CRH2型高速动车组车辆车体结构总体设计.docx
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CRH2型高速动车组车辆车体结构总体设计
XX工程学院
车辆工程系
本科毕业设计（论文）
题目：
CRH2型高速动车组车辆车体结构总体设计
专业：
机械设计制造及其自动化
（城市轨道车辆）
班级：
城轨081学号：
*********
学生姓名：
指导教师：
副教授
起迄日期：
2012.3～2012.6
设计地点：
车辆工程实验中心
摘要
随着科技和生活水平的提高，城市之间的距离越来越小，高速动车作为一种新的交通工具，正逐步代替原有的交通。
本文对CRH2型200km/h的高速动车组车体结构进行了总体设计。
根据国内外高速动车的发展概况和最新研究成果，以及为实现列车车体气密性和轻量化为目的，完成了CRH2型动车组的车体结构总体设计。
基本编组方案采用2动2拖，整车由8辆车组成，主要对头车车体进行了详细研究。
首先，是对车体的材料选择，经过对耐候钢，不锈钢和铝合金的比较可以看得出，采用铝合金是最合适的。
它可以降低车重，提高车辆加速度，降低运能消耗、牵引及制动能耗，减轻了对线路的磨耗及冲击,扩大了运输能力。
其次是对车体的结构进行选择，主要以双壳结构为主，并引入了模块化的概念，把铝合金车体分成若干模块，包块底架模块，侧墙模块，车顶模块，端部模块和车体附件等五大部分，每一种模块单独加工，互不影响。
最后把所有模块整合在一起，组成铝合金车体。
关键词：
车辆工程；高速动车组；车体；铝合金
ABSTRACT
Withthetechnologyandtheimprovementoflivingstandards,thedistancebetweenthecitiesgettingshorterandshorter.High-speedEMUasanewmeansoftransportisreplacingtheexistingtrafficgradually.Thispaperintroducesthedesignofoverallbodystructurefor200km/hofCRH2EMU.Accordingtothedevelopmentoverviewandthelatestresearchresultsofdomesticandforeignhigh-speedEMUs,aswellastoachievetheairtightnessandweightoftrainforpurpose,completingthedesignofoverallbodystructureforthe200km/hEMU.2M2Tisselectedasthebasicformationprogramandit’smadeupofeightvehicles,mainlytakingsomestudyontherivalcarbody.Firstofall,thechoiceofbodymaterial,comparedwithweatheringsteel,stainlesssteelandaluminumalloy,aluminumalloyisthemostsuitable.Itcanreducethevehicleweightandimprovevehicleacceleration.Italsocanreduceconsumptionoftransportcapacity,tractionandbraking,andevencanreducewearonthelineandtheimpact,expandthetransportcapacity.Secondly,choosethestructureofthebody,mainlydouble-shellstructure.Itintroducesthemodularconcept,thealuminumalloybodyistobedividedintoseveralmodules,includingblockchassismodules,side-wallmodules,roofmodules,theendmodulesandannextothebottomofvehicle,eachmoduleprocessesseparately.Finally,formthealuminumalloybodywithallmodulestogether.
