动车组司机室结构设计概述20120419

动车组司机室的结构设计概述王建新周建烽刘金生（青岛四方庞巴迪铁路运输设备有限公司工程部266111）[摘要] 本文从动车组的设计角度，论述了司机室的结构组成，设计要点和注意事项，同时介绍了一些司机室中常用的材料及其应用，最后对司机室的结构设计的发展方向提出一些观点。

[关键词] 动车组司机室结构设计在几次铁路大提速的前提下，我国动车组的设计和制造能力取得了举世瞩目的成就，通过技术引进，消化吸收，再到国产化，广大的工程技术人员已经具备了动车组的设计、制造、试验和运用等方面的专业能力。

目前，国内动车组可分为8辆编组的短编和16辆编组的长编两种编组形式，每列动车组共配备两个结构和功能完全相同的司机室，分别位于列车的两端。

司机室作为整列车的操控中心，不仅要为司机提供安全、安静、舒适、独立的操控环境，同时也要满足人体工程学的要求，司机无需离开座椅便可操作相关的手柄、按钮和开关，观察轨道信号、主控屏幕和仪器仪表等。

根据安装位置的不同，司机室设备可分为外部设备和内部设备，从动车组的设计角度，司机室的结构设计需要考虑的因素包括可靠性、可操作性、可维护性、安全性和寿命周期等，随着动车组的发展和时代的要求，环保和经济性也越来越多的被广大设计人员所关注。

1. 司机室外部设备（Cab exterior）安装在司机室外壳上和外部的设备，我们称之为司机室外部设备，主要包括司机室外壳，前端模块，排障器，前部车钩，吸能器，雨刷系统，外部管路和汽笛，外部照明，前风挡玻璃和侧窗玻璃等。

其中，尤以司机室外壳和司机室前端模块最为重要，需要进行空气空力学分析和优化设计，从而使列车具有流线型的外形轮廓，减少车辆运行过程中的空气阻力，节约能源消耗，在配以时尚动感的美工方案和外部油漆，整列车可以满足客户关于高效，节能和安全的要求。

根据EN12663的相关要求，车辆在与其他车辆或车端缓冲器发生碰撞的情况下，前部车钩和司机室端部底架上的吸能器应能够吸收约2MJ的能量，因此，前部车钩和吸能器会配备一定长度的变形管和防爬功能，同时，司机室钢结构也要设计成吸能结构，以便列车在发生不可预知的碰撞时最大程度的吸收能量保证司机和乘客的安全。

另外，司机室侧窗需满足司机逃生的需要，其最小净尺寸为500X400毫米，应符合EN45545标准中的相关要求。

图1：司机室结构示意图1-司机室外壳，2-司机室顶灯，3-司机室遮阳帘，4-前风挡玻璃，5-雨刷，6-前侧灯，7-汽笛，8-吸能器，9-前部车钩，10-排障器，11-天线，12-钢结构，13-司机室风道，14-司机室顶板，15-电器柜，16-司机室后墙和门，17-司机室地板，18-司机室侧窗，19-操纵台，20-脚踏，21-司机座椅，22-前部支架，23-司机室后护板，24-司机室侧墙板。

司机室外壳（Front hood）作为整列车的车头，司机室外壳需要具有流线型的外形，以减少动车在高速运行时的空气阻力和能源消耗，以及空气摩擦产生的噪音；司机室外壳还需要安装牢固，为司机的人身安全提供足够的保障，不会因运行时的震动，疲劳和外物击打而造成破坏；同时，司机室外壳必须要承载安装在其上的零部件，比如前风挡玻璃，司机室侧窗和前部大灯等，以保证零部件的可靠性和功能性。

从制造材料上来说，司机室外壳多采用玻璃钢和铝合金材料，性能对比参见表1。

司机室外壳用玻璃钢多为泡沫夹芯与合成树脂和玻璃纤维复合而成的三明治结构，其相对密度在1.5~2.0之间，轻质高强，耐腐蚀性能和绝缘性能良好，玻璃钢的热传导率低，室温下为1.25~1.67kJ/(m.h.k)；玻璃钢的可设计性好，可根据空气动力学的分析结果设计出复杂的曲面结构。

