最新动车组司机室结构设计概述0419.docx

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最新动车组司机室结构设计概述0419

动车组司机室结构设计概述20120419

动车组司机室的结构设计概述

王建新周建烽刘金生

（青岛四方庞巴迪铁路运输设备有限公司工程部266111）

[摘  要]本文从动车组的设计角度，论述了司机室的结构组成，设计要点和注意事项，同时介绍了一些司机室中常用的材料及其应用，最后对司机室的结构设计的发展方向提出一些观点。

[关键词]动车组司机室结构设计

在几次铁路大提速的前提下，我国动车组的设计和制造能力取得了举世瞩目的成就，通过技术引进，消化吸收，再到国产化，广大的工程技术人员已经具备了动车组的设计、制造、试验和运用等方面的专业能力。

目前，国内动车组可分为8辆编组的短编和16辆编组的长编两种编组形式，每列动车组共配备两个结构和功能完全相同的司机室，分别位于列车的两端。

司机室作为整列车的操控中心，不仅要为司机提供安全、安静、舒适、独立的操控环境，同时也要满足人体工程学的要求，司机无需离开座椅便可操作相关的手柄、按钮和开关，观察轨道信号、主控屏幕和仪器仪表等。

根据安装位置的不同，司机室设备可分为外部设备和内部设备，从动车组的设计角度，司机室的结构设计需要考虑的因素包括可靠性、可操作性、可维护性、安全性和寿命周期等，随着动车组的发展和时代的要求，环保和经济性也越来越多的被广大设计人员所关注。

1.司机室外部设备（Cabexterior）

安装在司机室外壳上和外部的设备，我们称之为司机室外部设备，主要包括司机室外壳，前端模块，排障器，前部车钩，吸能器，雨刷系统，外部管路和汽笛，外部照明，前风挡玻璃和侧窗玻璃等。

其中，尤以司机室外壳和司机室前端模块最为重要，需要进行空气空力学分析和优化设计，从而使列车具有流线型的外形轮廓，减少车辆运行过程中的空气阻力，节约能源消耗，在配以时尚动感的美工方案和外部油漆，整列车可以满足客户关于高效，节能和安全的要求。

根据EN12663的相关要求，车辆在与其他车辆或车端缓冲器发生碰撞的情况下，前部车钩和司机室端部底架上的吸能器应能够吸收约2MJ的能量，因此，前部车钩和吸能器会配备一定长度的变形管和防爬功能，同时，司机室钢结构也要设计成吸能结构，以便列车在发生不可预知的碰撞时最大程度的吸收能量保证司机和乘客的安全。

另外，司机室侧窗需满足司机逃生的需要，其最小净尺寸为500X400毫米，应符合EN45545标准中的相关要求。

图1：

司机室结构示意图

1-司机室外壳，2-司机室顶灯，3-司机室遮阳帘，4-前风挡玻璃，5-雨刷，6-前侧灯，7-汽笛，8-吸能器，9-前部车钩，10-排障器，11-天线，12-钢结构，13-司机室风道，14-司机室顶板，15-电器柜，16-司机室后墙和门，17-司机室地板，18-司机室侧窗，19-操纵台，20-脚踏，21-司机座椅，22-前部支架，23-司机室后护板，24-司机室侧墙板。

司机室外壳（Fronthood）

作为整列车的车头，司机室外壳需要具有流线型的外形，以减少动车在高速运行时的空气阻力和能源消耗，以及空气摩擦产生的噪音；司机室外壳还需要安装牢固，为司机的人身安全提供足够的保障，不会因运行时的震动，疲劳和外物击打而造成破坏；同时，司机室外壳必须要承载安装在其上的零部件，比如前风挡玻璃，司机室侧窗和前部大灯等，以保证零部件的可靠性和功能性。

