第9章 轨道交通车辆总体设计

兰州交通大学机电学院机车车辆系商跃进第九章动车组车辆总体设计1.概述2.车体总体设计3.转向架总体设计一、概述1.1定义与类型1.2内容1.3设计原则1.4设计依据1、动车组设计理论及其发展趋势动车组设计技术在近百年中经历了由经验设计到以科学试验和技术分析为基础的设计，再到一计算机辅助设计（CAD）等新方法的设计2、动车组设计的内容1.动车组总体设计：又称为总体布置设计，其任务是将设计任务书规定的整列车的参数和性能指标分解为有关总成的参数和功能。2.动车组总成设计：主要是满足列车对总成功能和布置的要求3.零件设计：主要零件的解决强度、寿命和生产技术等问题3、动车组设计计算原则干线铁路动车组开发、运用暂行管理办法发布部门：中华人民共和国铁道部发布日期：2000年08月11日４．１设计原则４．１．１动车组的设计应充分考虑安全性、可靠性、可维修性，部的互换性、通用性、阻燃性等，并按模块化、轻量化、无检修化的要求设计。设计应充分保证该车具有良好的防腐性、耐磨性等，并应遵循故障导向安全的原则。４．１．２速度大于１６０ｋｍ／ｈ的动车组设计应提高空气动力学性能。４．１．３车辆设计寿命为３０年。车体钢结构与构架１５年无需修理；车辆主要零部应尽可能等寿命，并充分考虑降低动车组的全寿命周期成本。４．２计算在动车组设计时须提出下述各项计算报告：·牵引计算；·牵引传动系统牵引特性计算；·制动能力、功率及其分配的计算；·动力制动特性计算；·车体、转向架及其组合的重心计算；·车辆走行技术特性的检验计算；·转向架偏移量计算；·限界校核计算；·车辆及车辆间各连接部小曲线通过检验计算（包括车钩偏移计算）；·对车体、转向架、制动和电气设备进行载荷和重量计算，并对轮对、车轮进行载荷计算；·车体强度计算；·转向架构架及弹簧的强度计算；·各悬挂的固结强度；·驱动轮对强度计算；·驱动机构的强度、性能计算。二、车辆总体设计1、定义与类型2、设计内容3、设计原则4、设计依据1、定义与类型1）定义车辆总体设计是一种带规划性质的设计，其目的是要说明该车能否满足设计技术任务书中提出来的各项功能要求，以及通过什么措施或方法来协调设计中出现的各种各样的矛盾或问题。车辆设计是车辆生产的第一道工序。2）类型•从设计的前后顺序一般可分为:方案设计、技术设计及施工设计三个阶段。•从设计的内容上又可分为：车辆总体设计及车辆零、部件设计两大部分。2、设计内容•方案设计阶段在方案设计阶段，参加具体设计工作的人员较少，设计工作带有轮廓性质，可作一个或数个方案。为说明方案在技术上的可行性，应有车辆总图及必要的性能说明。•技术设计阶段方案经讨论及上级主管部门审批通过后，即进入技术设计阶段。它是在上一阶段设计的基础上对设计内容的进一步细化，总体设计对各大部件的设计所提出的要求，通过部件设计反馈的信息加以协调与解决。•施工设计阶段在施工设计阶段将完成各零、部件的工作图，工作全面展开，这时须要协调、解决的多数属于零件与部件之间的问题。在设计最后阶段总体设计的工作是在各部件的详细资料的基础上重新绘制车辆总图、编写设计说明书及其它有关的技术文件。动车组总体设计确定动车组的组成方式、牵引与制动性能、结构形式、规格尺寸、主要参数和性能等。3、设计原则一、保证运输安全二、方便使用三、具有合理的技术经济指标和性能四、减少维修、保养的费用五、结构的工艺性要好六、尽量采用标准化、通用化的零、部件七、材料的来源须充足4、设计依据1.4.1车辆总图要求1.4.2技术经济指标设计1.4.3车辆的人机工程设计1.4.4车辆作业空间的分析与设计1.4.5车辆相关部件之间间隙的确定1.4.6车辆配重（1）车辆总图要求车辆总图应反映出该车的结构特点、主要尺寸及各大部件之间的位置安排、连结关系等。