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1、畢業(yè)設計(論文)版權使用授權書本畢業(yè)設計(論文)作者完全了解蘭州交通大學有關保留、使用畢業(yè)設計(論文)的規(guī)定。特授權蘭州交通大學可以將畢業(yè)設計(論文)的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索,并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校向國家有關部門或機構送交設計(論文)的復印件和電子文檔。(保密的畢業(yè)設計(論文)在解密后適用本授權說明)指導教師簽名:畢業(yè)設計(論文)作者簽名:簽字日期:年月日簽字日期:年月日本科畢業(yè)設計(論文)動車組車體三維設計EMUBodyThree-dimensionalDesign摘要近年來,隨著中國國民經(jīng)濟水平的提高,人們對列車的運行速度、舒適性、
2、安全性的要求越來越高,進而刺激了我國動車組行業(yè)的發(fā)展。鐵路第六次提速調(diào)圖后,和諧號”CR海列動車組成為我國中東部地區(qū)鐵路運輸?shù)闹鹘?;目前,在我國既有線上的動車組車型主要有:CRH1、CRH2、CRH3和CRH5等;止匕外,我國的高速鐵路也蓬勃發(fā)展,多條客運專線也都在建,已投入運行的部分區(qū)段最高運行速度已突破300km/h??偠灾?,中國鐵路正在發(fā)生著天翻地覆的變化。本論文以CRH3型動車組中間車體為研究對象,首先對該型動車組做一個簡單的介紹,了解它的國外背景、在中國的生產(chǎn)廠家,以及它的結構特點和編組方式等;其次,重點介紹CRH3型動車組的車體,介紹它的結構特點、選用材料的種類及該材料的特點。在
3、此基礎上,利用三維建模軟件SolidWorks建立實體模型,在設計建模的過程中,介紹組成車體的車頂、側墻和底架等部件的結構特點以及重要部位的建模過程;止匕外,介紹目前應用于車體的相關技術,例如:輕量化、流線形、密封性和降聲隔噪等。設計建模完成之后,對動車組受電弓的結構做一個簡單介紹,另外對目前各型動車組常用的受電弓列舉一下。關鍵詞:動車組;鋁合金車體;受電弓;三維設計AbstractInrecentyears,withtheimprovementofthelevelofChinasnationaleconomy,peopletrainspeed,comfort,safetyrequiremen
4、tsarehigh,soastostimulatethedevelopmentofChinaEMUindustry.Afterthesixthrailwayspeedincreaseanddiagramadjustment,HarmonyCRHseriesEMUconsistingoftheeasternrailtransportprotagonist;currently,inourexistinglineofEMUmodelsaremainly:CRH1,CRH2,CRH3andCRH5etc;inaddition,Chinashigh-speedrailwayisalsobooming,m
5、ulti-passengerlinearealsounderconstruction,partofthesectionhasbeenputintooperationhasexceededthemaximumoperatingspeedof300km/h.Allinall,Chinasrailwayisundergoingtremendouschanges.Inthispaper,anintermediateCRH3EMUbodyforthestudy,thefirstoftheEMUtomakeabriefintroduction,understandingitsforeignbackgrou
