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1、地铁车门结构分析与设计摘要地铁作为一种日常出行的方式，具有速度快、污染少、运量大等许多优势。因此,发展地铁已经成为解决城市堵塞的主要方式。然而，车门系统是地铁列车中发生故障最多最高的系统，因此，对其进行防夹设计、提高地铁运行的安全性以及保证乘客的乘车安全具有很重要的意义。地铁车门系统在地铁系统中相当重要的一环。车门的设计、控制、维护等都将直接影响到地铁列车的运行状态和旅客的乘车安全。通过车门结构分析可以知道车门薄弱环节，因此，文章进行了车门结构设计。本文通过分析地铁车门可能存在的问题，进而希望通过对地铁车门结构进行设计,发现并改进地铁车门存在的问题。望能对现有地铁车门制造提供一定的参考与思路，
2、进一步提升其安全性，降低危险性，从而更符合社会民众的出现需要，切实保障乘客人身安全。关键词：地铁车门；结构设计；乘客安全2地铁车门结构介绍2.1 地铁车门结构组成通常，地铁的每个车厢基本都有10对门，不同的门，结构也会有细微的差别。从地铁车门功能的方面来看，地铁车门系统可以分为五大子系统：承载导向系统、基础部件系统、电动控制系统、内外操作系统和驱动闭锁系统。2.1.1 承载导向装置地铁车门的导引机构基本是由安装架、带门架、长短导柱、挂架、导轨、压轮、滚轮、摆动臂总成等这些零部件构成。它们的主要功能是支撑车门的正常运行，并组成车门的运行轨道和引导。2.1.2 基础部件车门底座是由内外指示灯、密封
3、胶条、车门切除指示灯、门板、定位销、接地线、缓冲头、与定位销配合使用的嵌件等部件构成。2.1.3 电动控制装置地铁车门控制系统的重要部件主要是车门控制设备，其功能是接受ATC或驾驶员的指令，并输出车门本身的运动信号，以便按照需要控制车门的正常操作。2J.4内外操作装置外部和内部操作设备装置，主要是由内部紧急解锁装置、外部紧急进入装置、内部操作手柄、钢丝绳总成和操作手柄透明的罩子组成。2.1.5 驱动锁闭装置车门系统驱动锁闭结构主要是由驱动电机、传动丝杆、螺母总成、端部解锁机构、电机与丝杆的连接机构等零部件构成，其功能是通过控制门的转动，把门的开合绑定在电机的转动上，并在关门就位时自动锁上，具有
4、一定的保护作用卬。2.2 地铁车门的作用与功能塞拉门的主要功能是供乘客安全进出车厢，当乘客到站上车的时候，塞拉门的开门动作有两种操控模式。2.2.1 司机操纵模式在左驾驶室的左侧，有三个按键，分别是集中控制左车门、激活左侧门和集中控制关闭左车门。红色的按键是开启左边的车门，黄色的是开启左边的车门，黑色的是关闭左边的车门。右边驾驶室的按键和左边的一样。当列车抵达站台，驾驶员会视站台的高度，选择高站台开关，如果是高站台，则将高站台选择开关往下打到1位为高站台，如果是低站台，则将高低站台选择开关向上打到0位为低站台，然后集控，按下靠近站台一侧红色按钮，此时缓解被执行且列车速度5kmh,则全部开启。2
5、.2.2 乘客操纵模式每一扇门上都有三个打开的按钮。1个内侧和2个外侧打开按键，用于旅客。打开时按钮点亮表示它能工作。门控制装置在任何时候都会收到一个按钮发出的信号，然后在一个有效的门控制指令下（也就是在信号从低到高的时候），门就会被打开。打开门时，门必须打开，并且V5千米/小时的信号是有效的。启动键无效：速度信号V小于5千米/小时无效,远程缓解信号无效，紧急开关操作，车门被停用开关隔离（机械锁定），台阶在有打开要求时5秒不打开。当车门打开时，站台的高度和高度都会不同，因此，塞拉门的自动翻转和梯子就会工作。当列车停站的高度越高，站台翻板就会降下来。塞拉门一打开，黄色的踏板就会从里面伸出来，发出