Keywords:
VehicleEngineering;High-speedEMU;Bodystructure;Aluminumalloy
附件：
1.高速动车组头车车体图和司机室图
2.毕业论文光盘资料
第一章绪论
1.1选题背景与意义
社会的进步和生产力的发展，推动着现代交通运输业的飞速发展。
轨道交通历史悠久，由于其自身的特点和优势，成为地面交通的主要支柱之一。
从世界第一条铁路建成开始并通车，铁路逐渐成为交通运输中的重要运输方式之一。
在几百公里内的短途运输中，内燃动车组和电力动车组是一种理想的交通工具。
由这种固定编组、自带动力的列车，运用灵活，前后行驶无需调头，可增加发车密度，且污染小，能耗低，特别适用于小编组、大密度的客运组织形式。
因此，动车组被一些发达国家普遍用于城际旅客运输。
2007年4月，我国成功实施了第六次铁路大面积提速，和谐号CRH动车组首次出现在中国铁路上，在既有线上实现了最高时速250公里的高速运营。
这标志着我国既有线提速达到了世界先进水平，铁路技术装备进入了世界先进行列。
铝合金车体是轨道交通设备的重要组成部分，它体现了一个国家的工业技术水平，同时也反应了一个国家的人文特征。
随着轨道交通事业的迅速发展和人们生活水平的提高，对车体综合性能的要求越来越高。
动车组的车体结构设计不同于我国现行普通客车车体结构设计。
为了满足高速列车的运用要求，对车体结构的要求也更加严格：
第一是因为高速列车在交会和进入隧道时，压力波动明显增加，并且随着高速化、现代化的实现，需要增加许多设备安装在车体上，所以需要增加车体的强度；第二是由于车速的提高，轮轨间的动力作用加剧，单位重量需要的功率增加，所以需要努力减轻车辆自重。
因此，高速动车组车体结构研究就成为一个重要的课题。
1.2世界各国高速铁路发展概况
近半个多世纪以来，世界各国都在努力进行铁路的技术装备和现代管理的研究，努力推进铁路运输技术的进步，在很多发方面取得了突破性的发展。
与此同时，随着世界各国经济的发展和人民生活水平的提高，人们对于出行条件、旅行环境的要求越来越高。
高速铁路的出现，无疑对铁路复兴产生了积极影响。
铁路技术在20世纪60年代开始进入实用阶段。
1964年10月1日，日本率先建成世界上第一条高速铁路—东海道新干线，在东京—大阪间铁路线上，高速列车运行速度达到210km/h，年运送旅客1.3亿人次，相当于10条高速公路的运量。
1983年9月，法国巴黎—里昂间的TGV东南高速线（全长398km）通车运营，列车速度进一步提高到270km/h。
在短短的20年内，铁路高速运输发展已经遍及欧、亚、北美许多国家，在世界范围内引发了一场深刻的“交通革命”。
高速铁路之所以得到快速发展并受到世人的青睐，其主要优点在于能够满足旅客对缩短旅行时间、舒适方便且节省票价等需求。
与航空和高速公路相比，它还具有节约能源和减少环境污染的优势，有利于改善生态环境和实现可持续发展。
日本和法国自高速铁路开通运营以来，从没有发生过因高速技术本身造成的行车事故，增强了旅客乘车旅行的安全感。
高速铁路的兴起和发展是社会经济发展的必然结果，也是不断采用现代科技成果从低水平逐渐向高级阶段发展的必然产物。
世界各国经过第二次世界大战结束后的10年经济复苏，从20世纪50年代中期开始进入发展期。
由于经济和科技发展较快，对交通运输提出了高效、快速的要求。
这时，铁路开始引入现代科技新成果，以改变列车运行速度较低的被动局面。
首先将航空工业的新技术、新材料移植到机车车辆的结构之中，使车辆的自重大幅度减轻；电气化铁路的崛起，为高速运行提供了牵引动力的保证；电子和计算机信息技术的发展，又为列车牵引采用先进的交—直—交传动装置和实现列车的自动化控制开辟了广阔的前景。
最早致力于铁路高速运行的国家是法国，早在20世纪60年代初，其客运列车最高运行速度已达到160km/h。
但是，善于引用别国技术为己所用的日本，在交通运输极端紧张压力的推动下，经过较短时间的努力，于1964年10月开出了世界第一列运行速度超过200km/h的高速列车，这给一些铁路发达国家很大的启示。
从那以后许多国家迅速展开了铁路高速化的研究工作。
除日、法、德、英起步较早之外，先后又有美、前苏联、意、西班牙、瑞典、比利时等国投入了人、财、物力改善本国的铁路，以提高运行速度。
到目前为止，已有十几个国家的铁路旅客列车的最高运行速度达200km/h以上，其中有些国家修建了高速客运专用线。
列车最高运行速度已超过300km/h。
