车体分有司机室车体和无司机室车体两种。它是容纳乘客和司机驾驶(对于有司机室的车辆)的地方,又是安装与连接其它设备和部件的基础。近代城市轨道车辆车体均采用整体承载的钢结构或轻金属结构,以达到在最轻的自重下满足强度的要求。一般均有底架、端墙、侧墙及车顶等。

城市轨道交通车辆的车体与一般铁路客车有许多相同之处,但由于其特殊的用途,又有其特有的特征:

1)一般为电动车组,有单节、双节和3节式等,有头车(即带有司机室车辆)和中间车,以及动车与拖车之分。

2)由于服务于市内公共交通,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。

3)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。

4)为使车体轻量化,对于车体承载结构一般采用大型中空截面挤压铝型材,或高强度复合材料,或不锈钢,构成整体承载筒形结构,对车体其它辅助设施尽量采用轻型化材料。

5)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。在车体的结构及选材上采用防火设计和阻燃处理。

6)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。

7)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。

一般车体承载结构的重量约占车辆自重的20%~25%,传统的铁路客车车体均采用由普通碳素钢制成的有众多纵、横型材构成的骨架和外包板结构,形成一个筒形薄壳整体承载结构(如下图),一般自重达10t~13t。普通碳素钢车体使用中腐蚀十分严重,增加了维修的工作量和开支。为了提高车体的耐腐蚀性,延长车体的使用寿命,现在推广应用含铜或含镍铬等合金元素的耐腐蚀的低合金钢材料,可使车体钢结构自重减轻10%~15%。

采用半不锈钢(包板为不锈钢,骨架为普通碳素钢)或全不锈钢车体,免除了车体内壁涂覆防腐涂料和表面油漆,在保证强度、刚度的前提下,板厚可减小,从而达到车体薄壁化、轻量化,简化了工艺,减轻了重量,同时也提高了使用寿命。一般不锈钢车体自重比普通碳素钢可减轻1t~2t。

为了进一步实现车体轻量化,德、日、英等国在近代高速列车、地铁车、轻轨车和近郊客车上采用铝合金车体。由于铝合金的比重仅为钢的七,而弹性模量也为钢的担,为了充分发挥材料的承载能力,铝制和钢制车体在结构形式上有很大的差异。在铝制车体结构设计中,车体主要承载构件一般采用大型中空截面挤压铝型材,以提高构件的刚度,充分发挥材料的承载能力,达到最大限度地减轻车体自重。全车的底架、侧墙、车顶均采用大型中空截面的挤压铝型材拼焊而成,比之钢制车体焊接工作量减少40%,制造工艺大为简化,重量可减轻3t~5t。可保证车体承载结构在使用期内(25年~30年)不维修或少维修。

一、车体

车体支撑于两个转向架之上,用以装设座椅、扶手、车门、车窗、空凋等车设备。

(一)车体基本结构

车体为底架、侧墙、车顶、端墙等组成整体承载的壳型结构。

1.底架是车体的基体,它是由大型铝合金挤压型材焊接而成。这样的结构,刚度分布比较均匀。底架的主要作用是承受车体上部载荷并传递给整个车体。承受因各种原因而引起的横向力、纵向力和走行部传来的各种振动和冲击。

2.侧墙是决定车体宽度和高度的重要部件,是用带有纵向梁的铝合金挤压型材焊接而成。侧墙由上墙板、下墙板、窗间墙板三部分组成。

3.车顶

车顶是由弯梁和圆弧形纵向顶板组成,是由铝合金挤压型材焊接而成。

4.端墙

端墙是设置在车体两端由弯梁、车厢贯通道立柱,墙板组成。

为提高车体耐橱蚀能力,在组焊前,型材及板材均进行良好的防腐预处理。另外,在车外侧还有不饱和聚酯腻子或环氧酯腻子、环氧中间层漆、丙烯酸改性高档面漆;车内侧还喷涂2~5mm厚的阻尼隔声防腐浆和丙烯酸类密封漆。车顶、侧墙、端墙内外板之间敷设超细玻璃棉j作为隔音隔热减震材料。

