整体玻璃钢前端技术在城市轨道车辆中的应用

马艳波（中国北车集团长春轨道客车股份有限公司，吉林长春

作者简历：马艳波（1976-），男，吉林省农安县人，大学本科，工程师，主要从事城市轨道车辆总体研究工作。摘要：基于整体玻璃钢前端技术在城市轨道车辆中应用情况，文章介绍整体玻璃钢前端技术在城市轨道车辆中的研发历程，通过对整体玻璃钢前端技术的优缺点比较分析及对不同接口形式的整体玻璃钢前端结构的可应用性进行探讨和研究，文章所列举结构可为城市轨道车辆的前端设计提供参考和依据。关键词：城轨车辆；前端；整体玻璃钢；接口形式目前，整体玻璃钢前端在城轨车辆中的应用日趋成熟。天津滨海快速车、武汉轻轨车、北京国产化不锈钢车、伊朗北延线车、天津地铁车、北京地铁5号线是目前已经完成设计并投入生产的玻璃钢前端的城市轨道车辆项目。本文主要以项目为例对比整体玻璃钢前端与金属前端的不同，探讨和研究各种不同接口形式的整体玻璃钢前端的优缺点。1技术优缺点分析1.1技术难点为满足客户要求，城轨车辆设计对前端造型的要求越来越高。流线型前端的出现给生产制造带来了严峻的考验：①前端钢结构焊接后变形较大，前端与车体接口断面外形状尺寸难保证；②自由曲面使前端窗口成为立体的三维结构，安装和焊接的工艺性极差，且不能很好的保证外形状尺寸，造成钢结构窗口与前端窗口的吻合度不好，影响前端的外观质量。所以天津滨海快速、武汉轻轨、北京国产化不锈钢车、伊朗北延线车、天津地铁车、北京地铁5号线等车辆的前端均采用了整体玻璃钢前端和随外形变化的玻璃钢内装结构。1.2技术实现方法目前，玻璃钢外罩的生产一般采用手工糊制的方法，容易控制流线型前端外形曲面。由于是用同一模具整体成型，故批量生产时不会出现不同缺陷的可能。玻璃钢外罩的模具的加工分两步，第一步是要制作凸模，第二步是利用加工好的凸模手工翻制玻璃钢凹模，翻制好的凹模才是糊制玻璃钢外罩的最终模具。制作凸模有两种方法：一种是传统的手工制作木模的方法；另一种是数控加工合成树脂（俗称代木，是将模型糊SH6403A与模型糊SH6405B按比例合成的一种树脂类材料）模具的方法。两种制作凸模的方法各有优缺点：①手工制作木模的方法工艺简单，成本较低。但手工制作的木模的精度较低，前端造型上的细部特征往往会在拼制木模、打磨和刮腻子的过程中被破坏。②数控加工合成树脂模具的方法，制作出的模具的精度较高，但成本也比较高（往往是手工制作木模的方法的3倍左右）。1.3优缺点比较根据材料不同，前端骨架可分为钢结构骨架和铝结构骨架。采用钢结构骨架的前端，可在玻璃钢外罩与前端钢结构组装完毕后，再进行总组成焊接。而采用铝结构骨架的前端，只有在铝结构骨架与其它车体大部件（车顶、底架侧墙钢结构）进行总组成焊接后，才能安装玻璃钢外罩。原因是铝结构在焊接时会产生大量的热量，会对玻璃钢外罩物理性能产生影响。从结构形式上分，前端骨架可分为板梁结构形式和框架形式。武汉轻轨车前端采用板梁结构形式的铝结构骨架，天津地铁车前端采用了框架形式的铝结构骨架，天津滨海快速车、北京国产化不锈钢车、伊朗北延线车和北京地铁5号线的前端采用的均为框架形式的钢结构骨架。板梁结构形式的前端骨架（武汉轻轨车前端骨架见图）有如下特点：板梁由数控机床切割而成，零件外形尺寸准确。组焊时有插口相互对应拼接，焊接后骨架的外形尺寸能够得到很好的保证。同时，由于前端骨架外形尺寸能够得到保证，所以骨架与玻璃钢外罩之间的安装距离比较小，节省了大量的司机室空间。板梁结构形式的前端能把受到的外部应力分散到各个板梁上.框架形式的前端骨架（以伊朗北延线车前端骨架为例，见图1）。以上结构有如下特点：结构简单，零件的断面大，更容易满足车体对前端的强度和刚度的要求。但它的缺点是前端组焊时焊接变形大，导致外形尺寸的误差就大。所以框架结构形式的前端需要较大的空间来安装玻璃钢外罩和司机室内装墙板。因此，整体玻璃钢外罩在前端组成时的工艺性比普通碳钢或铝外皮结构的前端的工艺性好的多；球面大挡风玻璃与窗口形状保持良好使得前端玻璃安装十分方便；整体玻璃钢外罩在车体总组成时与其它各大部件的外形尺寸的配合也很好处理。2接口优缺点分析整体玻璃钢前端结构的主要缺点在于接口复杂、车体总组成后的密封要求高，所以大大的增加了设计的图纸量和设计难度，尤其突出的缺点在于钢结构的断面小，致使钢结构的强度受到极大的影响。天津滨海快速车是最早使用整体玻璃钢流线型前端的车辆。设计时，为确保整体玻璃钢外罩在车体总组成时的工艺性，前端骨架钢结构与玻璃钢外罩之间保留了53mm的结构间隙（窗口处的理论间隙为47mm），较大的结构间隙致使门立柱和窗口钢结构等应力集中的地方强度不容易保证。而受门立柱与玻璃钢的连接方式的影响，门立柱处的结构间隙不能缩小，且窗口处随形的钢结构与玻璃钢窗口的配合误差大，故窗口处的理论间隙无法减小。所以前端骨架钢结构和玻璃钢外罩的接口形式与前端墙的强度之间的矛盾是天津快速车整体玻璃钢前端的主要缺点。为解决上述问题，武汉轻轨车、北京国产化不锈钢车和伊朗北延线车等后续车辆在设计时采用了如图2所示的接口形式。以上接口形式避免了前端组成时钢结构正对着玻璃钢外罩上预埋件的情形，增加安装精度。同时铝型材滑槽与连接角铁的使用简化了结构形式和安装的难度，因此保证了铝结构与玻璃钢外罩之间的理论间隙控制在30mm以内。这种接口形式提高了玻璃钢外罩组成时的工艺性，特别是窗口处在铝结构组成和车体总组成时的工艺性。所以以上的接口形式是很值得在以后的设计中推广使用的。3结语整体玻璃钢前端结构已经在城轨车辆得到广泛的应用。但仍然存在许多不成熟的地方，随着城轨车辆的发展，必将摒除缺点，继承并发扬以上的优点。最终完善整体玻璃钢前端及其接口形式，以适应城轨车辆模块化设计的要求。参考文献：[1]Q/CC32-004-95,玻璃钢制品通用技术条件,长春轨道客车企业标准[S].[2]TB/T1451-2007,机车、动车前窗玻璃,铁道部标准[S].[3]严隽髦.车辆工程[M].成都:西南交通大学出版社,1999.[4]陈骥.钢结构稳定理论与设计[M].北京:科学出版社,2001.