軌道車輛鋁合金車體排水結構設計

張曉珍 張明陽 徐鳳妹

摘 要：軌道車輛作為城市交通的重要組成部分，在運行過程中，雨雪及空調冷凝水等會造成車頂積水。車頂積水如不能順利排放，將會造成車廂漏水或設備損壞，影響車輛正常運營。為避免車頂積水及順利排放積水，設計合理的車頂排水結構是軌道車輛設計過程中不可或缺的一項工作。本文詳細介紹了軌道車輛鋁合金車體四種車頂排水結構設計，對同類型車輛排水結構的合理設計具有重要參考意義。

關鍵詞：軌道車輛;排水結構;結構設計

中圖分類號：U270.3 文獻標識碼：A

0 概述

軌道車輛車頂結構由圓頂及平頂兩部分組成（圖1）。圓頂部分形狀規整，一般不會因雨雪等形成積水。平頂部分是用來安裝集中單元式空調機組或受電弓等設備的，其下方還有塞拉門等機構。由于門機構的安裝、電氣線路的布置等需要一定的高度空間，所以平頂部分一般設計成橫向兩側高中間低的凹型結構，從而不可避免存在容易積水的區域。因此，在車頂結構設計時必須考慮排水問題。車頂排水問題是軌道車輛制造和運營過程中非常重要的環節。車頂積水能否及時排盡對于保護車頂設備十分關鍵。積水會導致車體焊縫生銹并出現孔洞，然后不斷滲進車體進入車廂，導致乘客被淋及地板積水等問題，影響乘客的乘坐舒適性;積水過多，溢出空調口擋板進入車內，也會增加空調機組及其它設備出現漏電、損壞等情況的風險;長期積水還會影響車體結構及焊縫的壽命，甚至會導致結構失效，嚴重影響車輛的安全運營。由此可知，合理地設計平頂區域的排水結構是車輛設計過程中不容忽視的一項工作。

本文針對4種常見的排水結構設計進行論述，以供軌道車輛設計時參考。

1 車內排水結構

平頂結構主要由中間水平部分、兩側排水槽、側頂組成（圖1，圖2）。根據平頂長度的不同，每處平頂排水槽底部焊接1～2個折彎鋼制排水管并在管口設置濾網。平頂排水槽中的積水可以通過排水管排出車外。

為了保證排水槽中的積水能及時排出，軌道車輛車內排水結構及管路需要精心布置（如圖3所示）。在車內側頂、側墻、底架分別焊接一段長度不等形狀各異的鋁制管路（其中，焊接在側頂上的折彎管路接通車頂排水槽，焊接在底架上的管路穿過底架直通車外）。三段鋁管之間分別用軟管連接，鋁管與軟管相接處用喉箍固定。軟管布置方便，可以有效地避開側門機構、電氣管路等結構。在內側頂、側墻、底架上軟管折彎處或鋁管接口附近設計有支架用來固定管路。車內排水結構流水路徑如圖3所示，其中，藍綠色表示軟管，粉紅色表示車體焊接排水管，橙色表示轉角排水管，藍色虛線表示流水路徑。

車內排水結構的優點是：平頂排水槽體積相對較大，可以有效地收集平頂區域的積水，并通過和排水槽相連的管路排至車外。整車車內管路不外漏，不影響外部的美觀。

車內排水結構的缺點是：

1）工藝性較差。管路在車內、外墻板之間布置，需避開門機構、電氣及其它設備，走向復雜，導致工人施工難度較大，耗時較多，不利于精益生產。

2）可維護性較差。因為管路在車內，需要維護管路及更換軟管、喉箍時，必須先拆墻板，非常不便。

3）出現泄漏不容易及時發現。車輛運行過程中的震動存在導致喉箍管路松動的風險，因此造成的細小滲水不易發現。

2 車外排水結構--端部軟管式

這種車外排水結構，在第一種車內排水結構的基礎上進行了優化。平頂同樣主要由中間水平部分、兩側排水槽、側頂組成，不同的是車體邊梁在型材設計時設計了雨檐。平頂排水槽開孔焊接一段排水管，邊梁（側頂）在對應位置開孔焊接另一段排水管。兩排水管之間用軟管連接，喉箍固定。平頂排水槽里的積水通過排水管直接排到邊梁雨檐。排水路徑如圖6所示，其中藍綠色表示軟管，粉紅色表示車體焊接排水管，藍色箭頭所示為流水路徑。