车体种类多种多样,按使用的主要材料可以分为普通碳钢车体、高耐候结构钢车体、不锈钢车体和铝合金车体;按承载方式分,可以分为底架承载、侧墙承载和整体承载三种方式;按结构形式分,有板梁组合结构、开口型材与大型中空型材组合结构、大型中空型材结构三种形式,这些结构都属于整体承载结构;按结合方式分,有焊接、铆接、螺栓连接或混合连接结构,我国和日本大多采用焊接结构,欧洲多采用焊—铆接或焊接一螺栓连接结构;按车体组合方式分,可以分为一体化设计和模块化设计。如广州地铁一号线车辆采用的是一体化设计,而二号线采用的则是模块化设计。

(二)典型车体

下面简单介绍几种典型的车体。

1.钢制车体

国内生产的铁路客车以及北京地铁车辆基本采用钢制薄壁筒形整体焊接结构。地铁车辆车体由底架、侧墙、车顶和端墙组成,必要时设司机室。这几大部件单独制成后再焊接形成车体整体结构。

2.不锈钢车体

不锈钢车体耐腐蚀性好,强度高。在保证强度和刚度的前提下,车体钢板厚度可以减薄,其结构形式与钢制车体相似,从而实现车体的薄壁化和轻量化,可使车体重量减轻为钢制车体的20%~25%。另外,车顶板、侧墙板和底板一般都采用成型的波纹板制成,克服了薄板平整度难于保证的缺点,同时满足强度的需要。

采用不锈钢车体,免除了内壁涂覆防腐材料和表面油漆,在保证强度、刚度的的前提下,板厚可减小,从而达到车体薄壁化、轻量化,简化了工艺,减轻了重量,同时也提高了使用寿命。

一般不锈钢车体自重比普通碳素钢可减轻1~2t。

3.铝合金车体

为了进一步实现车体轻量化,德、日、英等国在近代高速动车组、城市轨道车辆上采用铝合金车体。由于铝合金的比重仅为钢的1/3,而弹性模量也为钢的1/3,为了充分发挥材料的承载能力,铝制和钢制车体在结构形式上有很大的差异。在铝制车体设计中,车体主要承载构件一般采用大型中空截面挤压铝型材,以提高构件的刚度,充分发挥材料的承载能力,达到最大限度地减轻车体自重。全车的底架、侧墙、车顶均采用大型中空截面的挤压铝型材拼焊而成,比之钢制车体焊接工作量减少40%,制造工艺大为简化,重量可减轻3~4t。可保证车体承载结构在使用期内(25~30年)不维修或少维修。

4.模块化结构的车体

就车体结构而言,几十年来国内外都采用全焊接结构,即底架、车顶、侧墙和端墙均为焊接而成,上述部件组装时也采用焊接工艺。随着技术发展,一种不同以往的模块化结构车体已经逐渐被采用。

模块化车体与整体焊接结构车体相比,最显著的特点即将模块化概念引入车体设计、制造与生产管理的各环节之中。整体焊接结构车体是先制造车体结构的车顶、侧墙、底架、司机室等部件,然后进行整个车体总成焊接,总成后再进行内装、布管与布线。模块化车体设计是将整个车体分为若干模块,在每个模块的制造过程中完成整车需要的内装、布管与布线的预组装并解决相互之间的接口问题。各模块完成之后即可进行整车组装。每模块的结构部分本身采用焊接,各模块之问的总成采用机械连接。

模块化结构有如下优点:

(1)在每个模块的制造过程中均注意验证其质量。模块制成后均须进行试验,从而保证整车总装后试验比较简单,整车质量也容易保证。

(2)由于每个模块的制造可以独立进行,并解决了模块之间的接口问题,因此,复杂的和技术难度大的模块和部件可以由国外引进,其余模块和部件在用户本地生产。另外,对总装生产线要求不高,这均有利于国产化的逐步实施。