玻璃钢的缺点是易老化，弹性模量低和层间剪切强度低等，针对其易老化的特点，通常可以采用表面油漆的方式来进行弥补，增加玻璃钢的厚度或增加泡沫夹芯的厚度也可以显著提高其本身的拉伸强度和剪切强度，同时也可以采用一些过渡支架固定在钢结构框架上，作为玻璃钢外壳粘接工艺的补充方案。

玻璃钢外壳需要用高强度的粘接胶粘接在钢结构上，胶层的厚度和宽度由外壳的强度计算来决定，为了达到外部胶缝的均匀和美观，通常，在粘接胶的外层会重新涂抹一层密封胶，涂抹后抹平。

在玻璃钢外壳的密封过程中，非常重要的一点，就是要保证玻璃钢和钢结构之间的缝隙要完全的密封，否则，微小的间隙也会带来严重的后果，比如气密性降低，司机室噪音增大等，严重时会影响司机的正常操作，带来极大危害。

玻璃钢外壳广泛应用在欧洲市场的时速不高于250公里的动车组上，如欧洲之星，我国的CRH1型和CRH5型动车组使用的就是玻璃钢外壳，外形流畅，具有良好的可靠性和经济性。

铝合金司机室外壳通常会作为车体钢结构的一部分，通过焊接的方式与车体焊接在一起。

随着市场对高效节能的要求越来越高，动车组轻量化已成为所有动车制造厂商的共同目标，挤压铝型材开始大量地应用于焊接车体钢结构。

但是，由于车头的曲面比较复杂，具有变截面的结构，而且为前风挡玻璃和侧窗等设备所开的开口又会对整体的强度造成一定的影响，如果用挤压铝型材的方式进行加工比较困难，成本偏高。

针对此问题，司机室钢结构框架和司机室外壳表层蒙皮依次焊接技术被广大制造厂商所运用，首先，将司机室框架用铝型材进行折弯或扭转成所需要的形状，同时将外壳表层蒙皮分成几块进行单独加工成所需要的形状；然后，将框架依次固定在精确的焊接工装上进行点焊，待测量无误后再进行满焊，使整个框架成为一体；其次，将外壳蒙皮依次焊接到司机室框架上，并随时监测其轮廓度，以便进行及时地调整；最后，将焊接完成的司机室外壳与车体钢结构焊接在一起。

此项技术最早应用在日本的新干线上，铝合金车体钢结构的重量仅为钢制车体的二分之一，车辆的总重能够实现10%-15%的轻量化。

目前，在欧洲和日本的市场上的应用比较广泛，如新干线、西门子的Velaro系列等，我国的CRH2型、CRH3型车和高铁也采用了此项技术。

前端模块位于车辆的最前端，用于保护前部设备免于遭受外物的击打而损坏，比如前部车钩、吸能器和雨刷系统等，同时其流线型的造型也可以起到降低空气阻力和美化外观的作用。

通常情况下，前部开闭机构会与前端模块整合在一起进行设计和制造，动车组在日常运行时，该开闭机构处于关闭状态，当动车组需要重联或救援时，开闭机构处于打开状态。

前端模块可作为司机室外壳的延续，其复杂圆润的外部曲线轮廓决定了材料的特殊性，而玻璃钢材料由于其优良的可塑性和物理机械性能被动车组的各个制造厂商广泛采用。

各主机厂一般不自行生产前端模块，而委托给供应商进行设计，计算和生产。

待供应商的方案通过后，主机厂会进行前端模块的组装设计和周边接口的安装校核和运动干涉分析。

通常，前端模块会直接固定在车体钢结构上，但有时由于空间和结构限制，过渡支架也会用于安装前端模块。

前端模块与车体钢结构（或司机室外壳）的接缝需要平整，表面平滑，且二者之间的台阶不能过大，一般不大于5毫米，否则，车辆在高速运行时，将会产生较大的噪音；同时，在前端模块安装完成后，需要用密封胶将二者之间的缝隙密封。

也有部分的主机厂将前端模块与司机室外壳整合在一起，只留下单独的开闭机构，这也是一种设计方案，缺点是增加了前部设备的检修和更换的难度，比如CRH2型车就采用了整体的铝合金焊接结构。

