动车组总体
题 目姓 名学 号成 绩
型动车车体结构分析 二〇一四年十二月
CRH2
摘要：随着国内高速铁路各方面的快速发展，原有的CRH1型动车已经满足不了国内客货重载、高速的要求。在这样情况下，为了满足铁道铁路的运营正常运行，就由南车四方、川崎重工、三菱电机、株洲所、株洲南车电机及石家庄国祥运输设备六家公司联合研发。并在2007年CRH2型获年度全国铁路科学技术奖一等奖。而车体作为容纳客货最主要部分，其结构也是动车中设计最重要部分之一。 关键词：CRH2型动车；车体结构组成；车体结构发展
1. CRH2型动车现状
CRH2系列为动力分布式、交流传动的电力动车组，采用了铝合金空心型材车体，主要型号有：CRH2A、CRH2B、CRH2E型。直至于2014年7月，共有314组CRH2系列动车组已出厂，编号分别为CRH2-001A ～ CRH2-060A、CRH2-061C ～ CRH2-110C、CRH2-111B ～ CRH2-120B、CRH2-121E ～ CRH2-140E、CRH2-141C ～ CRH2-150C、CRH2-151A ～ CRH2-204A、CRH2-206A ～ CRH2-208A、CRH2-211A ～ CRH2-317A。CRH2型动车，在国内铁路局都有配属。
2. 车体结构作用
车体是车辆上供装载货物或乘客的部分，又是安装与连接车辆其他组成部分的基础，同时还必须为广大旅客提供安全、舒适的乘坐空间。
3. 主要技术参数及其结构特点 3.1 主要技术参数
动车组采用4动4拖共8辆车编组的形式，车体结构主要分为头车车体和中间车车体两种。头车车体有底架、侧墙、车端墙、车体附件及司机室头部结构组成，中间车车体由底架、侧墙、车顶、端墙及车体附件组成。下面是车体主要技术参数： 长度 头车 25450mm 中间车 2450mm 宽度 3380mm 高度（轨距面） 3700mm 转向架中心距 17500mm 地板面距轨面高度 1300mm 车钩锯轨面高度 1000mm 车体弯曲固有频率 ≥10Hz
3.2 车体结构特点
由于采用采用双壳结构和铝合金材料，使车体具有以下特点： 车体结构特点
（1）车体断面：宽幅车体，车体横断面最大宽度为3380mm， 高3700mm，地板面距离轨面为1300mm，设备仓底罩距离轨面为200mm。 （2）车体结构采用双壳结构，大幅减少零件数量，其刚性高，降噪效果好，乘车舒适性好。
（3）质量比钢制车体轻，大幅降低轴重，从而降低运营成本。 （4）车体使用铝合金材料，可回收，对环境损害低，寿命周期成本低。
（5）防腐性好，可以实现无涂装设计。 （6）采用不燃性材料，防火性能好。
（7）能扩大自动化焊接范围，提高生产效率，降低制造成本，提高质量。
（8）在部分中空铝型材的中空空腔内部贴有防振材料以达到隔音减振的目的。
4. 车体结构
4.1车体结构组成
CRH2型动车车体主要由底架、侧墙、车顶、端墙、车体附件等组成： （1） 底架：
CRH2车体底架分头车架和中间车架。头车底架由车身底和车头底架两部分组成，T1c车底架如图4.1.1所示。中间车底架只有车身
底架，如图：车
身底架包括牵引梁、枕梁、侧梁、端梁、横梁、和波纹地板等组成。
侧梁采用通长铝合金挤压型材拼焊而成。
中梁主要由铝合金挤压型材和铝合金板焊接而成，车钩安装部位用铆钉铆接铝合金板加强，并为车钩安装设置相应的安装座。
枕梁由铝合金挤压型材和铝板焊接而成，枕梁为转向架安装提供相应结构，枕梁外侧有抬车座。
端梁由铝合金挤压型材和铝合金板焊接而成。
横梁为铝合金挤压型材。 （2） 车顶及侧墙：
车顶及侧墙采用大型中空框架结构的挤压型材，不设车内侧立柱。型材之间的焊接为在车体长度方向上连续焊接的方式，侧墙和车顶及侧墙和侧梁之间的连结采用车内侧点固焊接，车外侧连续焊接。
在车体的高度中间位置、行李架位置和侧顶板的安装位置，