6、嗡嗡的声音。在平台较低的情况下，翻板不使用，翻板上锁，如图2-3的左下部分为高平台翻板状态，右下部分为低平台翻板状态）。如果翻转盘失效，可以将隔离锁上，并用手将凸起的脚踏向后推，这时可以关闭。当踏板出现故障时，会被列车的控制系统所分离，不参与中央控制。这时，车门旁边的指示灯也会显示出车门的状况。其中，绿色的指示灯是亮的：塞拉门的安全关闭；红灯：显示塞拉门工作或发生故隙；白光：关闭了塞拉门。车门正常开启后，旅客可以自由进出，乘客乘坐完后，列车将会关上车门，车门的关闭顺序如下：驾驶员或旅客按下按钮，下达关门指令。车门嗡嗡作响，刹车系统关闭。当到达关门位置时，发出一个门控制器，它会控制门马达来关闭门
7、。在门与闭合的位置大约10毫米的时候，操作了一个“门关闭98%”的极限开关。开启压力锁，在加压之后，车门会被挤压。车门持续滑至锁止状态（这时门关闭与锁止发生故障），感应侧条与门马达绝缘。阶梯马达加电，使脚踏板停止。当门和梯级在关闭和锁紧状态时，“门和梯级闭合环”将会闭合2.2.3 紧急安全措施在使用过程中，如果发生下列两个特殊的情形，将会采取相应的安全措施。（1）在遭遇障碍时当有人或障碍物阻挡塞拉门关闭，会执行以下过程，以防止挤夹：采用灵敏原则进行探测和控制。在塞拉门的封闭边缘装有2个橡胶表面和2个独立的有效感应边缘。当有障碍物挡住了门时，门控制装置会收到由感应边产生的障碍探测启动信号。门控制
8、装置总是监控灵敏的边缘状况，并且在此元件发生故障（中断或持续运行）时，门控制装置会报告错误。若感应边发生故障，则不会对马达的电流监控造成任何影响。在关门之前，检查不会被打开。采用电动机的电流监控。在关门期间，门控器可以探测到马达的电流。当实际的电流超过标称时，门控装置就会认为有障碍（由乘客、行李等造成），并根据障碍状况行驶。门控制器随时监控电流，具有额定电流的存储器，即使断电也不会发生故障。所以，要对门控单元进行替换，就必须对它进行初始化。通过通道/时间探测：在不同的时刻，门位置传感器会对门的闭合位置进行测量,当没有在规定的时间内检测到门的通过，就会被视为存在隙碍，这时开始进行障碍处理。（2）
9、当塞拉门发生故隙需要放弃使用时当车门需要隔离时，工作人员用三角钥匙转动门内的隔离锁，这时白色的指示灯就亮了，表示门已被隔离。具体原理如图2.2所示。祖 件 架 总 成机械传动机构俄团机构气动乐力镣门网a_门控器DCU列不控制 单兀VCU控制系统紧急解上部导轨及横梁汾轮门动台阶紫急提件.机构传量机构敏感股条各类取位开关门下部滚轮电器紫急装置可伸缩踏板萦急出口装置票急进 入装置W 除 开 关图2.2塞拉门原理示意图9（嵌块磨损）13（定位销干扰嵌块），15（定位销断裂），14（定位销磨损），5（密封胶条松脱），4（车门切断指示灯不亮），10（门页有裂纹），6（密封胶损坏），2（门开关灯闪烁），8（
10、未接电线），3（门切断灯常亮），7（掉接地线头），16（磨损头16）,11（门页有凹痕），12（门板上掉漆）17,o另外，故障模式1,9,13,15,14的危害程度高，是影响车门系统基本元件的可靠度的重要因素，因此，应加强对故障模式的设计和维护，加强对故障模式的维护，如密封胶松动等11种故障模式，可以根据现场的具体情况，进行相应的维护。在门系统的基础零件后续的可靠性改进和日常维护中，要按危险程度依次进行，并对其进行合理的维护。3.4 电动控制装置的故障模式及影响分析和危害性分析电动控制装置的故除模式及影响分析（FMEA）如表3.5所示。表3.5车门系统之电动控制装置FMEA编号分析对象功能故障
11、模式故障原因故障等级补偿措施12EDCU接收信号并驱动电机开关车门以及进行车门状态检测、内外部报警等功能插头松动功能失效检修时未插紧;车辆长时间运行震动导致插头松动门控器内部安全继电器或通讯接口等部件损坏或无输出信号IVIII维修中紧固插头；设计上添加插头固定装置对安全继电器或通讯接口等进行设计上改进；维修，必要时更换3程序版本门控器程序版本未III更换EDCU；复位微动低及时更新开关45车门关闭行程开关Sl关门限位作用间隙异常功能失效车门检修时未将间隙调整到合理范围卡簧丢失;推力压紧圈丢失等IIlIII调整Sl的间隙尺寸；增加或减小垫片设计上采用冗余设计6车门切除在切除车门时，为功能失效卡簧