在高速铁路运营的40多年中，已经显示出其具有强大的生命力，产生了巨大的经济效益和社会效益。
目前，不仅发达国家继续扩大高速铁路，而且一些铁路不甚发达的国家和地区也迫不及待地邀请日、法、德专家共谋高速铁路和机车车辆的发展规划。
高速铁路之所以获得成功，是因为与其他交通工具比较具有独特的优点。
其一是运量大，一列车可载运近千人；二是能耗低，运送每位旅客消耗的能源，飞机比铁路多4~5倍，汽车比铁路多1倍以上；三是安全，日本东海道新干线运用40多年未发生重大行车事故；四是乘坐舒服；五是节省时间，对于中等运程（600~700km）的旅客，乘坐高速列车与乘坐飞机所花费的时间相当（因乘飞机需先乘车到远离市中心的机场）。
高速铁路是铁路科技进步的重要标志之一。
铁路高速技术包括了新型列车牵引方式、轻型高速车辆、运行控制指挥自动化以及高性能的线路结构等先进技术。
列车整体成流线型，可最大限度的减少高速运行时的阻力。
高速列车的动力，采用电动车组或电力机车牵引。
电动车组具有中心低、结构轻、轻轨间作用力小和舒适性好等特点。
目前，世界已建成投入运营的高速铁路总长已超过5000km。
预计到21世纪20年代，高速新线有可能增加到1.8~2万千米。
可以认为，世界各国铁路正在步入新的兴盛时期，必将会出现一个历史性的大发展。
应强调的是在大交通的环境中，交通运输结构可能还会发生一些调整变化，但铁路的骨干作用将会得到进一步的加强和巩固。
1.3模块化铝合金车体发展现状
动车组，就是自带动力、固定编组、可双向开行的旅客列车，具有安全可靠、运行快捷、乘坐舒适、编组灵活等特点，是高效率、大密度的旅客运载工具。
随着轨道交通事业的迅速发展和人们生活水平的提高，对车体综合性能的要求越来越高。
车辆制造商一方面要不断提高车辆性能，以确保车辆运行安全、可靠、舒适，且易于维护保养；另一方面又要尽量降低造车及车辆维护成本，使车辆具有市场竞争力。
模块化概念的应用为铁道车辆的设计和装配、实现车辆制造的高性能和低成本的目标提供了新的途径。
1.3.1动车车体模块化概念
动车车辆的模块化是指在车辆设计时，将整车结构进行分解，形成若干独立而又相互联系的分系统，即模块，如车顶模块、侧墙模块、底架模块、司机室模块、中间端模块等。
模块中包含骨架和内装以及内部相应的配线、配管、防寒材等。
目前，在欧洲铁路行业中，模块化概念在车辆设计中已得到应用。
采用铝合金地铁车体在减轻质量的同时也提高了车体的美观和耐腐蚀性。
车头采用流线性设计，不仅美观流畅，也可以减少阻力节约能源。
同时，改进制造方法，将通常的整车焊接改为几大模块之间的铆接，大大减少了焊接工作量和各种防止焊接变形的夹具定位问题。
1.3.2车体材料的选用
车体是车辆结构的主体。
车体的防腐耐腐能力、表面保护和装饰方法，关系到车辆外观、寿命和检修制度；车体的重量，则关系到能耗、加减速度、载客能力乃至列车编组形式。
这些都影响列车的运营质量和经济效益。
车体结构形式、性能和技术经济指标主要取决于车体材料。
故车体选材成为车体结构设计考虑的重大要素之一。
车辆的轻量化主要是车体的轻量化，而降低车体自重的主要方法之一就是采用轻量化材料制造。
车体结构按使用的主要材料可分为普通碳钢车（已停产）、耐候钢车、不锈钢车和铝合金车。
普通碳钢耐腐蚀性能差，耐候钢虽然可以延缓腐蚀，但不能完全防止腐蚀，更为重要的一点，这两种材料不能有效地减轻车辆的自重，因此，不适宜作为制造高速客车车体的材料。
不锈钢具有优异的耐腐蚀性能，车体无需涂装，与普通碳钢相比，车体重量可以减轻10%-20%。
但我国制造不锈钢的原材料较为缺乏，而且在不锈钢薄板加工、制造和焊接方面还存在一定的问题，这些很大程度上限制了不锈钢车辆的发展，因此国内在近几年成批生产不锈钢车辆还有很大的难度。
铝合金密度小、强度高、耐腐蚀性和成型性能好，和钢制车辆相比，可减重30%-50%。
由于轻量化，减少了制动力和对轨道线路的静、动载荷，使线路的维修周期和钢轨的使用寿命大大延长，可以降低维修费用和制造费用，延长大修期；而且铝合金材料挤压成型容易，易于车体结构的优化，大量减少制造工时，可以挤压出各种复杂的断面，使各部件厚度分配更趋合理。
表1.1列出了几种常用的材料制造的车体的特性，并与铝合金车体进行了对比分析。
表1.1各种车体材料对照[2]
碳钢车体
铝合金车体
不锈钢车体
造型
一般
容易
困难
塑性加工
一般
容易
困难
轻量化
困难
容易
一般
材料强度
一般
一般
高
制造成本
低
高
高
原材料价格
低
高
