上海轨道交通15号线车辆司机室的结构设计

敬 敏

上海轨道交通设备发展有限公司 上海 200245

1 设计背景

近年来,国内城市商业区扩大,人口激增,使交通压力日益凸显。人们在出行时更趋向于选择准时准点的轨道交通,尤其在上海这样的特大型城市,乘坐轨道交通成为人们出行的首选。

国内城市加速发展轨道交通,已成为促进经济和社会发展的主要途径,轨道交通在城市交通中的占比逐步提高[1]。

在轨道交通车辆设计中,司机室的设计较为关键,设计时需考虑轨道交通车辆在运营中的多种功能需求,以及各种主要部件的科学布置[2]。根据轨道交通车辆多年的运营经验,业内提出了轨道交通车辆结构轻量化的设计要求。司机室结构比较复杂,因此司机室结构的轻量化设计尤为重要。笔者对上海轨道交通15号线车辆司机室的结构设计进行介绍,通过设计,达到了轻量化的要求。

2 司机室结构

上海轨道交通15号线车辆是全自动驾驶车辆,采用A型铝合金车体,基于模块化、轻量化进行车体结构设计[3]。含司机室头车的车体总长为24 400 mm,距轨面总高为3 730 mm,司机室总长为1 887 mm,头车车体布置如图1所示。

图1 头车车体布置

司机室属于头车车体结构的重要组成部分,主要包含前端骨架、前端外罩、内装、挡风玻璃、侧窗、紧急疏散门等部件,司机室结构布置如图2所示。

图2 司机室结构布置

3 司机室结构设计

3.1 前端骨架

前端骨架由后端圈梁、窗区横梁、逃生门立柱、端角柱、纵梁、小件等构成。在满足EN 12663-1:2010标准[4]强度要求的前提下,前端骨架的主要作用是为前端外罩、司机室内装、司机室部分电气设备及电缆提供安装支撑。前端骨架结构如图3所示。

前端骨架采用大型中空铝型材焊接结构,在设计时通过减小型材壁厚、缩减型材断面尺寸、合并小件结构等方案来减轻整个骨架的质量[5]。前端骨架轻量化设计效果较为理想,所采用的型材断面如图4所示。

3.2 前端外罩

前端外罩由车头面罩、车下导流罩、防爬器罩板等构成。在满足UIC 651—2002标准[6]抗冲击安全性要求的前提下,前端外罩的主要作用是安装挡风玻璃、前端照明、雨刮器、司机室侧窗等部件。前端外罩结构如图5所示。

图3 前端骨架结构

图4 前端骨架型材断面

图5 前端外罩结构

前端外罩采用聚氨酯玻璃钢材质,这一材质已广泛应用于国内多个轨道交通项目[7]。上海轨道交通15号线车辆司机室前端外罩采用6 mm厚聚氨酯玻璃钢糊制而成,聚氨酯玻璃钢力学性能见表1。相比较于前期项目大多数采用的7～8 mm厚玻璃钢,6 mm厚聚氨酯玻璃钢质量减轻10%～30%,同时可以减小安装支架金属件的厚度。前端外罩轻量化设计效果显著,远小于车体各部件所分配的质量。

表1 聚氨酯玻璃钢力学性能

3.3 内装

司机室内装由中顶板、侧墙板、侧顶板、检查门等构成。在符合车内美工效果和满足载荷承载的要求下,司机室内装主要作用是为驾驶员提供驾驶环境,安装司机室部分电气设备部件。司机室内装结构如图6所示。

图6 司机室内装结构

司机室内装中顶板采用12 mm厚轻质铝蜂窝结构,如图7所示。侧墙板、侧顶板、检查门采用4 mm厚聚氨酯玻璃钢糊制而成。通过严格控制聚氨酯玻璃钢糊制工艺,减小安装支架金属件厚度,达到司机室内装轻量化设计的目的。

图7 司机室内装中顶板铝蜂窝结构

3.4 挡风玻璃

挡风玻璃采用电加热夹层防爆玻璃[12],由化学钢化玻璃、聚乙烯醇缩丁醛酯(PVB)粘接层、电加热丝等构成,总厚度为14.78 mm,制造标准为EN 15152:2007[13],同时满足UIC 651—2002标准的抗冲击安全性要求。挡风玻璃的主要作用是为司机提供优良的驾驶视野,其外观如图8所示,结构如图9所示。

图8 挡风玻璃外观

图9 挡风玻璃结构

3.5 侧窗

侧窗玻璃由化学钢化玻璃、PVB粘接层等构成,总厚度为8.28 mm,制造标准为GB 18045—2000[14],满足抗冲击安全性要求。侧窗玻璃主要作用是为司机提供车外视野,其外观如图10所示,结构如图11所示。

图10 侧窗玻璃外观

图11 侧窗玻璃结构

3.6 紧急疏散门

紧急疏散门位于司机室前端中间位置,由门页、门框、行走面板、回收机构、过渡踏板、解锁手柄等组成,主要作用是在轨道交通车辆出现紧急情况时形成车厢室地面的逃生通道[15]。紧急疏散门结构如图12所示,设计参数见表2。

表2 紧急疏散门设计参数

门页采用玻璃钢材质门板与框架粘接支架连接组成,门框采用6061-T6铝型材,行走面板采用4 mm厚铝板。门页与门框连接采用多连杆结构,如图13所示。多连杆结构整体采用不锈钢材料,保证强度和使用的功能性。

图13 多连杆结构

紧急疏散门投入使用时,车内人员按照操作标志和总控台指示,手动操作打开或闭锁紧急疏散门。紧急疏散门回收机构采用棘轮结构,反向自锁。转动轴之间通过弹性联轴器连接,保证门页回收过程中两侧回收带的同步性。紧急疏散门回收机构结构如图14所示。

图14 紧急疏散门回收机构结构

4 结束语

上海轨道交通15号线车辆为全自动驾驶车辆,通过司机室结构设计,为司机提供了安全舒适的驾驶环境。

在设计过程中,对司机室各结构进行优化,在满足强度的同时减轻质量。相对于传统A型车司机室结构,上海轨道交通15号线车辆司机室结构总质量减轻约60 kg,有效实现了车体设计轻量化要求,为后续类似项目的司机室结构设计提供了参考。