12、等零部件丢失或损坏检修时未调整到位III维修更换；设计上采用冗余设计调整间隙，或必要时更换S27行程开关EDCU提供车门被S2切除信号间隙异常III8车门紧急解锁行程开关S3紧急解锁时为位置失调检修时未调整到位使其处于临界状态III调整S3位置或间隙9EDCU提供信号功能失效S3的触头接触不良；质量缺陷III更换；冗余设计10Il车门锁闭行程开关S4车门锁闭到位时为EDCU提供信号间隙异常功能失效检修时未调整到位开关固定出现松动S4中触头接触不良;或卡簧等部件丢失IIIIII调整间隙尺寸；固定行程开关更换；采用冗余设计触头不导通;按钮中将侧墙与操作台上的进12关门按钮-r-fcTbg出.某些接
13、线接反；端子操纵关门装置咖匕失效排上端子线接触不行对调，必要时更换；检查线路和开关触头是否良破损或氧化，必要时更换13盘于导通时翻列钠功能失效质量缺陷II维修，必要时更换根据夏军（2014）的研究，电动控制装置的危害性分析（CA）如表3.6所示。表3.6车门系统之电动控制装置危害性CA编号分析对象故障模式故障率模式频数比故障影响概率工作时间（万小时）危害度1插头松动0.090.56.2123EDCU功能失效程序版本5.190.860.0510.526.6084118.743.45低4车门关闭行程开间隙异常2.290.07126.60844.275关Sl功能失效0.93156.676车门切除行程
14、开功能失效0.260.71126.60844.917关S2间隙异常0.2912.0189车门紧急解锁行程开关S3位置失调功能失效0.640.120.881126.60842.048.01IO车门锁闭行程开间隙异常0.680.28126.60845.0711关S4功能失效0.28113.0312关门按钮功能失效0.041126.60841.0613关好继电器功能失效0.081126.60842.12从表3.6可以看出，在电气控制设备的故障级别中，当故障级别为II时，危险程度最大和最小的分别是：门控器EDCU插塞和关闭按钮的危险级别为2.12和1.06；在第三级的情况下，危险级别最高和最低分别为E
15、DCU功能故障和行程开关S2间隙异常，大小为118.74和2.01；仅有门控器EDCU插塞松动会造成IV级的故障级别,其大小为6.21。在13种类型的电气控制设备中，对电气控制设备的危害程度从高到低依次是：EDCU功能失效，行程开关Sl功能失效，行程开关Sl功能失效，13（关闭继电器功能失效），11（关闭行程开关S4功能失效）,9（紧急解锁行程开关S3功能失效），10（锁定行程开关S4间隙异常）,6（行程开关S2功能失效）,4（行程开关SI间隙异常）4（行程开关SI间隙异常）,3（低EDCU编程版本）8（解锁行程开关S3位置失调）,7（切断行程开关S2间隙异常），1（EDeU插塞松动）。故障模
16、式2、5、13、12的危害严重，对车门系统的运行可靠性有很大的影响，因此应加强对其的设计和生产，并在日常维护中予以重视；二、故障模式11、9、10、6、4、3、8、7和1等故障模式也是车门系统的主要故障，可以针对故障原因，采取相应的修理或补救措施。因此，今后车门系统电气控制设备的可靠性提高和日常维护工作中,首先要注意的是：门控器EDCU功能失效，行程开关Sl功能失效，车门关闭继电器功能失效，关门按钮功能失效等问题。3.5 内外操作装置的故障模式及影响分析和危害性分析内外操作装置的故障模式及影响分析(FMEA)如表3.7所示。表3.7车门系统之内外操作装置FMEA分析编号分析对象功能故障模式故障
17、原因故障等级补偿措施12解锁手柄对其操作可内部解锁车门位置失调破损未检修到位；乘客误操作导致手柄移位弹力销掉落；定位珠丢失IVV调整手柄位置;加强保护维修补装破损部件34紧急解锁透明盖板保护解锁手柄丢失损坏未固定牢固；乘客原因质量缺陷VV补装新件更换5松动长时间应用未及时调整III调整钢丝绳拉紧力67连接锁闭装置的解锁钢丝绳拨杆，传递解锁动力断裂卡死调整过紧或发生干涉摩擦钢丝绳的位置异常或与其他部件摩擦力大IIIII更换新钢丝绳重新调整钢丝绳位置根据夏军(2014)的研究，内外操作装置的危害性分析(CA)如表3.8所示。表3.8车门系统之内外操作装置危害性CA编号分析对象故隙模式故障率故障模式