6、nd,Chinesemanufacturers,aswellasitsstructuralcharacteristicsandgroupingmethods;secondly,focusesonthebodyCRH3typeEMU,introducesitsstructuralcharacteristics,thetypeofmaterialselectionandcharacteristicsofthematerial.Onthisbasis,theuseofthree-dimensionalmodelingsoftwareSolidWorkssolidmodelissetinthedesi
7、gnprocessmodeling,weintroducethestructuralcharacteristicsofthecompositionofthevehicleroof,sidewallsandthebasechassisandothercomponentsaswellasimportantpartsofthemodelingprocess;furthermoreintroducescurrentlyusedinvehicle-relatedtechnologies,suchas:lightweight,streamlined,reducingacousticnoise-isolat
8、ingandsealingthelike.Afterthecompletionofthedesignmodel,thestructureofEMUpantographmakeabriefintroduction,inadditiontovarioustypesofcurrentEMUconventionalpantographincludeit.KeyWords:EMU,Aluminumbody,Pantograph,Three-dimensionaldesign目錄摘要AbstractII目錄III1緒論11.1 論文的選題背景和研究意義11.1.1 選題背景11.1.2 研究意義31.2
9、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.3 論文的主要研究內(nèi)容42CRH3型動車組52.1 CRH3動車組原型52.2 CRH3動車組分類52.3 CRH3動車組車體結構62.3.1 車體承載結構73鋁合金車體103.1 國內(nèi)外鋁合金車體發(fā)展現(xiàn)狀103.1.1 國外鋁合金車體發(fā)展現(xiàn)狀103.1.2 國內(nèi)鋁合金車體發(fā)展現(xiàn)狀103.2 鋁合金車體的特征113.3 高速鐵路客車車體用的鋁合金材料113.4 鋁合金車體材料的特點113.4.1 擠壓特點113.4.2 鋁合金材料的焊接性能123.4.3 鋁合金焊接的主要問題123.5 鋁合金車體結構發(fā)展特點134動車組車體的三維設計144.1 動車組車體設計思路144.1
10、.1 設計思路144.2 車體的設計及建模154.2.1 建模軟件Solidworks154.2.2 車體的設計及建模154.2.3 車體的裝配225受電弓的基本結構235.1 弓頭235.2 框架245.3 底架245.4 傳動系統(tǒng)24結論26致謝27參考文獻271緒論1.1 論文的選題背景和研究意義1.1.1 選題背景世界高速鐵路的發(fā)展鐵路自誕生后的200年以來,因為有舒適性好,運輸能力大,速度相對較高等優(yōu)點,故而得到了快速發(fā)展,鐵路在現(xiàn)在交通運輸中有著特殊的地位,已經(jīng)成為性價比最高的旅行交通運輸方式。鐵路運輸?shù)母咚倩殉蔀橐环N世界潮流,沖擊著各個國家的交通運輸結構,同時刺激著各種現(xiàn)代交通