从制造材料上来说，司机室外壳多采用玻璃钢和铝合金材料，性能对比参见表1。

司机室外壳用玻璃钢多为泡沫夹芯与合成树脂和玻璃纤维复合而成的三明治结构，其相对密度在1.5~2.0之间，轻质高强，耐腐蚀性能和绝缘性能良好，玻璃钢的热传导率低，室温下为1.25~1.67kJ/（m.h.k）；玻璃钢的可设计性好，可根据空气动力学的分析结果设计出复杂的曲面结构。

玻璃钢的缺点是易老化，弹性模量低和层间剪切强度低等，针对其易老化的特点，通常可以采用表面油漆的方式来进行弥补，增加玻璃钢的厚度或增加泡沫夹芯的厚度也可以显著提高其本身的拉伸强度和剪切强度，同时也可以采用一些过渡支架固定在钢结构框架上，作为玻璃钢外壳粘接工艺的补充方案。

玻璃钢外壳需要用高强度的粘接胶粘接在钢结构上，胶层的厚度和宽度由外壳的强度计算来决定，为了达到外部胶缝的均匀和美观，通常，在粘接胶的外层会重新涂抹一层密封胶，涂抹后抹平。

在玻璃钢外壳的密封过程中，非常重要的一点，就是要保证玻璃钢和钢结构之间的缝隙要完全的密封，否则，微小的间隙也会带来严重的后果，比如气密性降低，司机室噪音增大等，严重时会影响司机的正常操作，带来极大危害。

玻璃钢外壳广泛应用在欧洲市场的时速不高于250公里的动车组上，如欧洲之星，我国的CRH1型和CRH5型动车组使用的就是玻璃钢外壳，外形流畅，具有良好的可靠性和经济性。

铝合金司机室外壳通常会作为车体钢结构的一部分，通过焊接的方式与车体焊接在一起。

随着市场对高效节能的要求越来越高，动车组轻量化已成为所有动车制造厂商的共同目标，挤压铝型材开始大量地应用于焊接车体钢结构。

但是，由于车头的曲面比较复杂，具有变截面的结构，而且为前风挡玻璃和侧窗等设备所开的开口又会对整体的强度造成一定的影响，如果用挤压铝型材的方式进行加工比较困难，成本偏高。

针对此问题，司机室钢结构框架和司机室外壳表层蒙皮依次焊接技术被广大制造厂商所运用，首先，将司机室框架用铝型材进行折弯或扭转成所需要的形状，同时将外壳表层蒙皮分成几块进行单独加工成所需要的形状；然后，将框架依次固定在精确的焊接工装上进行点焊，待测量无误后再进行满焊，使整个框架成为一体；其次，将外壳蒙皮依次焊接到司机室框架上，并随时监测其轮廓度，以便进行及时地调整；最后，将焊接完成的司机室外壳与车体钢结构焊接在一起。