(3)可以改善劳动条件,降低施工难度,提高劳动效率,保证整车质量。

(4)可以减少工装设备,简化施工程序,降低生产成本。

(5)在车辆检修中,可采用更换模块的方式进行,方便维修。

国外在模块化车体的设计、制造、试验与生产管理过程中已形成了整套的经验,从而保证,批量生产的质量。

二、车内设备

(一)客室侧门

为适应大客流、停车时间短的需要,客室侧门的宽度都比较大(一般为1300~1400mm),数量也比较多(一般4~5对/辆)。

按车门形式有塞拉门、外挂门和内藏门之分;按驱动形式来分,有电动门与风动门两种。香港的旧车多用风动外挂门,北京和上海地铁一、二号线及广州地铁一号线使用气动式内藏门,香港机场快线采用电动塞拉门,深圳铁车辆也采用电动塞拉门。

1.气动式内藏门

北京地铁一、二号线及复八线,上海地铁一、2号线和广州地铁一号线采用内藏门;在门上方设置有一套气动机构,由风缸、滑轮、铝合金导轨、钢丝绳等组成,地板上也设有导轨,使车门在风缸的驱动下,沿上下导轨平滑运动。开关门的速度及压力町以通过调节节流阀来实现。风缸内设有大小两种活塞,开始关门时大活塞起作用,压力大、速度高,接近关闭时,小活塞起作用,压力小、速度慢。滑轮轴承均采用球轴承,以降低开关门噪声,车方还设置一套紧急解锁装置,以便在紧急情况下能从客室内直接打开车门。门板由铝框架和夹层铝板制成,门窗采用单层玻璃,两门之间采用氯丁橡胶条双层密封,四周采用单层懈封,板具有足够强度与刚度。

2.外挂门

目前国内地铁车辆尚未广泛采用外挂门,只有广州地铁铁二号线开始采用这种车门。该型车门与内藏门相似,传动机构也设在车内门上方,不同的是无论是开门或关门状态,门板总是挂在车体外边。通过一个吊装机构,穿过车体与驱动机构相连。

3.塞拉门

借助于车门上端的传导机构和导轨,车门开启状态时车门门扇贴靠在侧墙的外侧,车门在关闭状态时,门扇外表面与车体外墙成一平面,这不仅使外观美观,而且也有利于在高速行驶时减少空气阻力,车门不会因空气涡流产生噪声。

在车门上方设有门扇导轨,风缸带动连杆机构使门扇沿着导轨滑移。其驱动装置有螺杆和齿带传动两种。电压一般为DCll0V,车门有效开度为1400mm,门口高度为1860mm,由驱动装置、旋转立柱和门板等组成,除旋转立柱和门板之外,其余部件多数是先组成一个整体组件,预调后安装在车门上方。

(二)端拉门

端拉门是安装在客室端部的手动拉门,由门扇、门扇吊挂、上导轨、防跳轮、自动复位机构、连杆组成、侧导轨组成、防风条组成、门挡组成等组成。其动作是:

当把端拉门拉到全开位置时,在门止卡的作用下,门将保持全开位置不动;当端拉门未拉到全开位置,即中间某一位置时,则端拉门在自动复位机构的作用下,可自动关闭。并且由于有自动复位机构的作用,端拉门本身不会因动车组的振动而自动开启。

(三)疏散门

疏散门的功能是为了在紧急情况下打开,使乘客安全转移。一般设在司机室前端正中央,其结构各有不同。疏散门主要由弹簧杆1、连杆2、安全疏散梯3、伸缩板4等组成。

(四)车窗

一般在客室侧门之间设有车窗,就其结构形式而言,有单层玻璃、双层玻璃之分;有有楣窗与无楣窗之分;有有窗框与无窗框之分;还有连续式与非连续式之分。如上海地铁一号线,就是有楣窗、有窗框的结构;广州地铁就是无楣窗、有窗框结构,它们都是用氯丁橡胶条固定在车体上。香港机场快线采用连续式车窗,深圳地铁也将采用这种结构。

(五)座椅、立柱和扶手

为了多站乘客和上下车方便,一般在两门之间设置通长的纵向座椅,座椅骨架采用铝合金、不锈钢或耐腐蚀钢制造,固定在地板和侧墙上。座盘、靠背一般采用不锈钢制成,应符合人体工程学的要求。每个座位应能承载100kg。在客室内设有立柱和扶手,一般采用不锈钢或经喷塑处理的铝合金管制成,必要时在立柱之间可设置横梁和吊环,其颜色与客室装饰统一考虑。