对于选型设计的部件，如车钩、缓冲器、空气制动装置、转向架等，应画出其结构特点及位置安排，以便与同类其它装置相区别；对于要具体设计的部件，如车体钢结构等，在设计的前两阶段则应尽量详尽，以便及早发现问题并指导该部件的设计，如在总图中反映车体钢结构的梁、柱布置及截面尺寸等；对于某些具有车辆内部设备的车种，应反映口这些设备的布置情况，根据不同情况添加平面布置图、立面布置图等；对于某些特殊的车辆，往往有一些特殊的机构，如自翻车、漏斗车等的倾卸机构、闭锁机构等亦应在方案阶段画出该机构的结构及动作范围等图纸，以说明该机构的可行。（2）技术经济指标设计1.合理选定自重系数2.尽量达到每延米轨道载重的允许值3.合理确定车辆的轴重、轴数4.全面考虑运输成本5.提高车辆运行速度，应有适当的技术贮备技术经济指标是一种由许多因素影响的综合性指标，因此必须统筹兼顾影响它的各种因素。主要因素有自重、比容系数、每延米轨道载重允许值、轴重、轴数，运输成本及运行速度等。动车组主要技术参数５．１设计速度动车组的设计速度应符合动车组型谱规定的要求。其中：用于普通干线铁路的动车组可在１２０、１６０ｋｍ／ｈ两个速度级中选择；用于快速线路的动车组可在１６０、２００ｋｍ／ｈ两个速度级中选择；用于以客运为主的快速铁路的动车组可为２００ｋｍ／ｈ速度级。５．２轴重应尽量降低轴重并符合运行线路的要求。其中：动力车轴重＜２３ｔ（≤１６０ｋｍ／ｈ）＜２１．５ｔ（＞１６０～＜２００ｋｍ／ｈ）＜２０ｔ（≥２００ｋｍ／ｈ）拖车轴重＜１６．５ｔ（≤１６０ｋｍ／ｈ）＜１６．５ｔ（双层客车，２００ｋｍ／ｈ）≤１５．５ｔ（单层客车，２００ｋｍ／ｈ）动车组主要技术参数５．３牵引性能无论是电力牵引还是内燃牵引均应满足：５．３．１剩余加速度列车的牵引功率应保证列车达到最高运营速度时尚有大于０．０５米／平方秒的剩余加速度。在部分动力设备不能发挥功率时，动车组应仍能保证列车正点运营要求。５．３．２起动加速度列车的启动加速度应满足跟踪时分的要求，其取值范围可在０．１５～０．４５米／平方秒之间。５．４动车组紧急制动距离在平直道上动车组紧急制动距离分别为：初速度为１２０ｋｍ／ｈ时≤８００ｍ初速度为１６０ｋｍ／ｈ时≤１４００ｍ初速度为２００ｋｍ／ｈ时≤２０００ｍ５．５通过最小曲线半径干线动车组１４５ｍ单车缓行及调车１００ｍ动车组主要技术参数５．６动车组总定员数５．６．１总定员数应满足运输及旅客舒适度的需要。５．６．２软座车定员单层车可为５５～６５人，双层车可为９０～１００人。５．６．３硬座车定员单层车可为７５～１２８人，双层车可为９５～１６８人。５．７轨距１４３５ｍｍ５．８拖车车体主要尺寸原则上与现有２５型客车保持一致。建议采用下列尺寸：５．８．１车体长度２５５００ｍｍ５．８．２车体宽度约３１０４或３２０４ｍｍ５．８．３车辆高度单层车４０５０ｍｍ双层车４７５０或４６００ｍｍ５．８．４车辆定距单层客车１８０００ｍｍ双层客车１８０００或１８５００ｍｍ５．９车钩中心线高５．９．１既有干线用动车组的两端的车钩中心线高度为８８０ｍｍ。５．９．２中间车钩中心线距轨面高度采用密接式车钩时８８０±３０ｍｍ＋１０其它８８０ｍｍ－５５．１０限界在既有干线上运行的动车组应符合ＧＢ１４６．１－８３《标准轨距铁路机车车辆限界》的要求。需在高速线上运行的动车组应符合９５Ｊ０１—Ｎ《高速铁路机车车辆限界技术条件》的要求。（3）车辆的人机工程设计1、人机工程设计的范畴车辆的人机工程设计主要是考虑各种作业人员所需的作业空间和作业环境，以及在某些特定姿势中能否发挥人的正常体力，以便使有关作业能高效而安全地进行。客车的人机工程设计除了要考虑工作人员的作业空间和作业环境外，主要是室内环境设计，力求创造一个符合于旅客生理和心理所需的旅行环境。2.中国成年人人体尺寸国家标准我国1988年底首次发布了“中国成年人人体尺寸”国家标准（GB10000-88）。标准提供的数据是代表从事工业生产的中国成年人的人体尺寸，其中男子从18岁至60岁，女子从18岁至55岁，均分了三个年龄段。标准中所列数据均为不着衣裤鞋袜时测量所得数据的统计平均值；同时人体所取的姿势，无论立姿或坐姿均为挺胸收腹的端直姿势。