此项技术最早应用在日本的新干线上，铝合金车体钢结构的重量仅为钢制车体的二分之一，车辆的总重能够实现10%-15%的轻量化。

目前，在欧洲和日本的市场上的应用比较广泛，如新干线、西门子的Velaro系列等，我国的CRH2型、CRH3型车和高铁也采用了此项技术。

表1：

司机室外壳材料的性能比较

项目

玻璃钢外壳

铝合金外壳

材料强度

高（复合后）

弱

耐蚀性

好

好

轻量化

最佳

好

塑性加工

容易

一般

材料价格

低

高

车体气密性

差

好

耐热性

高

一般

隔音性

高

一般

成本

低

高

可维护性

好

好

可否油漆

可以

可以

前端模块（Frontmodule）

前端模块位于车辆的最前端，用于保护前部设备免于遭受外物的击打而损坏，比如前部车钩、吸能器和雨刷系统等，同时其流线型的造型也可以起到降低空气阻力和美化外观的作用。

通常情况下，前部开闭机构会与前端模块整合在一起进行设计和制造，动车组在日常运行时，该开闭机构处于关闭状态，当动车组需要重联或救援时，开闭机构处于打开状态。

前端模块可作为司机室外壳的延续，其复杂圆润的外部曲线轮廓决定了材料的特殊性，而玻璃钢材料由于其优良的可塑性和物理机械性能被动车组的各个制造厂商广泛采用。

各主机厂一般不自行生产前端模块，而委托给供应商进行设计，计算和生产。

待供应商的方案通过后，主机厂会进行前端模块的组装设计和周边接口的安装校核和运动干涉分析。

通常，前端模块会直接固定在车体钢结构上，但有时由于空间和结构限制，过渡支架也会用于安装前端模块。

前端模块与车体钢结构（或司机室外壳）的接缝需要平整，表面平滑，且二者之间的台阶不能过大，一般不大于5毫米，否则，车辆在高速运行时，将会产生较大的噪音；同时，在前端模块安装完成后，需要用密封胶将二者之间的缝隙密封。

也有部分的主机厂将前端模块与司机室外壳整合在一起，只留下单独的开闭机构，这也是一种设计方案，缺点是增加了前部设备的检修和更换的难度，比如CRH2型车就采用了整体的铝合金焊接结构。

除了开闭机构外，汽笛安装盒和前部大灯安装盒等设备，由于其外形尺寸较小，可以考虑采用玻璃钢材料并直接糊制在前端模块上。

同时，前部车钩与前部管路的控制单元也可固定在前端模块上，通过两侧的检查门进行检修和更换。

前端模块内的电器件和电器接头的防水和防尘等级不可低于IP65，同时位于最低部的电器件要可以耐受雨水的浸泡。

前端模块内的设备在有冰雪的天气情况下仍能保证功能不失效，且可以使用70℃的热水或溶冰剂进行融雪除冰。

1.3排障器（Obstacledeflector）

根据排障器的安装方式，可分为外挂式和隐藏式两种。

对于外挂式排障器，如图1中的10号件所示，排障器位于司机室的底部，通常使用高强度的耐候钢焊接而成的前尖后钝的弧形结构，与前端模块的过渡连接处由于形状比较复杂，可以采用玻璃钢材料，用于减少车辆在运行时的空气阻力。

排障器用于排除轨道上的障碍物，比如石头，木头，动物或汽车等，能够承受300kN的中心载荷和250kN的侧向载荷。

通常情况下，排障器在安装之前需要进行静态有限元仿真模拟和静态的验证试验；在安装之后，也要进行定期的检查，如果发现失效，需要立即更换。

有的车辆在设计之初，并没有设计外挂式的排障器，而是将排障器与车体钢结构焊接在一起，然后用前端模块将其保护起来，从车外是不可见的，我们称之为隐藏式排障器。

该排障器不作为日常的排除轨道上的障碍物，而是在车辆在遭受严重的撞击时，在前端模块被破坏后的轨道清障，防止车辆出现脱轨等严重事件。

如果遇到一些类似雪堆、木头或动物等重量不大的障碍物，需要预先使用专用的排障机车将障碍物清除，该车辆方可通行。

1.4前风挡玻璃（Frontwindow）

前风挡玻璃安装在司机室外壳的前部，垂直于运行方向，具有与司机室外壳相拟合的曲面形状，为司机在各种工况下观察路旁信号和轨道情况提供清晰无误的视野。

由外至里，前风挡玻璃由外层玻璃、电加热丝、PVB夹层、内层玻璃和防飞溅膜复合而成的钢化夹层玻璃，参见图2所示。

从安装结构上来说，前风挡玻璃可以分为无框式和有框式两种，无框式前风挡玻璃可用粘接胶直接粘接在司机室外壳的边框上，成本低，安装方便，但维修更换费用高，周期较长，适用于采用玻璃钢材料的司机室外壳；有框式前风挡玻璃通常是在玻璃的出厂之前就由生产厂商将玻璃和框架粘接密实牢固，主机厂只需要用紧固件将前风挡玻璃外框固定在司机室外壳的边框上，然后用密封胶将周边密封抹平即可，成本稍高，但由于其安装和更换方便，维护停车时间短等优点，被广泛用于铝合金和钢制车体上。