18、频数比故障影响概率工作时间I(万小时)危害度1解锁手柄位置失调0.110.33126.60840.812破损0.6712.063紧急解锁透明盖板丢失0.260.140.526.60840.484损坏0.860.52.975松动0.50.51.536解锁钢丝绳断裂0.230.17126.60841.047卡死0.3312.08从表3.8可以看出，在内部和外部运行设备的许多失效方式中，失效级别为山时,危险程度最大和最小的分别是解锁和破坏，分别为2.08和1.04；只有解锁把手的位置失衡导致失效级别为IV,危险程度为0.81；当失效级别为V时，开锁透明盖板的破坏和丢失的危险程度分别为2.97和0.4
19、8O在7种类型的内部和外部运行设备中，危险程度从高到低依次是：7、5、5、4、6、断裂钢丝绳、2、解锁把手损坏、1（解锁把手不正常）。从这一点可以看出，故障模式7、5的危险程度很高，对门机的内部、外部运行设备的可靠性都有很大的影响，需要加强可靠性和日常维护；在以后的改进与维护中，应从解锁钢丝绳卡死、松动、断裂、开锁透明盖板等方面入手，重点解决解锁手柄断裂,位置不协调等问题侬。3.6 驱动锁闭装置的故障模式及影响分析和危害性分析驱动锁闭装置的故障模式及影响分析（FMEA）如表3.9所示表3.9车门系统之驱动锁闭装置FMEA编号分析对象功能故障模式故障原因故障等级补偿措施1润滑不良检修时未及时润滑
20、V添加润滑油2传动丝杆传动和锁闭支撑座松动磨损或卡簧丢失V重新固定3弯曲变形支撑磨损后导致丝杆受径压力III更换丝杆45驱动电机驱动车门动作功能失效有异响内部结构坏润滑不足IIIV维修更换加强润滑6破损零件断裂或丢失III补装或更换78螺母组件与丝杆组成锁闭装置润滑不良安装角度失调检修时润滑不够检修时未安装调整到位IIIIII加强丝杆润滑调整安装角度910端部解锁装置解锁松动功能衰退防松垫片未塞进卡槽；导柱位置异常长时间未检修IIIIII调整防松垫片进卡槽或导柱位置维修清洁，必要时更换11与丝杆摩擦干涉润滑不足；调整不到位III清洁丝杆并润滑12润滑不良长时间未润滑III更换磨损部件；加强润滑
21、13解锁支撑位置异常长时间运用未及时检修固定所致III调整支撑根据夏军（2014）的研究，驱动锁闭装置的危害性分析（CA）如表3.10所示。表3.10车门系统之驱动锁闭装置危害性CA编号分析对象故障模式故障率模式频数比故隙影响概率工作时间（万小时）危害度1润滑不良0.410.54.532传动丝杆支撑座松动0.830.370.526.60844.093弯曲变形0.220.52.434功能失效0.814.04驱动电机0.1926.60845有异响0.20.50.516破损0.680.517.017润滑不良0.040.51.01螺母组件1.8826.60848安装角度失调0.0211.019松动0.
22、260.56.5IO功能衰退0.220.50.99II端部解锁与丝杆干涉0.1110.99.rv,0.3426.608412装置润滑不良0.450.52.0313解锁支撑位置异0.2211.98常由表3.10得知，在驱动锁闭装置中各部件故障模式里面，故障等级为in时，危害级别最大和最小的是螺母组件破损与端部解锁功能衰退或与丝杆干涉，大小是17.01与0.99；在故障等级为V时，危害级别最大和最小的是传动丝杆润滑不良和驱动电机有异响，大小是8.62和0.51。在驱动锁闭装置的13个故隙模式里面，我们可以看到危害性的大小顺序依次为：6（螺母组件破损），9（螺母组件松动），4（驱动电机功能失效），3