通长挤压型材上设置了通长的T型槽，便于内装部件的安装
（3） 端墙：
根据车辆厕所和洗面所的布置主要分为两种结构形式，整体式和
分体式两种结构。 车体端部设有盥洗间和厕所的端墙使用厚4mm的外板，骨架较少，外板上设有用于搬运卫生间的开口，搬运完后，用螺栓安装由厚2.5mm铝外板和骨架组焊接而成的闭塞板，并填充密封材料保持气密性。车端没有盥洗间和厕所的端墙使用厚2.5mm外板和型材骨架构成的焊接结构。
整体式为两端角柱，两门立柱，门上横梁，门槛及端顶弯梁拼焊成框架外面铺墙板构成，然后根据结构需要在内部增焊纵向梁和小横梁。
（4）头部结构：
头部结构形状对列车运行的空气阻力、气动噪音、列车交会压力波、隧道微气压效应及移动压力场等影响较大，是影响列车空气动力
学性能的关键因素。头部结构按车头断面形状变化将纵骨架形成环状，与横向骨架叉接组焊，骨架外焊接铝板。纵向为双曲拱面，横向
为五曲拱面，具有良好的气动性能。
CRH2型动车组头部结构设计利用现代的流场计算CFD软件进行三维建模分析，并进行模型的风洞试验和三维隧道驶入分析。
（5）型材地板：
型材地板采用通长挤压铝合金型材，型材预设坡口及搭边，便于焊接。型材截面采用平板和丁字型筋板相组合的结构形式，提高型材的强度、和刚度。
（6）设备仓：
保证动车组具有良好的动力学性能和防止高速运行时石击发
生，车下设备外设有设备仓，设备仓由裙板、底板（采用不锈钢板）、
骨架、端板和防雪板等组成。
为满足动车组轻量化设计要求，骨架、裙板采用铝合金材料，利用大设备底面作为设备仓底板，利用设备底部安装座安装底板减少骨架设置；考虑限界、转向架弹簧挠度、空簧无气状态、轮缘磨耗等因素，设备仓底面至轨面高度为200mm。
安全性：在动车组运行中不会脱落。
操作：在构造上应当拆装方法简单、轻量化设计。
维护性：设备的维护检修容易。 强度标准：
裙板：3750Pa（包括安全率1.5倍） 底板：3150Pa（包括安全率1.5倍）
（7）前罩开闭装置：
CRH2头车设有前罩开闭装置如图。该装置可通过自动控制实现
开闭，在打开状态下可以露出车钩装置，完成车辆连挂。玻璃钢前罩分左右，闭合后外形圆滑过渡。前罩动作部分采用气缸驱动，气缸分开闭气缸和锁紧气缸，开闭气缸完成前罩开闭动作，锁紧气缸完成对机构的锁固，维持开闭状态。
动作部分主要由主体框架、气缸、直线轴承、滑板、推拉杆、安装翼、锁紧装置等组成。
（8）前头排障装置：
CRH2在头车车体的前端设置结构坚固的排障装置，该装置能在排障时撞飞障碍物，绝不允许障碍物卷入转向架下。出于保护车体人员及车体安全的目的，即使造成装置损坏也要保证车体不受损或只轻
微受损。
排障装置由排障板、橡胶排障装置、排障板盖板、缓冲板、缓冲板支撑、缓冲板安装座等部件组成。其中，抗冲击结构外板为钢板制成的排障板，在排障板前端下缘设排雪犁。排雪犁的下部装有辅助排障橡胶，起辅助清扫轨面的作用。缓冲板是铝板叠成结构，装在排雪犁的后方，可以通过自身的变形吸收冲击能量。
缓冲装置：在轨距内由于和障碍物的冲撞、排除，为缓和车辆所承受的冲击力，在排障器后方有适当的间隙，并设有缓冲装置。
橡胶排障装置：橡胶排障装置设在排障器下方左右轨道位置，能排除运行中钢轨顶面上的小障碍物。
4.2 车体气密性
4.2.1车体气密性要求
高速列车特别是在隧道内高速运行以及列车交汇时，车体结构上要承担较大的交变压力载荷。同时这种压力变化会引起车内的压力变化，从而使乘客耳朵产生耳鸣、疼痛感，严重时甚至会击穿耳膜。
因而高速车辆须保证良好的气密性。高速车辆的车体结构中，应该采取密封处理的部位必须采用全面连续焊接或打密封胶，并能够承受由压力变动而形成的反复应力。 CRH2型动车组车体结构的气密耐压载荷为8kPa。侧墙及车顶结构采用通长中空大型铝型材构成，外部采用气密焊接保证其气密性。实车试验表明CRH2型动车组车体有良好的气密性。