高
耐腐蚀性
差
不好
好
耐热性
好
不好
好
焊接性能
好
不好
好
气密性
好
好
不好
维修
不好
好
好
铝合金车体的弱点是铝的纵弹性模小，约为普通钢的1/3，因而往往使车体刚度下降。
一般铝合金车体比普通钢车体、不锈钢车体的刚度都要小。
这是铝合金车体设计时加大板厚和尽量加大车体断面以提高车体抗弯刚度的重要原因。
铝合金车体的另一个不尽人意之处就是耐腐蚀性差，不能像不锈钢那样达到不用涂漆的程度。
不涂漆的铝合金车体虽然也有，但用过一段时间后，由于大气中的腐蚀条件，表面总会出现面蚀、点蚀、变色，影响美观，故大部分车都涂漆。
综上所述，由于铝合金车体采用与车体基本等长的用通长的纵向焊接而成的大型中空铝合金型材，其气密性将明显好于采用点焊工艺的不锈钢车体，同时在减重及整车刚度方面也优于不锈钢车体。
目前，日本的新干线、德国的ICE和发过的AGV等高速列车均采用了铝合金车体。
铝合金因其良好的耐腐蚀性、重量轻、表面平整度高、气密性好、结构及生产制造简单、可翻新等优点已被全世界广泛采用。
由此确定车体材料主要采用铝合金。
1.4主要研究内容及本文结构
1.4.1主要研究内容
动车车体是整个动车产品的重要组成部分，其性能主要决定于其结构的动态特性。
车体结构和受力都较复杂。
在结构上，车体必须满足动车车体总体布置的要求，强度上须满足其疲劳寿命要求，还必须具有足够的弯曲和扭转刚度，以承受运行过程中所受到的各种动载荷，保证在多种工况下，不致产生过大的应力和变形而损坏。
城市轨道车辆要发展，车体轻量化是关键。
车体轻量化可以减少列车运行阻力，降低列车牵引功率，提高速度。
轻量化对于客车来说就是节能，通过减轻客车自重、降低每位旅客所占的重量，从而降低每位定员的牵引消耗。
车辆轻量化减轻了对线路的磨耗，降低了线路的损耗量，延长使用寿命。
因而，从车体动态特性、设计轻量化、车体强度来考虑，车体开发中存在着很多关键技术有待研究解决。
以下为本方案设计的高速动车组头车车体设计要求：
1.最高运营速度为250km/h；
2.车体最大长度头车25700mm,中间车25000mm；
3.车体最大宽度3380mm，最大高度3700mm；
4.车门处地板面高度1300mm；
5.车厢天花板高度2277mm；
1.4.2本文结构
全文共分五章，各章内容安排如下：
第一章：
在了解国内外高速动车发展历史的基础上，阐述了本论文的研究背景、课题来源及要研究的主要内容；讨论了国内外研究现状与发展趋势；同时阐述了本论文的研究意义。
第二章：
简单介绍了CRH2的编组以及主要技术参数，通过查阅资料得到车体设计所需的简单参数。
第三章：
介绍了国内外动车的车体材料和结构选型，并通过对比择优选取车体的材料和结构。
通过对高速动车的车体进行了详细的介绍，为本课题的研究工作提供了很好的落点和依据。
第四章：
简单介绍车体气密性的要求和措施并对车体垂向静载荷进行校核。
第五章：
总结了全文的研究成果，并对以后课题研究的发展进行了展望。
第二章CRH2动车组介绍
2.1编组[3]
CRH2型200km/h的动车组，其最高运营速度为250km/h，可在中国铁路既有线路和客运专线上运行。
动车采用8辆编组，4动4拖，由两个动力单元组成，每个动力单元由2个动车和2个拖车（T-M-M-T）组成。
动车组编组见图2.1，动车组编组代号意义参见表2.1。
动车组前后两端均设驾驶室，列车通常运行时在前端的驾驶室内进行操作，受电弓设在4号和6号车上，动车组运行时采用单弓受流，另一受电弓处于折叠状态。
两列动车可联挂运行，联挂时受电弓采取双弓受流。
图2.1CRH2型动车组编组示意图
表2.1动车组编组代号含义
车辆代号
代号含义
类型举例
符号意义及说明
T
拖车（Trailercoach）
T1c,T2c,T1k,T2
M
动车（Motorcoach）
M1,M2,M1s
c
带驾驶室（cabin）
T1c,T2c
带驾驶室的拖车
k
带餐车（kitchen）
T1k
带餐车的拖车
s
头等车（special）
M1s
头等车
注：
数字1,2表示不同型号
2.2主要技术参数
CRH2型动车组是动力分散型动车组，配置为4动4拖，2辆动力车可组成一个基本动力单元。
全列车设置7辆二等车和1辆一等车，2辆头车为二等座车，分别定员64、55人，一等座车为7号车，定员51人，其余二等座车中3辆定员100人，1辆定员85人，餐座合造车为5号车，定员55人，总计610定员。
动车组中设有2个受电弓，在单号车上设置卫生间和洗脸间。