23、（丝杆弯曲变形），12（端部解锁润滑不良），13（端部解锁支撑位置异常），7（螺母组件润滑不良）与8（螺母组件安装角度失调），10（端部解锁功能衰退）与11（端部解锁与丝杆干涉），1（传动丝杆润滑不良），2（丝杆支撑座松动），5（驱动电机有异响）。到这里可以知道，故障模式6、9和4的危害程度是比较大的，而且还是影响车门系统驱动锁闭装置的重点，应特别注意；其他故障模式是车门系统工作中的比较起来没那么重的部分，也值得去关注，我们可以根据实际情况考虑采用相应的维护方法。在对此类车门系统的驱动锁定装置进行后续改进和维护时，应采取措施解决或避免螺母组件损坏、松动、驱动电机功能失效等故障现象，再想办法解决
24、故障皿，4地铁车门结构分析与设计4.1 整体结构一般来说，地铁车体中一节车厢就应安装有4个外部车门，除去头尾每一侧各有1个司机服务门以外，还会有一对餐车上货门，其他均为塞拉门，供乘客上下地铁。具体结构见图4.1。塞拉门餐车上货门图4.1地铁塞拉门布置图车门控制单元（主车门控制单元）或本地车门控制单元控制着塞拉门、下部脚蹬以及高站台翻板。各个控制单元都经由CAN（控制器域网）通信，主车门控制单元与各个列车控制单元的通信则通过多功能车辆总线接口。列车控制单元控制车门单元，主门控制单元将信息输送给列车控制单元。车门控制单元根据本地车门控制命令和列车控制信号，来实现对塞拉门的打开关闭，对下部脚蹬和高站
25、台翻板实现操控。塞拉门为电控电动门，靠气动锁闭，并采取司机室集成控制，操作人员可在司机室操作门的开关，它是由7大部分组成，包括，承载驱动机构及门控系统、门框、内操作开关板、侧立集成组件、门扇、站台补偿器、外操作开关板，如图4.2所示。匚二A门框=t内操作开关板O侧立集成组件门扇站台补偿器夕瞟作开关板承载驱动机构 及门控系统图4.2塞拉门结构塞拉门结构分解进行了细致分解，塞拉门分解后划分为机械传动机构、驱动机构、锁闭机构、传感机构、控制机构等五部分。具体部件如表2.1所示。表2.1塞拉门结构分解表功能层部件层主要零件层机械传动上部导轨及横梁齿轮导杆、导轨、门板承载件、行星齿轮箱、驱动电机、滑轮架
26、机构门架与门扇玻璃、铝合金门体组件架总成钢架、固定螺栓、电气和气动接口连接器自动台阶踏脚板、橡胶撞击止档、轴承、驱动电机、台阶激活继电器门下部滚轮导轨、滚轮摇臂可伸缩踏板踏脚板、推杆、钗链连接器各种插拔、螺栓驱动机构门驱动电机XI7插、电动机台阶位置电机拔插、电动机Kl接触器触片、继电器压力锁风占、压力机电器、空气阀门、YI继电器锁闭机构主机械锁门板止动螺栓、卡锁、锁外罩机构、锁定螺钉、解锁电机、滚轮、棘爪内部解锁装置扳手、开门杆外部解锁装置扳手、开门杆门切除开关蜂鸣器、指示灯传感机构红外传感器红外发生器、反光镜、线缆敏感胶条外部敏感边缘开关、线缆各类限位开关触钮，弹簧、线缆控制机构门控器DC
27、U可编程的CAN接口、MVB接口列车控制单元VCU操纵台、线缆、连接器其中，门控系由电子门控器、接线端子、插头、插座、拖链等组成。电子门控器安装在承载驱动机构的罩板上，它基于数字信号处理器技术，应用于城市轨道交通车辆门系统，也叫做EDCU。EDCU与本车车辆的车门有通讯连接，还通过车辆总线和列车总线与司机室控制系统连接，接收和传递本车的车门状态和控制信号。塞拉门结构分解图如图4.3所示。电SS紧急装置11.可穹性电罐12.门控器DCUL横梁内轮2. l.fiUtt3.外恻按钮13.紧急出口装置14；机械钺*内则按AlI5.BI位开关5.iji16.气动比力锐（ 卜）门切除开关7.f5R6.敏感
28、股条18.门下部渔轮19.紧急进入装置7.红外传咯器20.自动台阶8.台阶盖板9.可伸缩踏板IO.气动压力微（）图4.3塞拉门结构分解图4.2 地铁车门结构部件塞拉门设计成电动，门扇的打开和关闭过程由IlOV电压供电的电机驱动，如图4.4所示。电机的正反转由门控器EDCU内部软件控制电机两端电压极性来控制。电机一端安装一位置传感器，感应门扇的位置。电机的转向轴端连接一皮带，通过皮带把电机的动力传给丝杠，根据丝杠原理，丝杠的转动带动导向控制管的水平移动，从而导向控制管通过滚动触动使门扇沿导向管打开或关闭。皮带丝杠主滑动导轨图4.4电机驱动装置与电子门控器位置当电机驱动门扇运动到相应位置后，还需要
