离心力过大,旅客感到不舒适,还易造成列车脱轨、倾覆。为了降低离心力,通常采用的办法:l 设置外轨超高。列车在有超高的曲线
15、上运行时,车体向内侧倾斜,使得离心加速度被重力加速度的横向分量抵消一部分,超高的大小是根据曲线半径和列车的平均速度来确定的。l 采用摆式车体。在列车进入曲线时,让车体向轨道内侧除超高倾斜角外,再自动附加一个倾摆角度。这实际上相当于增加了外轨的有效超高,以提高抵消离心加速度的重力加速度的横向分量,从而提高列车安全通过曲线的速度,改善舒适度。第33页/共125页2、车体倾摆装置按车体倾摆的方法有两种摆式车体:按车体倾摆的方法有两种摆式车体:被动式摆式车体被动式摆式车体:又称无源式或自然倾摆式摆式车体,它:又称无源式或自然倾摆式摆式车体,它是靠车辆在通过曲线时的离心力作用,使车体绕其摆心转是靠车辆在
16、通过曲线时的离心力作用,使车体绕其摆心转动。动。主动式摆式车体主动式摆式车体:又称有源式或强制式摆式车体,它是通:又称有源式或强制式摆式车体,它是通过附加作用力的方式使车体倾摆。过附加作用力的方式使车体倾摆。主动式与被动式相比,摆动角度大(被动式一般小于主动式与被动式相比,摆动角度大(被动式一般小于3.5,主动式一般在,主动式一般在810之间),因而可以使列车通之间),因而可以使列车通过曲线的速度比被动式更高。其缺点是结构复杂,出故障过曲线的速度比被动式更高。其缺点是结构复杂,出故障可能性大一些。可能性大一些。被动式摆式车体的优缺点则与其相反。被动式摆式车体的优缺点则与其相反。第34页/共12
17、5页1)被动式摆式车体被动式摆式车体的倾摆装置分为自然倾摆机构和带控制的自然倾摆机构两种。西班牙的TALGO摆式车体采用自然倾摆机构,日本2000系摆式车体内燃动车采用带控制的自然倾摆装置。第35页/共125页TALGO摆式车体结构原理为:摆式车体结构原理为:带两根立柱的带两根立柱的U形梁将两个自形梁将两个自由轮装在一起,形成由轮装在一起,形成TALGO轮对(轮对(TALGO一词是由五个一词是由五个西班牙字缩写而成,意即轻西班牙字缩写而成,意即轻型结构的关节连接式客车型结构的关节连接式客车组)。空气弹簧固定在这两组)。空气弹簧固定在这两根钢柱的上端,悬挂装置大根钢柱的上端,悬挂装置大大高于重心
18、。这样就可以得大高于重心。这样就可以得到适当的倾摆力矩。高度调到适当的倾摆力矩。高度调整阀(图中未标出)调节膜整阀(图中未标出)调节膜式空气弹簧的高度,使车体式空气弹簧的高度,使车体保持在与轨面平行的直线上。保持在与轨面平行的直线上。这时,因不均匀载荷引起的这时,因不均匀载荷引起的倾斜即被阻止,当通过曲线倾斜即被阻止,当通过曲线时,高度调整阀自动工作,时,高度调整阀自动工作,空气弹簧根据车体的倾斜而空气弹簧根据车体的倾斜而变形,直到使离心力平衡变形,直到使离心力平衡第36页/共125页日本日本2000系摆式车系摆式车体倾摆装置由转向架体倾摆装置由转向架上的摆动滚轮装置所上的摆动滚轮装置所支撑的
19、摆动梁,通过支撑的摆动梁,通过空气弹簧支撑车体。空气弹簧支撑车体。在摆动梁和转向架构在摆动梁和转向架构架之间,装有控制摆架之间,装有控制摆动用的风缸和摆动减动用的风缸和摆动减振器,以使车体在进振器,以使车体在进入曲线时徐徐倾斜,入曲线时徐徐倾斜,通过曲线后又徐徐恢通过曲线后又徐徐恢复到原来状态。因此,复到原来状态。因此,车体倾斜的主要动力车体倾斜的主要动力来自离心力,控制风来自离心力,控制风缸仅起使车体平滑倾缸仅起使车体平滑倾斜的辅助作用。斜的辅助作用。第37页/共125页5,主动式一般在810之间),因而可以使列车通过曲线的速度比被动式更高。具体来说,就是使外板的厚度大于钢制车体的厚度。横梁
