城轨车辆司机室头罩的结构功能以及造型分析

城轨车辆司机室头罩的结构功能以及造型 城轨车辆司机室头罩的结构功能以及造型 分析 第34卷第1期 2011年1月20日 电力机车与城轨车辆 ElectricLocomotives&MassTransitVehicles Vo1.34No.1 Jan.20th,2011 ?研究开发? 城轨车辆司机室头罩的结构功能 以及造型分析 孟庆利.杨国纪 (南车株洲电力机车有限公司,湖南株洲412001) 摘要:文章介绍了玻璃钢材料的特点及头罩的性能要求,并对城轨车辆司机室头罩 的造型和某些特殊 设计方式进行总结分析,为方便今后头罩设计工作做积累和铺垫. 关键词:城轨车辆;玻璃钢头罩;性能;种类 中图分类号:U270.3;U270.4+2文献标识码:A文章编号:1672—1187(2011)01— 0021—04 Analysisofpropertiesandstylesofcabfrontmaskofmetrovehicle MENGQing—li,YANGGuo_ji (CSRZhuzhouElectricLocomotiveCo.,Ltd.,Zhuzhou412001,China) Abstract:ThispaperpresentsthecharacteristicsofFRPmaterialandthespecificpropertiesfo rcabfront mask,andsummariescommoncontourkindsaswellassomespecialdesignmethodsoffront maskofthedriver's cab,SOastoimprovethedesignworkinthefollowingdays. Keywords:urbanrailvehicle;FRPfrontmask;property;kind 1概述 城轨车辆司机室头罩一般采用整体式非饱和聚酯 玻璃钢材料,安装在A车一端,厚度为30,50mm,为 两层聚酯玻璃钢内填充泡沫的夹层结构.内侧靠车体 骨架支撑,四周与车体连接,其上装有紧急疏散门(头 罩中间部位),前窗玻璃,刮雨器,前照灯等部件. 头罩外型是整车外型设计中最重要的一部分,是 最能够体现城市精神面貌,文化传承以及城市风格的 部件,故司机室头罩的外型设计向来是整个项目的重 中之重.本文分析了不同类型玻璃钢头罩的特点以及 适用情况,还列举了国外的独特设计. 2玻璃钢性能及要求 2.1玻璃钢基本特点 玻璃钢即FRP,学称纤维增强塑料,它是以合成树 脂为基体材料.以玻璃纤维及其制品为增强材料组成 的复合材料.玻璃钢密度介于1.5-2.0gCcm,只有普通 碳钢的1/4,1/5,比铝还要轻1/3左右.而机械强度却 很高,某些方面甚至能接近普通碳钢的水平.玻璃钢有 良好的热性能,其比热是金属的2,3倍,但导热系数比 较低,只是金属材料的1/100,1/1000.表1是玻璃钢 的一些基本性质. 表1玻璃钢的材料性能 性能指标 使用环境/? 巴氏硬度 吸水性能/% 冲击韧性/kJ?. 氧指数(阻燃性能) —— 35—40 ?25 ?0.5 ?15O ?28(难燃级) 根据需要.聚脂玻璃钢可以制作成形状复杂件和 曲面结构件.可适用于头罩,侧墙板,车顶板等车辆内 装材料的使用.聚酯玻璃钢具有一定的耐腐性能,机械 强度较高.粘结力较强.同时具有一定的低压电绝缘性 能.另外在固化过程中没有挥发物逸出,能常温压成 型,具有固化施工方便的特点.模具简单,生产周期短. 收稿日期:2010—08—08 作者简介:孟庆利,2009年毕业于清华大学材料科学与工程专业,工学硕士,现从事 城轨车辆内装设计T作. 21 电力机车与城轨车辆?2011年第1期 费用相对较低,故被选作城轨车辆司机室头罩的最佳 材料. 2-2各种布毡方式的玻璃钢 由于增强材料的布置方式不同,不同类型玻璃钢 的性能也有差别,如表2所示. 表2不同类型玻璃钢的性能指标 2.3玻璃钢的耐火性 玻璃钢的耐温性和耐燃性取决于所用的树脂,长 期的使用温度不能超过树脂的热变形温度.通用的环 氧及聚酯玻璃钢都是易燃的,对于有防火要求的结构 物,要用阻燃树脂或加阻燃剂,在使用玻璃钢时应充分 注意.