29、门的锁闭、到位检测等部件控制门进行锁闭或解锁，如图4.5所示。锁闭或解锁是靠压缩空气进行驱动，闭锁时压缩空气进入辅助锁气缸和主锁锁闭气缸，解锁时辅助锁气缸和主锁锁闭气缸的气体排出，而气缸的进排气由电磁阀控制，电磁阀直接由EDeU控制。下辅助锁主锁和辅助锁电蹴阀主锁上辅助锁关到位开关辅助锁气缸主锁气缸关到位开关辅助锁气缸图4.5门的锁闭、到位检测等部件位置当按下关门按钮后，电机带动门扇运动，触发关到位开关后，辅助锁气缸和主锁锁闭气缸里的压缩空气推动主锁和辅助锁进行锁闭动作，当触发锁到位开关后，EDCU接收到信号，锁闭完成。当按下开门按钮后，EDCU接收到开门信号，辅助锁气缸和主锁锁闭气缸进行排气
30、,主锁和辅助锁进行解锁动作，触发到位开关，电机驱动门扇运动，当位置传感器感应到门扇运动到位后，电机转动停止。在开关门过程中，站台补偿器要完成相应的动作。它是由踏板、动作气缸、电磁阀、开关等相关部件组成，当接收到电子门控器命令后，踏板收回电磁阀或踏板释放电磁阀控制踏板动作气缸充气或排气，踏板收回或释放，并且触发踏板关到位开关或踏板开到位开关，将踏板关到位或开到位的信号传递到EDCUo动作气缸造板关到位开关 踏板踏板打开电磁阀踏板收回电磁阀踏板开到位开关图4.6站台补偿器结构4.3 地铁车门紧急解锁装置当列车行驶中遇到紧急情况，比如发生火灾时，需要打开车门，这时由乘客和列车乘务员按照相关的流程打开
31、车门，称为紧急解锁。紧急解锁装置，又称列车紧急开门装置，其作用是列车到站后，列车车门无法开启时使用。在车辆系统的保护作用下，列车的车门解锁装置一旦触发会导致列车自动刹车，必须由专人进行手动恢复后方可正常运营。紧急解锁装置设置紧急操作请求按钮、紧急操作请求开关、蜂鸣器、紧急解锁电磁体、紧急解锁电磁铁、紧急解锁开关、内紧急操作请求拉板开关以及外紧急操作请求拉板开关，如图4.7所示。蜂鸣器乘务员钥匙开关内紧急操作请求拉板开关紧急操作请求开关紧急操作请求按钮图4.7紧急解锁装置结构4.4 车门强度计算和受力分析4.4.1 强度计算塞拉门的突出特点是门板采用蜂窝夹层结构和型材骨架，具有很高的比刚度和比强
32、度。铝蜂窝层合板结构是一种在航空航天工业中得到广泛应用的复合材料，具有很多优点，如：比刚度和比强度高，振动性能、保温性能和阻燃性好，隔音效果好等。复合材料塞拉门较普通折页门具有许多优点，但由于从复合材料结构力学的角度讲,蜂窝夹层结构属于一种各向异性材料，因此复合材料结构设计的难度大大增加。我们将复合材料结构设计人为地分为三个层次：“一次结构”：由基体和增强材料组成的单层材料，其力学性能取决于组分材料的力学性能、相几何（各相材料的形状、分布、含量）和界面区的性育旨；“二次结构”：指由单层材料层合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何（各单层的厚度、铺设方向、铺层序列）；“三次
33、结构”：指工程结构和产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和几何结构。复合材料设计所包含的三个层次：单层材料设计、铺层设计和结构设计，是互为前提、互相影响、互相依赖的。复合材料及其结构的设计打破了材料研究和结构研究的传统界限。对于各向同性材料，独立的弹性常数只有两个；弹性模量E、泊松比D（或剪切模量）。对于各向异性材料，独立的弹性常数增加了。对单层板，在面内有两个材料主方向；纤维方向（纵向L）和垂直纤维方向（横向T）在L-T坐标系中，单层板独立的弹性常数有四个；纵向弹性模量El、横向弹性模量ET、纵横向泊松比u.,和纵横向前切模量Gur,表现出明显的正交各向异性。在材料的非主方向坐标系中，