車體兩端位置設計了排水裝置和雨檐相連（圖8），這樣可以避免水流過快而溢出車外。排水裝置含有過濾網，下端設置排水管，一直延伸到車體底架下方。

圖9所示匯入雨檐的水，沿雨檐流動，一直經過端部排水裝置及軟管排出車外。藍色箭頭顯示為水流路徑。

此結構的優點是：

1）平頂排水槽到雨檐排水槽之間僅用一小段軟管連接，結構設計簡單、緊湊;內軟管連接可以布置在側門上方，維護方便，需要時打開側門門罩即可進行操作。

2）端部排水都安排在車體外部，不占用車內空間，可視可見，如有泄漏可以及時發現。

3）工藝可操作性好：除焊接排水裝置外，車外只需安裝排水軟管即可，不需預留其他裝置位置和調節工藝步驟。

4）圓頂部分的雨水也進入雨檐排水槽，車體外側出現雨痕的概率減少。

此結構的缺點是：

1）仍有一段軟管在車內，如有細小泄漏不易發現。

2）車端軟管暴露在車外，軟化現象需頻繁更換。

3）軟管管徑有限，為防止大顆粒雜質堵住現象，必須使用濾網結構。

4）軟管排水量有限，雨量大時，雨水仍會翻出雨檐，出現雨痕現象。

3 車外排水結構--端部一體排水腔式

這種車外排水結構，在第二種車外排水結構（端部軟管結構）上進行了優化。車端端角柱斷面在設計時設置了排水空腔，圖10所示。

此排水結構，車頂部分也是在車頂吊掛臂和邊梁上開孔焊接排水管，中間用軟管相接（圖11）。不同的是車頂吊掛臂平頂排水槽底部加大平緩設計（圖11），排水管和平頂排水槽底部垂直安裝，雨檐處排水槽設計空間變大（圖12）。平頂排水到邊梁雨檐槽路徑如圖11所示，藍綠色表示軟管，粉紅色表示車體焊接排水管，藍色箭頭所示為流水路徑。

通過車端的過渡件集水槽將雨檐和角柱排水腔連接（圖13），雨檐的水流順著角柱排水腔流下，排出車外。

圖11所示平頂區域的積水先流到或積蓄在排水槽，再通過排水槽底部的排水管、軟管、邊梁上的焊接排水管進入雨檐，然后流到端部過渡件集水槽，最后沿端角柱排水腔流出車外。

一體式結構的優點是：

1）平頂排水槽到雨檐排水槽，結構設計簡單、緊湊，且優化后的排水槽和雨檐底部連接結構更加有利于雨檐底部積水的排空。

2）端部過渡件集水槽（圖13）設計，省去濾網結構。

3）排水主要都安排在車體外部，不占用車內空間。

4）工藝可操作性好：端部除焊接過渡件集水槽及下部分離件排水槽外外，型材自帶排水腔，工藝操作簡單，且結構更加美觀。

5）因雨檐斷面變大，即使雨量增大，圓頂及平頂部分雨水也能順利進入雨檐排水槽，車體外側雨痕減少。

一體式結構的缺點是：

1）因端部排水腔和車體角柱是一體的，長久的潮濕環境會對加快車體的腐蝕。維護成本較高，更換端角柱費時費力。

2）因下部分離件排水槽遮住了端墻和底架端梁之間的橫焊縫，會造成此橫焊縫漏焊或者漏探傷現象。雨水流經此處會進入底架邊梁及端梁型腔內部，造成底架滲水現象。

4 車外排水結構--端部分離排水腔式

這種車外排水結構，和上述車外排水（一體式）結構類似，不同的是端角柱型材斷面分成兩個部分，端角柱主體部分和排水型腔部分，兩個部分焊接或者粘接成一體，如圖14所示。

和端部一體排水結構一樣，圓頂和平頂積水先流入雨檐排水槽，然后經過雨檐排水槽流到端部過渡件集水槽，最后進入端部排水槽流到車端底部，從而排出車外。圖15為過渡件處詳細視圖。

分離式結構相比一體式結構，還具有如下幾項優點：

1）可靠性好。因排水槽單獨成型，故車體端角柱不參與排水。水流不經過主體結構，減少了潮濕環境對車體主體結構的影響。

2）工藝性好。單獨成型的排水槽，工藝上比較容易實現，可以粘接或者焊接到車體端部。

3）安全美觀。因排水型腔整體沿角柱輪廓拉伸出來，排水槽成為車體一部分，端部看不到排水管。

4）可維護性好。排水槽粘接在車端，如出現腐蝕現象，可以直接更換新的排水槽，操作方便。

分離式結構的缺點是：

1）因排水槽型材壁厚較薄，焊接到車端，容易出現焊接過燒現象。

2）因車體端角柱和排水槽是分離的，工藝操作輪廓度會出現一致性不高現象，影響外觀。

5 總結

車頂排水結構作為車輛設計的一部分，對車輛的制造有運營都有非常重要的影響。排水結構的設計必須保證車頂不積水及車頂雨水、冷凝水能及時排出。以上詳細介紹了軌道車輛鋁合金車體常用的四種排水結構設計方案及各自的優缺點，供同類型車輛設計參考。設計時具體采用哪種排水結構方案，需要根據項目規定的限界、客戶的個性要求、車體材質等因素綜合考慮決定。

參考文獻：

[1]嚴雋耄.車輛工程（第三版）[M].北京：中國鐵道出版社，2007.

[2]王伯銘.城市軌道交通車輛工程[M].成都：西南交通大學出版社，2007.

[3]臧興旺，李永富.高速軌道列車空調排水系統研究[J].科技創新與生產力，2017，38（07）：116-118.