一般玻璃钢不能在高温下长期使用,如聚酯玻璃 钢在45?以上.环氧玻璃钢在6O?以上,强度开始下 降.近年来出现了一些耐高温的玻璃钢,如脂环族环氧 玻璃钢,聚酰亚胺玻璃钢等,但长期二r作温度也只能在 200,300?,远低于金属的长期使用温度. 3头罩及其附属部件的结构,功能特点 3.1玻璃钢头罩 玻璃钢头罩的厚度一般为341YII]I,两层聚酯玻璃 钢内填充泡沫夹层,即4.5//qlql聚酯玻璃钢+25I/1//1泡 沫+4.5lnlTl聚酯玻璃钢.需要粘接的地方(如图1所 示)要加厚到50mm,以增大粘接面积,进而保证强度. 头罩与车体骨架(如紧急疏散门立柱)也要用胶粘接, 这些部位玻璃钢可以适当加厚或减薄,保证粘接胶层 的厚度为12mm左右(胶层太薄或太厚均会影响粘接 强度).头罩与紧急疏散门底部邻近的底面,最好设计 成倾斜式,防止进水. 玻璃钢头罩的结构要满足UIC651中的抗撞击要 头罩边缘与车体粘接 22- 图l玻璃钢头罩 求.头罩能够抗划伤,易于清洁,并能抵抗PH值在5-9 之间清洁剂的腐蚀,隔声能力要满足DIN52210所规 定的38dB以上 防火是目前城轨项目中非常重视的课,它与乘 客的安全紧密相关.玻璃钢头罩应符合DIN5510(防火 等级3)的最新. 3-2前窗玻璃 前窗玻璃采用无色层压式安全玻璃.带密封边缘, 通过胶粘接固定在玻璃钢头罩上.只能从司机室外部 安装和卸除.前窗玻璃厚度一般为12mm,由外之内分 别为:4mm安全玻璃+4mmPU胶层+4mm安全玻 璃,抗冲击性能满足UIC651的规定.此外,根据UIC 651对司机视野的规定,司机室地板和前窗玻璃上边 缘的距离必须不小于1800mm. 前窗玻璃的隔音值在35dB以上.最小透光率 80%,绝缘电阻大于50M.光畸变性,耐环境稳定性, 电热性能等指标符合TB/T1451—2007的规定. 如图2所示,头罩与前窗的粘接处一般做成台阶 状,保证粘接之后前窗外表面和头罩平齐.粘胶宽度在 1611"1133以上,胶层厚度7nlnl左右.考虑到彼此配合的 美观性.头罩与前窗粘接区域的4个拐角处的倒角大 小要和前窗玻璃相应拐角的倒角大小相匹配. 【2头罩与前窗玻璃粘接 3.3紧急疏散门 一 般来说,A型地铁车辆设置紧急疏散门.紧急疏 散门可位于头罩正前方向巾央位置.也可布置在一侧. 头罩相应处做成台阶状(见图1),紧急疏散门安装后, 外表面与头罩平齐,外表面材料采用与头罩相同的聚 酯玻璃钢.边缘与头罩相邻处用橡胶条在外侧密封,防 止尘土,水等杂质进入司机室.头罩和紧急疏散门四周 边缘的间隙一般留10,15mm,四角相配合处的圆角要 协调考虑,既要满足结构上的受力要求.又要防止彼此 干涉 盂庆利等-城轨车辆司机室头罩的结构功能以及造型分析?2011年第1期 3.4刮雨器 刮雨器可以在车辆运行中清洁前窗玻璃,使司机 的视野保持清晰.其安装方式采用双轴套结构.在司机 室外固定,室内再加装螺钉起加固作用.刮雨器安装位 置比较灵活,通过粘接在头罩内表面的嵌件,将刮雨器 连接在头罩上.根据,刮雨器的安装位置会直接影 响到司机的视野,故设计时一定要确保刮雨器静止状 态下,雨刷不会阻碍司机视线. 3.5前照灯及运行灯 前照灯由外侧安装在头罩上相应的灯仓内(灯仓 粘在头罩内侧),要求四周与灯仓间隙均匀,且其外表 面与头罩外表面平齐,边缘用橡胶条密封.根据经验, 设计时应保证灯仓与司机室部件之间没有十涉,在结 构上还要考虑前照灯调焦的方便,以及更换光源的易 操作性. 运行灯一般从司机室内部安装在灯仓支架上.其 中心应和前窗玻璃上的圆形透光孔中心重合.特别需 注意运行灯后端与遮阳帘的相对位置,避免互相干涉. 4头罩的造型 按照流线型分类,司机室头罩可分为传统车型,准 流线型和流线型.国外还设计出一些独具创意的头晕 形式,准确代表了相应的城市风貌. 4.1传统车型 传统车型的头罩前表面与地面近似垂直,如上海 轨道交通2号线车辆(见图3),其外观稳重,踏实.这 种头罩的优点是有利于加大司机室内部李『日J.常见于 运行速度较低的车辆,冈为低速列车不大需要关注运 行时的空气阻力以及气动噪声方面的影响.