34、正应力会引起剪变形，剪应力会引起线应变，这种现象称为交叉效应，是各向同性材料所没有的。对于各向同性材料，强度与方向无关。但是对干各向异性材料，强度随方向不同而异。单层板在其面内具有五个基本强度：纵向拉伸强度X，纵向压缩强度X,横向拉伸强度Y,横向压缩强度Y,纵横向剪切强度S。图4.8复合材料强度示意图4.8是复合材料强度示意图。复合材料其它的物理一力学性能也是各向异性的。因此，单层板的各类参数都是方向的函数。4.4.2 最大应力准则和最大应变准则最大应力准则和最大应变准则是两个最早创立的经典强度准则。实践证明，这两个准则适用干判定脆性材料的强度。(1)最大应力准则单向复合材料最大应力准则认为，
35、当材料在复杂应力状态下由线弹性状态进入破坏,是由干其中某应力分量达到了材料相应的基木强度值，即若材料不发生破坏，其正轴各应力分量必须小于相应方向的基本强度。因此最大应力准则的条件是：VX(Xe)HVZ(X)HVS上述不等式只要有一个不满足，则认为材料失效。如果对单向复合材料施加的是偏轴载荷，必须利用变换方程求得在正轴坐标系下的应力状态，按式(3-14)将各应力分量分别同相应的基本强度进行比较。(2)最大应变准则最大应变准则认为，复合材料在复杂应力状态下进入破坏状态的主要原因是材料各让轴方回的应变值达到了各基本强度所对应的应恋值，此时的安全条件是：5Vg,或BXlVEXC六甸或HV.NIVema
36、X式中，分,在铺层主方向允许的最大拉伸应变，即单轴拉伸时Xr所对应的X方向的应变；EXC在铺层方向允许的最大压缩应变；匕垂直铺层主方向允许的最大拉伸应变；及垂直铺层主方向允许的最大压缩应变；EmaX平面最大剪切应变。与最大应力准则一样，最大应变准则是将复合材料的各应变分量与基本强度所对应的应变相比较，区别只是最大应变准则考虑了材料的泊松效应。单向层合板的破坏特征是：（1）纤维方向拉伸强度较大，而与纤维方向成某一倾角的方向上拉伸强度较低；（2） 一旦复合材料在某种载荷下引起横向、平面剪切或纵向破坏，则立即导致整体的破坏。所以，为防止结构件突然失效，通常要做成多向重迭的层合材料，塞拉门中采用的即是
37、用铝蜂窝、铝板和聚氨酷胶结固化成的层合板。多向层合材料的破坏过程非常复杂，包括单层的基体开裂和纤维断裂，各层之间的脱粘，纤维与基体的脱粘等现象。根据大量实验观察，层合板复合材料的破坏不是突然发生的。破坏首先从最先达到组合破坏应力的单层开始，然后层合板的总体刚度发生变化，各层的应力重新分配，在宏观上类似于“屈服”。然后当载荷继续增大时，又出现下一层破坏，如此逐层各个破坏直至整个层合板失效。实际上在层合板中较弱层的破坏并不是突然发生，这一层由开始破坏到完全破坏有一个过程,我们称层合板中最先破坏的一层为FPF（FirrtPlyFailure）o当继续增大载荷时，剩下未破坏的层中较弱的一层接着出现破坏
38、，如此继续下去直至作用在层合板上的载荷不可能再增大，认为层合板最终失效。层合板最终载荷下破坏的那一层记为LPF（LastPlyFailuer）o由于层合板的失效存在最先一层破坏和最终破坏两个状态，因此在强度分析时，对使用于不同构件上的失效可取不同的状态。4.4.2受力分析高速行驶的列车使列车周围的空气产生强烈扰动，当两辆相对行驶的列车交会时，在交会瞬间这一扰动将会加剧，尤其是一列车的头部或尾部与另一列车交会瞬间，将引起另一列车会车一侧表面的空气压力发生突变，形成一种瞬态压力冲击，在约几十毫秒之间相继出现正、负压力峰值，这一瞬态压力冲击即为列车交会压力波。瞬态压力冲击波对车体钢结构和侧门、窗均会
39、带来不利影响，严重时将危及行车安全。列车在明线交会时，瞬变压力正负波峰值一般在土IOoOPa以内，但列车在隧道内交会时，压力波幅值将成倍增加，以197knVh速度运行的Corial列车与以178k而h速度运行的RTG列车在隧道交会时压力波幅值达到8500Pa:以18k7而h速度运行的TGV列车与以190kmh速度运行的RTG列车在隧道交会时，压力波幅值达到7900Pa0WoIfram等（1996）研究发现，1CE列车在隧道内交会时车厢外面承受的瞬变压力幅值为+3500Pa5500Pa,大约是明线交会时的8倍，即列车在隧道内交会产生的压力波幅值在800OPa左右。因此，需要考虑列车在隧道内交会时