图2：

前风挡玻璃的结构

为了保证前风挡玻璃的功能和安全，根据EN15152和TB1451中的相关要求，前风挡玻璃必须具有光学性能、机械性能、电气性能、防火安全性、隔音性能、耐候性能和外观等性能，参见表2中的具体参数。

表2：

前风挡玻璃的功能列表

性能类别

性能明细

性能参数

试验标准

常规性能

外观和标记

EN15152/TB1451

几何尺寸

参见图纸

防火保护

3-N,风险等级-2，要求-R1

CEN/TS45545-2

耐候试验

耐紫外线辐射，热循环试验，耐湿试验

EN15152

隔音试验

客户定义

ENISO140-3

光学性能

光畸变

A区：

2’，B区：

6’

EN15152/ISO3538

副像偏离

A区：

15’，B区：

25’

EN15152/ISO3538

色度和投射比

大于65%（在安装角度）

EN15152

雾度

小于2.5%

EN15152

透光率

不小于80%

EN410

太阳因子

不大于0.6

EN410

机械特性

抗冲击性/抗散裂

Vmax+160km/h

EN15152

抗砾石冲击

Vmax+20km/h

EN15152

耐磨性

内部小于8%，外部小于2%

EN15152/ISO3537

压力载荷

客户定义

DIN1055

强度和疲劳试验

有限元分析

电气性能

电加热及绝缘试验

比功率，总功率，加热均匀性，总电阻。

EN673/EN410

根据EN15152和TB1451中的相关要求和ISO3538中的实验方法，在给定方向上的光学畸变值Δα是在图3中的α1和α2之间的代数差（α值在水平线上为正值，否则为负值），Δx为与视线平行并分别经过点M和M’的两条直线间的距离。

在实际的测量中，光学畸变值会随着前风挡玻璃的曲面度，厚度的增大而增大，随着与水平方向的夹角的减小而增大，很难找到三者之间的平衡点，因此，我们在设计之初，应选择较小的前风挡玻璃曲面度和厚度，以及较大的与水平方向的夹角。

图3：

光畸变图（ISO3538）

2.司机室内部设备（Cabinterior）

安装在司机室外壳之内的设备则被称为内部设备，包括操纵台、司机座椅、司机室内装、司机室地板、司机室电器柜、司机室线槽、司机室风道、司机室间壁和门、司机室遮阳帘、司机室灯光和司机室防寒材等。

我们在设计司机室内部设备时，首先要考虑的是设备的功能性要求，其次是人体工学，然后是美工要求。

内部设备在设计安装结构时，需要承受的载荷为车长方向上的3倍的重力加速度，车宽方向上的1倍的重力加速度和车高方向上的3倍的重力加速度。

司机室作为整列动车的控制中枢，仅允许司机本人和某些获得许可的人士进入，且在运行途中，司机不可离开操控区域，乘客也不可进入司机室。

司机室需要单独控制的空调机组和风量可调的空调风道和出风口，风口的出风量，内部温度和湿度需保持恒定和舒适，而且在较短的时间之内即可从环境温度达到规定温度。

为了达到隔声隔热节能的目的，我们通常会在司机室外壳和钢结构上喷涂隔音涂料和安装传热系数较低且阻燃的防寒材料，如玻璃丝棉或碳纤维防寒材等；同时，由司机控制升降的遮阳帘可以避免阳光直射对司机观察轨道和信号的误读，以及司机室内部温度的过快升高。