11、運輸方式改進性能,提高速度。高速鐵路伴隨著經(jīng)濟、科技、社會發(fā)展的步伐應運而生。日本高速鐵路-新干線19世紀中期,日本鐵路開始發(fā)展,由于日本人口密度大,資源匱乏,導致鐵路運輸在該國有著特殊的地位,日本人也不斷致力于提高列車運行速度。20世紀60年代,世界上第一條高速鐵路-新干線正式開始建設。五年后,東海道新干線正式投入運營,全長2000公里的新干線成為日本國民經(jīng)濟發(fā)展的命脈。目前,新干線上列車運行的最高速度可達300km/h,在新干線上運行的高速列車主要有:0系動車組、500系動車組、700系動車組和E2系動車組。經(jīng)歷長達40多年的發(fā)展,新干線列車一直采用先進技術,使得電力動車組性能日益完善。從
12、一定意義上來說,新干線的發(fā)展是世界高速鐵路發(fā)展的縮影,新干線”已經(jīng)成為世界高速鐵路的代名詞。法國高速鐵路與TGV高速列車法國在鐵路運輸方面也遠遠領先世界其他國家,1955年3月,法國人就創(chuàng)造了331km/h試驗速度的電力機車;兩年后,CC-6500型電力機車牽引客車的運營速度達到200km/ho但是,到1970年左右,隨著公路和航空運輸?shù)目焖侔l(fā)展,法國鐵路運輸行業(yè)受到前所未有的挑戰(zhàn)。于是,法國人也像日本人一樣開始著力發(fā)展自己的高速鐵路,經(jīng)過長達十余年的發(fā)展和研究,東南線高速鐵路于1981年正式開始投入運營。隨后,法國又修建了長達1500公里的鐵路路網(wǎng),主要有:大西洋線、地中海線、東南延伸線和巴
13、黎地區(qū)聯(lián)絡線等。隨著高速鐵路的迅速發(fā)展,高速列車發(fā)展也不甘示弱,從1976年開始,法國開始研究交-直傳動的TGV-PSE,五年后正式投入運營;此后,又先后研究制造了交-直-交傳動的TGV-A、TGV-TMST、TGV-2N等型號的高速動車組。1900年5月法國在大西洋線創(chuàng)造了515.3km/h試驗速度的世界紀錄,2007年4月法國TGV又一次刷新了自己的記錄,把實驗速度提高到574.8km/h0德國高速鐵路和ICE高速列車德國有著悠久的鐵路歷史,第一條鐵路誕生于1835年,連通著紐倫堡和菲爾特。20世紀初期,西門子公司制造的電力機車創(chuàng)造了162.5km/h的運行速度,此后德國鐵路列車快速發(fā)展,
14、至IJ1945年,德國已經(jīng)有200km/h的快速列車。和其他歐洲國家一樣,德國鐵路的發(fā)展也在20世紀60年代受到了前所未有沖擊,但由于政府一直重視鐵路的發(fā)展和加上法國成功發(fā)展高速鐵路的刺激,聯(lián)邦德國展現(xiàn)出了他們驚人的技術能力,高速鐵路發(fā)展蒸蒸日上。經(jīng)過多年的發(fā)展,德國的高速鐵路路網(wǎng)規(guī)模高達900度公里,并且還有多條在建干線。在長達半個世紀的發(fā)展中,德國人先后研究制造出:ICE1、ICE2、ICE3、ICE-T和ICE-TD等高速動車組,運行速度不斷提高。目前,德國已成功研制出運行速度高達350km/h的高速電動車組。高速鐵路是一個有著國際性和時代性的概念。1985年5月,聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會將
15、高速鐵路最高運行速度的規(guī)定是:客運專線300km/h,客貨混線250km/ho1986年1月,國際鐵路聯(lián)盟秘書長勃萊認為,高速列車的最高運行速度應不低于200km/ho因此,國際上目前公認列車最高運行速度達到200km/h及以上的鐵路叫高速鐵路。我國高速鐵路的發(fā)展1990年以來,我國出現(xiàn)了買票難、乘車難”的局面,且日益加劇。止匕外,受到其他運輸行業(yè)的沖擊,鐵路運輸行業(yè)出現(xiàn)前所未有的沖擊,鐵路提速成為此時的頭號大事。經(jīng)過十余年的發(fā)展,中國鐵路先后經(jīng)歷了五次大提速,取得了實質(zhì)性的效果。為了進一步加快中國鐵路高速化的發(fā)展,于2007年中國鐵路進行了第六次提速調(diào)圖,和諧號”CR海列動車組開始投入運營,