40、交会压力波对车体强度、刚度的影响。影响列车交会压力波大小的主要因素，包括以下几点：（1）列车交会压力波与两列车相对运行速度的平方成正比；（2）高速列车承受的压力波小于与之交会的低速列车所承受的压力波；（3）压力系数与车间距成负指数关系；（4）列车交会空气压力波与列车编组方式有关，不同断面车辆混编的列车将使列车交会压力波增大；（5）头部长细比越大，列车交会压力波越小；（6）宽形车头对降低列车交会压力波有利，扁形车头也可以减少交会压力波的影响，扁宽形车头压力系数最小，椭球体车头压力系数最大。对于影响隧道中列车交会压力波大小的因素，还应该包括：隧道断面形状、（隧道截面积）、隧道长度、两车在隧道中的会
41、车位置等。根据德国联邦铁路城间特快列车工ICE技术任务书,德国ICE列车设计时设定：列车在隧道中以280kmh对280kmh的速度会车时，相对于车辆内部的瞬时空气压力而言，计算载荷（外压）为：+370OPa至5500Pa,同时还规定在考虑动力学载荷的同时，还需考虑有一人以800N的压力靠在车门内侧的情况。ICE高速列车塞拉门规定的车门检测标准是车门在压力密封实验中承受600OPa的静压,产生的变形在允许范围内。根据270km/h高速列车设计任务书（铁科教函200116号）中提出的要求：两列车以27OkmZh对270kmh速度会车时,车厢外瞬间压力变化空旷处在+84OPa至1660Pa之间，隧道
42、内在+370OPa至520OPa之间（线间距4.6m,隧道断面100m2）。严格地讲，列车交会压力波随时间及交会位置的变化而变化，即在某一时刻作用在车窗不同位置的压力并不相等，交会压力波是时间和位置坐标的函数，这也大大增加了问题的复杂性，但由于车门的面积相对于整车侧向面积来讲较小，在同一时刻该车窗面积范围内的压力变化不大，因此，可近似认为压力均匀作用在车窗整个面积上，即认为压力波只是时间的函数。这样的假定有利于突出对主要矛盾的解决，同时.，对强度的校核也是偏于安全的。列车交会压力波的一般形式是先正波，后负波，通常负波峰值大于正波峰值，正负峰值出现间隔在几十毫秒内。对这种波形的一般解释是：两车交
43、会时，空气首先被剧烈压缩，产生正波；然后空气的排开导致车体外的压力下降，出现负波至峰值。实际的情况并非如此简单，此时的空气流动是不稳定的三维、紊流流动，完全的利用理论来解释和计算这种流动是非常困难的，一般采用数值模拟和实验的方法来了解交会压力波的作用形式和峰值大小。4.5 安装工艺改进由于塞拉门门扇曲线结构的性质，有相应的安装定位和钻孔等一系列的专用治具，量具和安装工具。通过标准化，专用化治具和安装工具，保证门扇的对角线差不能大于4mm,门边框的平面度要小于等于3毫米，塞拉门驱动的安装座上面的控公差要求小于0.5毫米，螺纹孔的孔心间距要求要小于0.2毫米，这样才能达到后期组装的要求。经过深入的
44、探索和优化，塞拉门的组装调试优化如下：（1）建立组装工艺检查表，每个门扇在安装前都要按照点检表上的内容逐项进行尺寸的点检，并对要连接的钢结构尺寸进行复检，这样塞拉门调试的时候方便修正参数，并在检查过的项目上做标记。（2）安装门框时，要依据门框和车体外轮廓线，先用手校正俩边门框，再进行安装，最后在门框和车体的连接处涂密封胶密封。（3）安装驱动时，先保证驱动系统是处在闭合的情况下，通过调整驱动侧面的各个距离来控制密封门窗与伸缩机构的垂向距离，直到达到安装的要求。（4）安装稳定器时，要确保驱动设备室处在关闭的情况，连同上驱动一起安装在稳定器支架的左右。（5）门叶的安装，将门驱动器调于半打开状态，先将右侧门扇挂在右侧的导轨上，然后再将左侧的门扇挂到左侧的导轨上，利用凸轮机构整合门扇，使俩个门扇的下部与上部最终都与车身门框一致。（6）垂向调节稳定器，不断的调节来个门扇之间的调整片直到使门扇之间的缝隙符合安装设计要求。（7）横向调整稳定器，因为车体外表面是不平整的，要不断调整螺丝尽量使塞拉门的外表面和车身的外表面一致。（8）塞拉门车内解锁装置的安装，对解锁装置进行电气连接，