动车组可以单列运行，也可两列连挂组成一个长编组运行。
动车组主要技术参数见表2.2。
表2.2CRH2型动车组车体主要技术参数
车辆号
1
2
3
4
5
6
7
8
车型
二等座
二等座
二等座
二等座
餐座合造车
二等座
一等座
二等座
代号
T1c
M2
M1
T2
T1k
M2
M1s
T2c
定员/人
55
100
85
100
55
100
51
64
车体长度/mm
25400
24500
24500
24500
24500
24500
24500
25400
车体宽度/mm
3380
车体高度/mm
3700
转向架中心距/mm
17500
地板面距轨面高度/mm
1300
车钩距轨面高度/mm
1000
2.3其余参数[4]
本论文主要设计头车车体T1c。
2.3.1车门
车体设有4个侧拉门。
侧门结构简单，门板和车体外表面存在35mm的高度差，不会增加外部噪声。
侧门规格和参数如下：
门口宽度*高度730mm（1080mm）*1850mm
门口净开度660mm（1010mm）
拉门行程冲程711mm（1061mm）
两个侧拉门之间的空间为通过台。
通过台是乘客上下车的通道，通道台旁设有大件行李存放处。
在相邻两车辆间设防火外端门。
材料采用不锈钢。
外端门基本参数如下：
门口宽度820mm
门口高度1900mm
T1c车端端部设卫生间、小便池和洗脸间。
车辆中部为客车区，客室两端设自动感应式内端门。
2.3.2座椅
座椅采用2+3布置，座间距为980mm，走廊宽度为600mm。
2.3.3车窗
司机室的侧门窗为气密侧开窗，其余全为气密构造的固定窗，固定车窗尺寸可分800mm和1600mm宽两种规格。
每两排座椅对应一个大窗。
车窗外表面相对车体外侧面内凹8mm，四周平滑过渡，有利于减少噪声。
在每车客室的四角各设1个逃生用的紧急窗，其余为普通窗。
普通窗玻璃的有效开口尺寸有650mm*800mm和650mm*1600mm两种。
所以，根据座椅的座间距980mm和大车窗尺寸1600mm，可求得车窗之间距是360mm。
（（980×10-1600×5）÷5=360mm）
2.4设计标准
动车组拖车铝合金车体的强度、刚度及气密性按《200km/h及以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定》和《200km/h及以上速度级列车密封设计及试验鉴定暂行规定》（科教装[2001]21号文）设计。
第三章高速动车车体结构设计
3.1概述
高速动车组比传统机车车辆的运营速度有大幅度增加，这要求动车组车体结构的设计需考虑：
（1）为了减少空气阻力，车体外形需要设计成流线型；
（2）为了提高乘车舒适度，车体需采用气密结构；
（3）为了降低能耗，车体需采用轻量化设计。
由于铝合金材料的密度低，质量较轻，具有强度大、刚度好的特点，所以在高速动车组车体上得到了广泛应用。
3.1.1车体承载结构特点
由于车体需要承受旅客的质量和各种设备的质量，以及动车组在运行过程中的纵向、横向、垂向和扭转等载荷，所以车体需要有足够的强度和刚度。
高速动车组车体采用铝合金筒形承载结构，能够达到足够的强度和刚度，同时实现结构轻量化。
筒形铝合金车体结构的最大优点是工艺性好、减轻车辆自重、降低能耗、减少运行成本和维护成本。
近年来车体大量采用大型、中空、薄壁的铝合金挤压型材，实现了纵向大幅度自动焊接工艺，提高了质量和生产效率。
3.1.2车体用铝合金材料
高速动车组铝合金车体材料主要有5000系、6000系和7000系。
5000系铝合金是变形铝-镁系合金；6000系铝合金是变形铝-镁-硅系合金；7000系铝合金是变形铝-锌系合金。
200km/h动车组车体用铝合金材料需要具有强度高、焊接性好、挤压加工性能优、耐腐蚀性强等特性，主要采用5000系的5083、6000系的6N01、7000系的7N01等。
这些合金的主要机械性能如表3.1。
表3.1CRH2型动车组车体用主要铝合金材料主要机械性能[4]
材料
杨氏模量（GPa）
泊松比
弹性极限（MPa）
疲劳强度（MPa）
母材部分
焊接部分
母材部分
焊接部分
A5083P-O
69
0.3
125
125
103
39
A6N01S-T5
69
0.3
205
120
78
39
A7N01P-T4
69
0.3
195
176
135
39
A7N01S-T5
69
0.3
245
205
119
39
各种铝合金材料的具体
升级会员 