16、中國鐵路從此進入高速時代。根據(jù)國務院引進先進技術,聯(lián)合設計生產(chǎn),打造中國品牌”的指導方針,中國鐵路依靠國外先進的高速鐵路技術,立足國內(nèi),自主創(chuàng)新,已取得了實質(zhì)性效果。第六次提速調(diào)圖后,160km/h及以上提速區(qū)段里程高達1.4萬km。隨著提速戰(zhàn)略的不斷深入,在2008年8月,時速350km/h的動車組在京津高速線上正式投入運營,開啟了我國300km/h以上高速列車的新篇章。止匕外,列車運行速度高達350km/h的京滬高速鐵路也已開通運營,全長1300多公里。根據(jù)中國政府在2004年發(fā)布了中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃,在我國建成小康社會時,我國鐵路客運專線將達1.8萬km,包括四縱四橫”客運專線以及三個城際
17、客運系統(tǒng)。此外,我們國家將重點建設長三角、珠三角和環(huán)渤海三個城際區(qū)域軌道交通網(wǎng)。我國動車組的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢和國際上一樣,我國的動車組是指速度達到200km/h及以上,大多實施動車、拖車混合編組的動力分散交流傳動模式。目前我國的動車組不僅可以在鐵路既有線上正常運營,還可在中國鐵路既有線指定區(qū)段以及新建客運專線上以200km/h速度級正常運行。動車組的車種主要有:座車、餐車、臥車、座車與餐車合造車及帶有司機室的頭部合造車。就目前而言,我國速度為200km/h速度級以上的動車組主要有CRH1、CRH2、CRH3、CRH5,分別由四個不同的廠家制造生產(chǎn)。盡管在總體技術條件方面基本相同,但由于從不同國家
18、引進技術的不同及原型車方面的差異,我國不同的動車組在動力和技術配置等方面依然存在著一定的差別。在不久的將來,中國動車組將朝著標準化,系統(tǒng)化,統(tǒng)型化方向發(fā)展。整合已有的技術平臺,取長補短,通過不斷地優(yōu)化,提出適合中國動車組發(fā)展的統(tǒng)一總體技術方案,建立簡統(tǒng)化的同一平臺,實現(xiàn)模塊化,譜系化。1.1.2 研究意義進入21世紀以來,隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,我國鐵路事業(yè)發(fā)展迅速,取得了很大的成效。但是,我國人口眾多,導致鐵路運輸能力與運輸需求之間的矛盾仍然十分突出,已經(jīng)成為我國經(jīng)濟發(fā)展的阻礙。因此,對我國來說,擴大鐵路運輸能力刻不容緩,以緩解鐵路運輸?shù)膲毫?,加快?jīng)濟的發(fā)展。為了解決這些問題,我們可以從以下
19、方面來考慮:首先加快鐵路新干線的建設,增設客運、貨運專線。其次,要依靠引進國外先進的生產(chǎn)技術,自主創(chuàng)新研發(fā)的發(fā)展戰(zhàn)略,大力發(fā)展我國的高速列車,提高列車運行速度。依靠引進、消化、吸收國外先進生產(chǎn)技術的發(fā)展戰(zhàn)略,使得我國機車車輛裝備行業(yè)的制造能力有了大幅度的提高,但是與德國、日本等發(fā)達國家相比還有很長的一段路要走。通過本課題的研究,了解當前世界鐵路行業(yè)的發(fā)展趨勢,認清我國與其他該行業(yè)頂尖國家的差距,因而明確我國的發(fā)展戰(zhàn)略。近年來,我國動車組發(fā)展勢頭猛烈,經(jīng)濟發(fā)達的東部地區(qū)已基本實現(xiàn)動車組的全面覆蓋。為了繼續(xù)發(fā)展動車組,鐵路部門要加快國內(nèi)客車動車組產(chǎn)品的開發(fā)速度,提高我國機車車輛裝備水平,為打造中國