20、位于底架地板下方,为安装在地板下的设备提供安装结构,为地板提供支承,并连接左右两边梁。底架包括牵引梁、枕梁、边梁、缓冲梁、横梁和型材地板等。氩弧焊又称氩气体保护焊。司机室与客车车厢之间的隔墙上,安装有向驾驶室内开的门,气密和环境控制条件与客车车厢相同。2t以上的排雪阻力为基准。作为外隔离层,这种孔装结构能够很好的防止水分直接流到窗户底下的车体结构中。第107页/共125页隔热玻璃粘接在窗框上后,通过螺栓整体连接到车体上。防火板只安装在每节车的端墙处以最大限度延长火势从一辆车蔓延到另外邻近的车厢。CRH2动车组车窗为气密构造,除司机室、乘务员室以外全部为固定窗。意大利ETR450型摆式车体采用液
21、压式的车体倾摆控制装置,其车体安装在一个转动的U形摇枕上,通过两组弹簧落在构架上。(1)排障板的排障能力列车外表面光滑并流线化(3)端墙:40mm厚石棉第119页/共125页内端墙拉门为电动式自动门,由天花板内置的光线开关的探测信号,来控制内端墙拉门的自动开闭。列车底部安装裙边整流罩司机室与客车车厢之间的隔墙上,安装有向驾驶室内开的门,气密和环境控制条件与客车车厢相同。2)主动式摆式车体主动式摆式车体中,倾摆力的产生可通液压或机电方式实现。较早成熟的技术是液压式,机电式由于耗能小,安装和维修保养方便,近年来发展很快。意大利、瑞典等国研发了多种型号的主动式摆式车体。第38页/共125页意大利意大
22、利ETR450型摆式车体采用液压式的车体倾摆控制装置,其车体型摆式车体采用液压式的车体倾摆控制装置,其车体安装在一个转动的安装在一个转动的U形摇枕上,通过两组弹簧落在构架上。其倾摆机构包括形摇枕上,通过两组弹簧落在构架上。其倾摆机构包括装在转向架上的两个液压缸。液压缸由微处理机装在转向架上的两个液压缸。液压缸由微处理机监控系统控制。闭环控制监控系统控制。闭环控制装置中的加速度计(测离心力)和陀螺仪(测超高)控制液压倾摆机构,以装置中的加速度计(测离心力)和陀螺仪(测超高)控制液压倾摆机构,以便准确地确定车体倾摆角度值。每节车上均有带加速度计的计算机系统,头便准确地确定车体倾摆角度值。每节车上均
23、有带加速度计的计算机系统,头车上还装有一台通过列车供电母线将摆动数据传给后面车辆的中央计算机,车上还装有一台通过列车供电母线将摆动数据传给后面车辆的中央计算机,后面车辆接到正确的回转角数值后,根据头车和后面车的距离,在通过曲线后面车辆接到正确的回转角数值后,根据头车和后面车的距离,在通过曲线过程中核对实际速度,检验允许速度并进行适当调整。过程中核对实际速度,检验允许速度并进行适当调整。这种摆式车体最大摆角这种摆式车体最大摆角10,最高运行速度为,最高运行速度为250km/h。第39页/共125页瑞典瑞典X2000型摆式列车在曲线上型摆式列车在曲线上行驶时,使旅客承受的横向力减行驶时,使旅客承受
24、的横向力减少大约少大约70。车体倾摆动作由。车体倾摆动作由电电液伺服系统来完成。其原理液伺服系统来完成。其原理为:车体倾摆机构设置于转向架为:车体倾摆机构设置于转向架的上、下摇枕之间,上摇枕通过的上、下摇枕之间,上摇枕通过4根吊杆悬挂在下摇枕上,形同根吊杆悬挂在下摇枕上,形同一个对称的四连杆机构两侧各设一个对称的四连杆机构两侧各设一个液压伸缩油缸来驱动车体的一个液压伸缩油缸来驱动车体的倾摆。液压油缸的上下两端分别倾摆。液压油缸的上下两端分别固定在上、下摇枕体内。流向液固定在上、下摇枕体内。流向液压缸的油受伺服阀控制,它从控压缸的油受伺服阀控制,它从控制系统接收电基准信号,一节车制系统接收电基准
25、信号,一节车辆的两个转向架的倾摆动作由同辆的两个转向架的倾摆动作由同一伺服阀控制,这就保证了它们一伺服阀控制,这就保证了它们总是向相同方向倾摆,以避免两总是向相同方向倾摆,以避免两台转向架倾摆机构的动作互相矛台转向架倾摆机构的动作互相矛盾,从而避免了车辆发生车轮减盾,从而避免了车辆发生车轮减载过限的危险。车体最大倾摆角载过限的危险。车体最大倾摆角为为8。第40页/共125页6.2 CRH2动车组车体结构 第41页/共125页 CRH2型动车组车体结构主要分为头车车体(2辆)和中间车车体(6辆)2种。头车车体由底架、车顶、侧墙、端墙、司机室组成。中间车车体由底架、车顶、侧墙、端墙组成。车体采用中
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