在司机室 空间一定的情况下,头罩可以设计得比较短,有利于整 车重量的分配控制,并且节省了材料成本,也降低了司 机室内装的设计难度和施工难度. 图3传统型头罩 4.2准流线型和流线型 准流线型和流线型头罩没有明确的划分界限.这 类头罩外观灵活敏捷,极富动感效果,能够充分减少气 动噪声以及运行中的空气阻力,如上海明珠二期工程 车辆(见图4).由于要满足司机室高度等空问要求,所 以沿列车长度方向,头罩长度比传统类型长.这种结构 对于司机室内部装饰(如顶板,侧墙板等)的设计和施 工提出了更高要求. 图4上海明珠线二期工程车辆 4.3国外的个性化设计 下面列举一些设计独到的国外城轨车辆头罩.其 外型极富现代感及未来感(如图5,图7所示). (b) 5德城轨牟辆 图6里昂的全低地板有轨电车 电力机车与城轨车辆?2011年第1期 图7奥尔良的低地板有轨电车 图5中的司机室头罩看起来更像玩具.图5(a)头 罩外形动感多变,侧窗的布置风格显得随意洒脱,不拘 谨于传统的窗户定位.图5(b)头罩与车体浑然一体, 看不出明显的界限.这种列车适合于载客量不大的线 路,明显的优点是占用城市地面面积小. 图6中的头罩用于地面有轨交通系统,一般与公 路混跑.不占用城市公路交通空间.该种头罩结构简 单,视野非常开阔,外观明亮舒畅,是城市中一道亮丽 的风景线.欧洲很多国家的风格都是这样. 图7中车辆的头罩设计同样视野开阔,还具有流 线型特点,为鼓型车体.国内的鼓型车头罩在与车体外 形配合上往往不能完美地圆滑过渡,而图中的圆弧状 鼓型有轨电车堪称完美.在头罩外形,司机视野,城市 标志安放位置等方面均十分值得借鉴. 5结束语 玻璃钢密度小,成型方便,在强度,防火,降噪,隔 (上接第11页) ? 勺 \ 模} 餐 坂 亲 臻 . 址JL—.址—.址 ]f] L 一… L0,广1厂_.JT』l1 1厂u 31.563125250 频率/Hz 图10加筋在激励点处刚板辐射声功率 4结束语 本文从理论上分析了不锈钢薄板的振动和声辐 一 24一 热,抗撞击等方面均有可靠的性能.它价格低廉,可任 意改变制品颜色.十分适合制造司机室头罩这类形状 不规则的产品.头罩附属部件较多,如前窗玻璃,刮雨 器,紧急疏散门,前照灯等,既要分析每个部件性能指 标.还要保证各部件彼此间不产生干涉,故设计时需要 周密的分析. 国内地铁车辆头罩设计基本上以世界先进技术为 基础,经过自身消化吸收,逐步成长起来.整体上说,国 内的头罩设计比较中规中矩,这也是自身文化与设计 经验的双重影响所致.通过不断努力,解放思想,发掘 中华文明之精髓,传承民族文化之源泉,相信今后一定 能够设计出具有中国特色的高水平城轨车辆司机室头 罩. 参考文献: [1]GB/T7928—2003,地铁车辆通用技术条件【S】. [2]DIN16948—1975,玻璃纤维增强的热固性树脂模塑材料.特殊模塑 材料的性能[S]. [3】曾黎明,李永强.反应型阻燃不饱和聚酯树脂的合成工艺与性能研 究[J】l玻璃钢/复合材料,2004(4). [4】齐双春,赵英强.低发烟阻燃树脂性能的研究【J].玻璃钢/复合材 料,2006(5). [5]张小苹,周祝林.不饱和聚酯树脂在复合材料中的应用【J].纤维复 合材料,2008(I). [6]周杰.21年玻璃钢自然老化性能研究[J】_玻璃钢,1995(4). [7]吴良义,王永红.不饱和聚酯树脂国外近十年研究进展[J】.热固性 树脂,2006f5). 射,又通过Matlab仿真计算了钢板在加筋和附加阻尼 以后的辐射声功率,结果表明:加筋和附加阻尼都能降 低薄板结构的声辐射.通过遗传算法获得了加筋位置 对薄板结构振动和声辐射的影响规律.最后通过钢板 声辐射试验验证了加筋板声辐射计算的正确性,其分 析方法对不锈钢城轨车辆的噪声控制设计具有一定的 指导意义 参考文献: [1】方丹群,王文奇,孙家麟.噪声控制[M】.北京:北京出版社,1986. [2]陈克安.有源噪声控制fM】.北京:国防工业出版社,2003. 【3]何祚庸.结构振动与声辐射【M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社, 2o01. [4】李双.基于模态分析方法的有源声学结构研究[D】.西安:西北工 业大学.2007.