20、品牌的動車組而努力奮斗。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著全球城市交通和鐵路交通的快速發(fā)展,車體的升級、發(fā)展和輕量化已越來越重要。原始密封性能差,自重大并且運行速度慢的碳鋼車體正在被淘汰,被具備輕量化、耐腐燭、美觀柔和的鋁合金車體所取代。目前,隨著經(jīng)濟的發(fā)展,各個國家更加重視鐵路交通運輸行業(yè)的發(fā)展,一些發(fā)展中國家正在大力發(fā)展鐵路運輸行業(yè),批量生產(chǎn)鋁合金車體的能力正在不斷提高。總體而言,目前動車組車體大都采用鋁合金型材,所以在下一章我們重點介紹國內(nèi)外有關鋁合金車體的相關內(nèi)容,在此不再贅述。1.3 論文的主要研究內(nèi)容本論文以CRH3型動車組中間車體為研究對象,參照CRH3的相關參數(shù)和圖紙,重點研究以下內(nèi)容
21、:了解CRH3動車組;了解CRH3動車組車體的結構特點和選用材料的特性;用三維設計軟件進行動車車體曲面建模;車體外形的空氣動力學考慮;鋁合金金車體;受電弓的結構。2CRH3型動車組CRH3型電力動車組,是為了加快我國鐵路的高速化進程,營運新建的客運專線和高速鐵路,由我國鐵道部向德國西門子公司訂制的CRH系列高速動車組。我國將所有“引進國外技術、聯(lián)合設計生產(chǎn)”的中國鐵路高速(CRH)車輛均命名為“和諧號”。2.1 CRH3動車組原型CRH3動車組的原型是德國鐵路的ICE-3列車,中國鐵道部通過引進西門子公司的先進生產(chǎn)技術,以自主消化吸收的方式,由中國中車唐山軌道客車廠在國內(nèi)生產(chǎn)實現(xiàn)國產(chǎn)化。為了中
22、國鐵路第六次大提速的進行,中國鐵道部于2004年8月展開了時速200公里級別的高速動車組技術引進招標,但由于當時西門子公司提出了高昂的轉讓技術、車輛造價費用,所以雙方在第一輪招標中未達成任何協(xié)議。直到2005年11月,中國鐵道部和西門子公司在“以市場交換技術”的原則下簽訂協(xié)議,西門子公司因而得到了60列時速300公里的高速列車訂單,總價值達6.69億歐元,最終被命名為CRH3C。此外,長春軌道客車廠已于2009年3月獲得德國西門子公司的授權,生產(chǎn)30輛16節(jié)編組的電力動車組,命名為CRH3D。長客成為CRH3系列動車組的其中一家生產(chǎn)商。2.2 CRH3動車組分類(1) CRH3ACRH3A型動
23、車組由中國北車所屬的長客股份公司和唐客公司聯(lián)合設計生產(chǎn),并于2013年6月8日正式在長客亮相。CRH3A型動車組以CRH380BL技術平臺為基礎,借鑒了CRH380BL、CRH380CL、CRH380B、CRH5型動車組的優(yōu)點,研制開發(fā)的自主知識產(chǎn)權動車組。CRH3A型動車組最大的優(yōu)點是可根據(jù)不同的運營線路以不同的速度運營,速度等級主要分為三類:時速160公里、時速200公里、時速250公里,是當今國內(nèi)唯一既適合時速200250公里之間客運專線、又適合時速160250公里之間城際鐵路運行的動車組。與之前國內(nèi)運行的這一速度等級的動車組相比而言,CRH3A型動車組還有很強的成本優(yōu)勢和售后維護優(yōu)勢。
24、(2) CRH3CCRH3c型動車組是由唐山軌道客車廠實現(xiàn)國產(chǎn)化制造的CRH3型動車組,至今已制造出多達38組并配發(fā)于相關的鐵品&局,編號依次為CRH3C-3001、CRH3C-3003、CRH3-005C至CRH3-040C,在結構方面和進口車完全一樣。2007年9月首組國產(chǎn)化鋁合金車體完成制造,所以唐客方面起初預計這組列車將于于2008年3月31日正式出廠,但由于部分國產(chǎn)化列車零部件未能按時運至唐山,導致出廠時間延至4月11日。2008年6月下旬正式試驗,在試驗中由唐山軌道客車廠制造的第一列國產(chǎn)CRH3C-3001型動車組在京津城際鐵路創(chuàng)下了394.3km/h的最高速度,并且加速性能也十分