为了确保司机在夜晚或隧道内等光线不好的情况下仍能观察和操作，司机室需要配备一个据有一定照度的独立照明系统和额外的照灯，所有的这些灯光不可对司机产生眩光。

2.1操纵台（Driverdesk）

司机室操纵台位于司机室中央的正前方，是最重要的列车控制组件，列车运行的所有控制和监视装置均安装在控制面板和左右两侧的电气柜中，包括列车控制单元（TCMS）的显示单元（IDU）、列车自动保护系统（ATP）、乘客信息系统（PIS）、列车无线电通信系统（CIR）、牵引系统、制动系统、供电系统、车门控制系统、车内娱乐系统、空调控制系统和车内照明系统等，如图5所示，如果由于操作台的空间限制，也可以将某些不常用的按钮或指示灯安装在司机室电器柜中。

根据功能的不同，各系统使用的电气元件也不尽相同，使用显示器的系统有列车控制系统，列车自动保护系统和列车无线电通信系统等；使用操控手柄的部件有牵引手柄、制动手柄和换向手柄等（也有的车型将所有功能集成为一个操控手柄，如CRH1型车）；使用控制按钮或指示灯的部件有雨刷、汽笛、前顶灯和侧灯、前部车钩、前部开闭机构、撒砂系统、轮缘润滑系统、遮阳帘、司机室灯光、停车制动、升弓降弓、过分相、列车重联和解编、外门控制、广播、外门脚踏、紧急制动和安全测试等；使用手持机的系统有无线电通信系统和乘客信息系统。

另外，为了防止司机离开时列车处于无人监控的情况发生，每个操纵台的下方都会安装一个带安全踏板的脚踏，如果踏板在规定时间内没有动作响应，列车自控控制系统就会声音警告，严重时列车将会自行制动以保证安全。

图5：

司机室操纵台

从结构上来说，操纵台可分为上部台面和下部框架两部分。

上部台面部分采用玻璃钢材料制成，用于固定如前所述的司机日常使用的人机交互式设备，从人机工程学的角度，司机需要不离开座椅便可轻松的操作周边设备，台面经常会设计成一个以司机座椅为旋转中心的弧形结构，且强度足以承受其自重和各设备重量，台面的司机书写平面与水平面的夹角不大于20°，该平面与司机室地板面的距离不大于1050毫米，显示器安装面与垂直面的夹角位于20°和40°之间，参见图6。

为了防止阳光照射在显示器上，通常我们会设计一个与台面弧度相匹配的遮阳板安装于操纵台的最上方，也可与操纵台做成一个整体，强度会更好一些。

下部框架用于安装电器件和气动管路等，分为左右两个柜体，作为整个操纵台的支撑部分，既可以采用钣金件组装，也可以使用型材组焊，以铝合金材料居多。

近年来，为了提高劳动生产效率，模块化组装概念逐渐被广泛应用，即将整个操纵台的所有部件在车下进行预组和调试，然后再整体吊装到车上进行安装。

考虑到日常检修和更换，在操纵台的左右两侧的柜体外部需要设计可以打开的检查门，使维修人员无须拆除座椅和脚踏便可进行操作。

图6：

司机的操控空间（UIC651）

2.2司机室内装（Cabinteriorpanels）

从结构上来分，司机室内装可分为左侧墙、右侧墙和顶板三大部分，由于其曲面要与司机室外壳的内表面相匹配，司机室内装通常会设计成由后向前逐渐变窄的形状，基于此，使用玻璃钢作为制作材料便成为首选，以5毫米左右为宜。

司机室内装用于遮挡安装在外壳和钢结构上的部件和设备，具有装饰功能。

司机室灯光设备、出风口、扬声器、温度传感器和逃生锤等也要固定在内装板上。

为了达到美观的目的，司机室内装的安装可采用无外露螺钉的设计，如插接、尼龙搭扣和装饰帽等。

为了方便生产和组装，对于长尺寸的司机室结构，侧墙板可以竖直分成两块或三块，顶板也可以分成前后两块；对于较短尺寸的司机室结构、侧墙板和顶板可以水平分成多块，两种结构均可采用叠压安装，在搭接处需要留有足够的调整量以方便组装并取得美观的效果。