除了开闭机构外，汽笛安装盒和前部大灯安装盒等设备，由于其外形尺寸较小，可以考虑采用玻璃钢材料并直接糊制在前端模块上。

同时，前部车钩与前部管路的控制单元也可固定在前端模块上，通过两侧的检查门进行检修和更换。

前端模块内的电器件和电器接头的防水和防尘等级不可低于IP65，同时位于最低部的电器件要可以耐受雨水的浸泡。

前端模块内的设备在有冰雪的天气情况下仍能保证功能不失效，且可以使用70℃的热水或溶冰剂进行融雪除冰。

1.3 排障器（Obstacle deflector）根据排障器的安装方式，可分为外挂式和隐藏式两种。

对于外挂式排障器，如图1中的10号件所示，排障器位于司机室的底部，通常使用高强度的耐候钢焊接而成的前尖后钝的弧形结构，与前端模块的过渡连接处由于形状比较复杂，可以采用玻璃钢材料，用于减少车辆在运行时的空气阻力。

排障器用于排除轨道上的障碍物，比如石头，木头，动物或汽车等，能够承受300kN的中心载荷和250kN的侧向载荷。

通常情况下，排障器在安装之前需要进行静态有限元仿真模拟和静态的验证试验；在安装之后，也要进行定期的检查，如果发现失效，需要立即更换。

有的车辆在设计之初，并没有设计外挂式的排障器，而是将排障器与车体钢结构焊接在一起，然后用前端模块将其保护起来，从车外是不可见的，我们称之为隐藏式排障器。

该排障器不作为日常的排除轨道上的障碍物，而是在车辆在遭受严重的撞击时，在前端模块被破坏后的轨道清障，防止车辆出现脱轨等严重事件。

如果遇到一些类似雪堆、木头或动物等重量不大的障碍物，需要预先使用专用的排障机车将障碍物清除，该车辆方可通行。

1.4 前风挡玻璃（Front window）前风挡玻璃安装在司机室外壳的前部，垂直于运行方向，具有与司机室外壳相拟合的曲面形状，为司机在各种工况下观察路旁信号和轨道情况提供清晰无误的视野。

由外至里，前风挡玻璃由外层玻璃、电加热丝、PVB夹层、内层玻璃和防飞溅膜复合而成的钢化夹层玻璃，参见图2所示。

从安装结构上来说，前风挡玻璃可以分为无框式和有框式两种，无框式前风挡玻璃可用粘接胶直接粘接在司机室外壳的边框上，成本低，安装方便，但维修更换费用高，周期较长，适用于采用玻璃钢材料的司机室外壳；有框式前风挡玻璃通常是在玻璃的出厂之前就由生产厂商将玻璃和框架粘接密实牢固，主机厂只需要用紧固件将前风挡玻璃外框固定在司机室外壳的边框上，然后用密封胶将周边密封抹平即可，成本稍高，但由于其安装和更换方便，维护停车时间短等优点，被广泛用于铝合金和钢制车体上。

图2：前风挡玻璃的结构为了保证前风挡玻璃的功能和安全，根据EN15152和TB1451中的相关要求，前风挡玻璃必须具有光学性能、机械性能、电气性能、防火安全性、隔音性能、耐候性能和外观等性能，参见表2中的具体参数。

方向上的光学畸变值Δα是在图3中的α1和α2之间的代数差（α值在水平线上为正值，否则为负值），Δx为与视线平行并分别经过点M和M’的两条直线间的距离。

在实际的测量中，光学畸变值会随着前风挡玻璃的曲面度，厚度的增大而增大，随着与水平方向的夹角的减小而增大，很难找到三者之间的平衡点，因此，我们在设计之初，应选择较小的前风挡玻璃曲面度和厚度，以及较大的与水平方向的夹角。

图3：光畸变图（ISO3538）2. 司机室内部设备（Cab interior）安装在司机室外壳之内的设备则被称为内部设备，包括操纵台、司机座椅、司机室内装、司机室地板、司机室电器柜、司机室线槽、司机室风道、司机室间壁和门、司机室遮阳帘、司机室灯光和司机室防寒材等。