4.2.2 车体气密性试验 车体气密性试验为例行试验，目的是研究评价车体组焊完成后是否满足气密要求。 列车在高速运行时，车体四周要不断承受正负气压。不同运行速度承受的气压值不同。CRH2型动车组要求运行速度为200km/h，试验载荷规定为4kPa。如试验发现有漏气现象，漏气部位可通过加焊或涂抹密封胶等措施处理。 气密试验考核指标为车内压力从4kPa降至1kPa所需时间t（衡量标准值t≥50s）。CRH2型动车组各车辆试验测得所需时间均大于100s ，满足气密性要求。
4.3空气动力学对车体结构的影响
因为车头结构形状直接会对运行空气阻力、气动噪声、列车交汇压力波、隧道微气压效应及移动压力场等影响较大，是影响空气动力学性能的关键因素，所以要对它进行空气动力学分析。 考虑影响因素： 车辆相关空气动力学现象 空气阻力 侧风的影响 隧道 隧道、地下铁路内的压力、风速变动 作用于车辆的非恒定力 微气压波 空气动力噪声 影响因素 速度提升，节能 强风时的安全性、运行限制 舒适度 乘坐舒适度 环境问题 环境问题（噪声） 表.车辆空气动力学现象的影响因素 根据一系列计算得出的各种结构模型试验结果下图4.3.1，确定最终车头形状和车下裙板等结构外形，经过设计、试验后最终确定CRH2头型。
图4.2.1车下形状与中间车辆的空气阻力
车头形状3D模型
4.4车体结构强度计算分析
车体结构的强度分为承受垂直载荷、车端压缩载荷等的静态强度以及承受垂向振动、气密交变载荷等的动态强度。静强度计算以材料弹性极限为标准值，动态强度以材料的疲劳强度为标准值。在工程实际中，评估动态强度时的应力是加载交变载荷的最大应力。为此，动态强度也可以参照静态强度的评估方法，可以将发生附加载荷的应力与标准值相比较，由此来进行评估，即采用“动化静”的方法。 CRH2型动车组选择了1号车(T1C)、6号车(M2)和7号车(M1S) 3个车种进行强度验证分析。T1C车车体有限元分析模型如下图4.4.1
T1c车体有限元分析模型
通过分析计算，CRH2型动车组车体结构满足强度、刚度要求。
5. 车体发展方向
5.1合理设计车体结构外形尺寸与断面形状
在一定的限界条件下，车体结构外形尺寸与断面形状是相互关联的。因此，应合理设计车体结构外形尺寸和断面形状，尽可能增大车内空间，增加载客能力或提高乘坐舒适度（增加乘客活动空间）。在特定区域运用的车辆，可根据该区域的限界进行车体结构外形尺寸和断面形状设计，以充分利用限界。
3.2平台化、模块化设计
建立铁路客车车体结构设计平台，采用模块化设计方法，可以节省大量的设计开发时间，使交货期大大缩短，有效降低制造成本。
5.3轻量化设计
车体结构轻量化具有降低能耗、降低运营成本、减小轨道损伤、增加载重量（乘客或货物）等优点。我国干线铁路客车采用碳钢车体，车体结构较重，轻量化设计的余地较大。
5.4开发混合复合材料车体结构
最近１０多年来，国外已研制了混合复合材料车体结构。并且，国外还在进行全复合材料车体结构的研究。车体结构部分或全部采用复合材料，可大大降低车体结构的重量。因此，我国开展混合复合材料车体结构的研制已迫在眉睫。
5.5采用新的制造工艺
近年来，铝合金摩擦搅拌焊、不锈钢激光焊和金属间的胶接技术已在其他行业获得广泛应用。另外，还有一种由粘接和点焊组合的粘焊复合技术，也具有类似于胶接技术的优点。因此，我们应该积极利用其技术优点，探讨和积极推进其技术在铁路客车车体结构制造中的实际应用，对提高车体结构的制造质量和生产效率有着十分重要的意义。 6、总结
通过上述对CRH2型车车体进行介绍，是我更加深刻的了解了车体结构的组成及其各部分功能、空气动力学对车体运行的影响等。除此之外，还对未来车体发展方向做了说明，总之，在未来的中国，动车一定会成为陆运主要方式，车体结构的研发还有很长路走。
参考文献
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