25、優(yōu)良,在當天的試驗中CRH3c將速度提升至300km/h僅用了5分鐘。2008年8月1日京津城際鐵路正式開通運營,CRH3C型動車組也于當日投入運營該鐵路,其最高運營時速高達350km/h,是當今世界日常運營速度最快的輪軌高速鐵路。CRH3c型動車組配屬于北京鐵路局和廣鐵集團,主要用于京津城際鐵路和武廣高鐵。(3) CRH3D2009年3月西門子公司和中國北車集團再次獲得鐵道部100列以CRH3c為基礎的十六車廂大編組動車組新訂單,命名為CRH3D,其中70列由長客生產(chǎn)制造,30列由西門子公司制造。該型動車組的最高運行速度達350km/h,車體外觀與CRH3c基本一致,主要用于京滬高鐵。2.3
26、 CRH3動車組車體結構CRH3型動車包括八輛車五種車型,其中四輛是動車。CRH3動車組車體結構主要分為頭車車體和中間車體兩種。頭車車體由底架,側墻,車頂,端墻,車體附件(車下設備艙,前罩開閉裝置和排障裝置)及司機室頭部結構組成,中間車車體由底架,側墻,車頂,端墻,車體附件組成3。各型車體根據(jù)功能,附屬設備等不同而在車體結構上不盡相同,但其主要結構形式相似。地板,側墻,車頂均由五塊型材組焊而成。車體橫斷面的連接形式分為搭接和插接兩種形式。搭接部位是為了調(diào)整車體的橫斷面尺寸,車體組焊完成后能夠滿足動車組車體橫斷面的設計要求。24825mm(中間車)17375mm3259mm3915mm1300m
27、m25860mm(頭車)動車組的主要技術參數(shù):車輛長度(包括車鉤)車輛定距車體寬度車頂距軌面高度地板面距軌面高度CRH3動車組各車廂車體質(zhì)量表:表2.1各車廂車體質(zhì)量表車廂EC01TC02IC03BC04FC05IC06TC07ECO8質(zhì)量(kg)10935110351108510885108851108511035109352.3.1車體承載結構該動車組的車體承載結構采用車體全長的大型中空鋁合金型材組焊而成,為筒形整體承載結構。這樣使得車體具有很好的防震,隔音效果,尤其是側墻。車體所使用的材料為可焊鋁合金,這種材料確保了車體有非常好的防腐性40由于本論文在后面要以IC03車重點介紹車體的結構
28、組成,所以在這里只列舉幾個中間車體的不同結構(如側墻和車頂)和中間車沒有的司機室,至于共同結構在后面詳細介紹。司機室:司機室主要有前墻、側墻、頂板和端部環(huán)形框組成,如圖2.1所示。側柱與車頂彎梁對應,受力情況最為理想,在司機室車頂?shù)那安块_一個很大的開口,為了方便球面玻璃的安裝,在開口中間加一個矩形型材來增加整體的強度。CRH3司機室最為明顯的一個特點是由梁柱和墻板組成,在斷面上有四個通長的梁構成,如圖2.2所示。司機室另一個顯著的特點是梁柱不直接與板焊接,如果直接與板焊接就會造成焊接變形,影響整體的美觀。所有的板本身就帶有筋,梁柱焊接在筋上,因而降低外板的變形如圖2.3所示。在設計車前部時,有
29、一個具有很小空氣阻力的空氣動力學模型,這是設計的關鍵。車鼻錐體和前輪廓的結構盡可能設計成流線形,以減小空氣阻力,提高乘坐舒適性。側墻CRH3型動車組車體的側墻結構大體相同,均為鋁合金輕型結構。側墻板為大型鋁合金擠壓型材。各車側墻的外部輪廓及型材斷面組成均相同,都是由5塊大型中空擠壓型材拼焊而成。CRH3型動車組由8輛車廂編組,由于各個車廂功能的不同,所以在制造車廂的車體時,側墻上的開窗各不相同。根據(jù)不同的要求和功能,側墻可根據(jù)側門的不同分為四類。EC01和EC08車只在司機室的一端有一個側門。TC02,TC07車和IC03,IC06車兩端都有側門,車窗的布置在車體結構上也完全相同,只是附件略有