2.3司机室地板（Cabfloor）

通常，司机室地板的截面结构与客室地板相同，均采用橡胶地板布、胶合板和金属板三种材料粘接而成，防火标准可参照TB3138或EN45545中相关标准执行，每平方的承重不小于320公斤。

在安装时，可根据司机室的不同结构，司机室地板可采用整块安装，也可以采用多块拼接的结构。

为了降低车辆运行过程中的震动和噪音，司机室地板通常是平放在车体底架上的橡胶支撑上，无需直接在车体上安装固定点。

为了实现操纵台预组的概念，可将司机室地板分为前后两块，前部地板可以与司机室操纵台固定在一起，然后整体吊装到司机室钢结构上，同时在安装固定处使用橡胶减震块来降低震动和噪音。

图7：

一种典型的司机室地板结构

2.4司机室电器柜（Cabcabinet）

司机室电器柜位于司机室的左右两侧，呈对称分布，用于安装车辆操控用的直流电器、交流电器和信号设备等。

根据其安装方式，可分为立式和卧式两种，立式柜通常用于司机室空间比较狭小的情况，如果司机室空间比较宽裕或司机室间壁为透明玻璃的话，卧式柜可作为首选方案，鉴于卧式柜的形状多为曲面结构，可根据实际情况选择玻璃钢材料来制作盖板和检查门。

司机室电器柜可采用金属框架结构，不锈钢、碳钢和铝合金材料均可选择，不过在车辆轻量化的前提下，铝合金材料越来越多的被广泛使用。

司机室电器柜可直接固定在车体上，电器柜检查门可与柜体整合在一起，方便安装和检修更换，检查门的设置应该满足操作人员可以轻松进行检修和更换的需要。

另外，如果某些操控开关或设备放置在两侧电器柜上，其安装位置不应远离司机的旋转范围，即司机无需离开座椅便可触及。

2.5司机室间壁和门（Cabrearwallanddoor）

司机室间壁和门位于司机室的最后端，将司机室和客室（或通过台）隔开，在车辆运行过程中，除司机或机师外，其他人是不允许进入司机室的，因此司机室门从外至内是出于常闭状态的，只有用专用钥匙才能打开，为了方便司机逃生，司机室门通常是向外开的，也可采用推拉式。

司机室间壁和门的材料可为高密度板、铝蜂窝板或钢化复合玻璃，高密度板质量较重，但成本低，钢化玻璃美观，但安装比较困难，其成本较高，铝蜂窝板质量和成本比较适中，如果无美观上的特殊要求，可作为首选材料。

根据EN45545的规定，司机室间壁和门应具有防火功能，在15分钟内不被火焰破坏，因此在司机室间壁和门与钢结构的接缝处需要涂抹防火密封胶。

由于司机室位于前部转向架的上方，为了降低司机室内的噪音，司机室间壁和门应具有一定的隔音功能。

3.动车组司机室设计的现状与展望（Currentstatusandprospects）

经过七年的发展，国内的四大主机厂为铁道部交付了几百列高速动车组，速度等级涵盖了200公里/小时，250公里/小时，300公里/小时和380公里/小时，车型包括座车和卧铺车，既有8辆编组的短编车，也有16辆编组的长编车。

在未来，随着高速铁路的发展和乘客对速度和舒适的更高要求，动车组的设计和制造将会取得更高的成就，其发展方向大体包括以下几点：

●安全

●舒适

●环保

●节能

●现代化

●模块化

●轻量化

●高速化

●新材料

●新工艺

参考文献：

[1]UIC651Layoutofdriver’scabsinlocomotives,railcars,multipleunittrainsanddrivingtrailers

[2]EN15152Railwayapplications-Frontwindscreensfortraincabs

[3]ISO3538Roadvehicles-Safetyglazingmaterials-Testmethodsforopticalproperties

[4]CEN-TS45545Railwayapplications-Fireprotectiononrailwayvehicles

[5]EN12663Railwayapplications-Structuralrequirementsofrailwayvehiclebodies

[6]CRH1型动车组张曙光主编中国铁道出版社