(六)空调装置

城市轨道车辆的每节车一般配有两台独立的车顶一体式空调机组,用于客室、司机驾驶室的空气调节。正常情况下,由空调机组提供给每节车的总风量为8500m3/h,自动模式下,每节车的空凋会根据环境气候条件来决定机组的工作方式,并自动涮节机组的制冷量,保证客窜的温度不高于27℃,相对湿度不大于65%。宅调机组的出风口与客室顶部的主风道通过软风道连接,窄调机组处理后的牵气经车内主风道由送风口送达客室,起到调节车内空气温度、湿度的日的。

空调机组为集中式单元空调机组,安装存车辆顶部,其顶部弧度与车体顶部相一致,使整个车辆顶部外形一体化。单元式空调机组由于主要部件集巾布置,结构紧凑、体积小、互换性好;因缩短了连接管路,减少了管路的泄漏,且便于检修和维护。

1.单元空调机组的组成

如图5—20所示,主要有压缩机、止回阀、冷凝器、过滤器、毛细管、蒸发器、蒸发器风扇、冷凝风扇、低压开关、高压开关、温度传感器、电磁阀、维修阀等组成,其中核心部件为:压缩机、冷凝器、毛细管(热力膨胀阀)、蒸发器。

(1)制冷压缩机。制冷压缩机的作用是将来自蒸发器的低温、低压气态制冷剂压缩成高温、高压的气体。空调机组的制冷压缩机采用的是全封闭螺杆式压缩机,压缩机、螺杆机构及供油系统组装在一个密封的机壳内。螺杆式压缩机具有结构简单、易损件少、压缩比大、对湿压缩不敏感、平衡性能好等特点。

由于螺杆具有较好的刚性和强度,吸、排气口又无阀片,故一旦液体制冷剂通过时,不容易产生“液击”。

(2)冷凝器。冷凝器为主要的热交换设备,高压、过热的制冷剂蒸汽在冷凝器中放出热量后,凝结成饱和液体或过冷液体。

为了增强换热时的空气流动循环,空调机组采用强迫通风的对流冷却,并通过两台轴流式风机来强化制冷剂在冷凝器中的凝结放热过程。两台轴流式风机通过引接高压处的压力,由控制器根据压力变化情况来控制风机的启停和运转台数。

(3)毛细管(热力膨胀阀)。毛细管和热力膨胀阀都是节流设备,但热力膨胀阀功能更强,结构也更复杂。膨胀机构位于冷凝器之后,它使从冷凝器来的高压制冷剂液体在流经膨胀机构后,压力被降低而进入蒸发器。它除了起节流作用外,还起调节进入蒸发器制冷剂流蜒的作用。通过膨胀机构的凋肯,使制冷剂离开蒸发器时有一定的过热度,避免制冷剂敞怀进人压缩机。

(4)蒸发器。制冷剂在蒸发器内为汽化吸热过程。在蒸发器中,来自膨胀阀出口处的制冷剖,通过分配器从管子的一端进入蒸发搽,吸热汽化,并在到达另一端时让制冷剂全部汽化,从而吸收管外被冷却夺气的热量,空气的热量被蒸发器内的制冷剂吸收后温度降低,达到冷却空气的目的。

2.空气处理过程

空调系统采用的是上送侧旧式送风方式,车外的新风通过新风口的挡水百页窗和金属过滤网被吸入,并与部分来自客室的回风混合后被过滤,字气被过滤后进入蒸发器,空气经过蒸浚器后被降温、去湿,被送风机送到风道内,然后沿车上的送风道、送风口到客室,客室内的一部分空气从坐椅下方及车内墙板的后面导向车顶排出车外,另一部分通过叫风道成为回风,成柏环空气。在蒸发器被冷却、除湿了的空气通过机组的两台离心通风机吸入后,被输送到客量的送风道中,并通过风道均匀地被分配到整个车厢中。空调系统分别在客室、新风入口、送风管道处设有温度传感器,用于监测客室温度、环境温度和已处理空气的温度,通过对温度采样值的判断来控制空调机组的运行模式。