在应用这些数据时必须考虑衣着及人体可能取非端直姿势而引起的一些变化。另外，由于我国地域辽阔，不同地区的人体尺寸差异较大，GB10000-88把全国分为六个区域，每个区域各有其人体尺寸的统计平均值。故所设计的结构物若仅在某地域范围内使用，可参考该标准中的详细数据。（4）车辆作业空间的分析与设计1.车辆列检人员的作业空间分析2.货车装卸作业空间分析3.连结调车人员的作业分析（5）车辆相关部件之间间隙的确定当列车通过曲线或变坡点时，一辆车的某些部件之间以及相邻的两车辆之间，均会产生相对的运动，故需要通过必要的计算以确定各部合理的间隙。主要考虑以下三种情况。车辆通过平面曲线时，车体与转向架间的相对转动。车辆通过平面曲线时，两车端部的最小间隙及车钩的摆角。在变坡点处两车端部的相对运动.（6）车辆配重所谓车辆配重是在车辆的水平投影面上安排其重心位置的问题。调整车辆设备安放的位置，使车辆簧上部分的重心落在水平投影面的纵、横中心轴线相交点的附近。三、车体总体设计1、车体总体尺寸设计2.1.车辆总体尺寸设计2.1.1长度方向尺寸的确定2.1.2宽度方向尺寸的确定2.1.3高度方向尺寸的确定2.2.客室设计2.2.1总体要求2.2.2座车主客室设计2.3.厕所、盥洗室的设计（1）车辆总体尺寸设计2.1.1长度方向尺寸的确定2.1.2宽度方向尺寸的确定2.1.3高度方向尺寸的确定（2）长度方向尺寸的确定（一）车体内长客车车体的长度主要由客室长度（等于若干个间隔距离之和）或包房总长所决定，其余的面积则是辅助性的，如厕所、通过台、盥洗室及乘务员室等辅助面积。（二）车辆全长1.车辆全长与车体外长间的关系主要与用什么形式的牵引缓冲装置有关。2.车辆过曲线时，其端部偏向曲线外侧而中部偏向曲线内侧，尽量使这两个偏移量相等.3.车体长度与铁路限界的关系。限界对车辆最大宽度的制约问题，即车体长度增长后在曲线上的偏移量超过计算车辆的偏移量之后，就得削减车体最大宽度的允许值。（3）宽度方向尺寸的确定车辆宽度方向的尺寸主要受限界的严格控制。原则上，在设计机车车辆时只要在限界的允许范围内，都应想办法把车体设计得尽可能宽些。（4）高度方向尺寸的确定1.车辆地板面高度的确定地板面距轨面高度不能由设计者随心所欲地确定，它将受到客、货车站台高度、车钩高度及转向架心盘面高度等多种因素的制约，而且这些因素对每一种车的影响又不完全一致。，我国车辆在新造或修竣时空车状态的钩高标准值为880mm2.车辆上部高度的确定在确定各种车辆上部尺寸时牵涉到的问题不尽相同，需要按矛盾的性质用不同的方法加以考虑。2、客室设计客室设计要充分分析该客室应该提供什么功能，完成这些功能应该用什么设备，以及这些设备的形状、大小及表面质感、色彩、放置的位置等。客室设计的分析一方面要通过人机工程学中提供的人体尺寸、视觉分析、色彩知识等；另一方面还要研究现有结构的优缺点，借鉴国外的资料，参考客运飞机、大客车、小轿车中客室设计的成功经验，处理和协调好车内的各种关系；还要在列车乘务、服务人员及旅客中广为调查，征求意见，有些意见在设计人员看来十分苛刻，一时的确难以办到和实现，但必竞为客室设计提供了一个努力的方向。（1）总体要求客室设计要充分分析该客室应该提供什么功能，完成这些功能应该用什么设备，以及这些设备的形状、大小及表面质感、色彩、放置的位置等。客室设计的分析一方面要通过人机工程学中提供的人体尺寸、视觉分析、色彩知识等；另一方面还要研究现有结构的优缺点，借鉴国外的资料，参考客运飞机、大客车、小轿车中客室设计的成功经验，处理和协调好车内的各种关系；还要在列车乘务、服务人员及旅客中广为调查，征求意见，有些意见在设计人员看来十分苛刻，一时的确难以办到和实现，但必竞为客室设计提供了一个努力的方向。（2）座车主客室设计座车的主客室设计关键在于座席的安排与布置，而座席的安排和布置又与定员数和车种有关。在参考现有车辆客室座椅安排的基础上，根据座椅的安排定出客室面积。客室设计中还应充