30、不同。BC04是餐車,沒有側門。FC05只有一個側門。車頂車頂?shù)墓餐Y構高頂?shù)耐獠枯喞靶筒臄嗝娼M成均為共同結構,都是由5塊大型中空鋁合金拼焊而成。這五塊型材又可分為兩部分,即構成中頂?shù)娜龎K和兩側邊頂?shù)膬蓧K。中頂?shù)娜龎K型材之間是靠內(nèi)外的兩道V型焊縫連接,而中頂與邊頂之間靠內(nèi)外的兩道焊縫連接。目的是靠此來調(diào)節(jié)整個車頂?shù)目偝叽缂巴庑屋喞?。高頂為車體整體筒形結構的一部分,除考慮車體整體承受的縱向載荷及垂向載荷以外,還要考慮車內(nèi)風道,線槽,頂板,行李架等內(nèi)部裝置的安裝。這些是通過沿車體縱向通長的5道C型槽實現(xiàn)的。C型槽的位置是設計型材斷面的重要參考數(shù)據(jù)之一。車頂應滿足體重100kg的工作人員在車頂行走
31、而不損壞的強度要求。車頂?shù)姆诸悾汉蛡葔σ粯?,由于車體不同的要求和功能,各車體的車頂也不同。根據(jù)車頂安裝設備的不同,車頂大致分為以下4種,EC01和EC08車:車頂大的安裝結構僅有空調(diào)安裝座及開孔;TC02和TC07車:車頂大的安裝結構不僅有空調(diào)安裝座及開孔,還有安裝受電弓等設備的大平頂;IC03車和IC06車:車頂大的安裝結構僅有空調(diào)安裝座及開孔;BC04和FC05車:車頂大的安裝結構不僅有空調(diào)安裝座及開孔,還有安裝其他設備的小平頂。圖圖2.1司機室結構圖圖2.2司機室斷面圖圖2.3司機室側墻板連接圖3鋁合金車體3.1 國內(nèi)外鋁合金車體發(fā)展現(xiàn)狀在第一章,我們已經(jīng)介紹了,隨著技術的進步,鋁合金車
32、體已經(jīng)成為現(xiàn)代動車組車體的首要選擇。在此,我們重點介紹一下國內(nèi)外鋁合金車體的發(fā)展現(xiàn)狀。3.1.1 國外鋁合金車體發(fā)展現(xiàn)狀在國外,高速列車起步很早,大都采用動車組模式運營。就目前而言,德國、法國和日本等大多數(shù)國家都掌握200km/h高速動車組技術,但只有一小部分國家有自主知識產(chǎn)權,比較著名的有德國的ICE系列動車組、法國的TGV系列動車組和日本的新干線系列動車組。為了追求更高的運行速度,各個國家紛紛采用鋁合金材料作為車體材料,以便進行輕量化設計9。通過近些年對鋁合金車體的不斷研究與改進,鋁合金車體制造技術已趨于成熟,車體重量不斷變輕,進而提高了列車的運行速度??傊藗儗α熊囘\行速度的要求不斷推
33、動著鋁合金車體制造業(yè)的發(fā)展。3.1.2 國內(nèi)鋁合金車體發(fā)展現(xiàn)狀自我國有鐵路以來,我國鐵路運輸行業(yè)一直采用機車牽引車廂的運行模式,直到1978年以后高速動車組這一運輸模式才被推廣到國內(nèi)并得到一些應用。因此鋁合金車體在我國的起步比較晚。1980年,采用日本技術的首輛鋁合金地鐵車體在長春生產(chǎn)成功,但該類型的車體采用板梁機構設計,存在著對制造工藝要求高、車體的平整度不好、制造成本高等缺點,因而在市場上沒有得到認可。20世紀90年代中期,由鐵道部牽頭組織開發(fā)制造出中國第一臺ICE2型混合結合的鋁合金車體,從德國進口的鋁合金材料在該車體上應用,車體通過自動設備焊接而成,而窗口是由機加工設備切割而成。ICE
34、2型混合結合的鋁合金車體在我國的成功制造,在某種意義上促進了我國鋁合金型材制造車體技術的發(fā)展。經(jīng)過專業(yè)人員將近十年的不懈努力,在某些關鍵材料配套上已基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化,不僅解決了高成本的問題,而且為我國鋁合金車體發(fā)展提供了良好的條件。我國第一條鋁合金車體自動化焊接生產(chǎn)線與2000年在中國中車長春軌道客車股份有限公司建成,在這條生產(chǎn)線上,我國的第一輛磁懸浮列車、210km/h電力機車、270km/h高速列車和地鐵等相繼制造出來。這條生成線的成功運行標志著我國鐵路運輸行業(yè)車體制造技術發(fā)展達到了一個新的高度,之后南京、株洲等車輛廠也陸續(xù)建立了自己的鋁合金車體生產(chǎn)線,于是我國進入了鋁合金車體國產(chǎn)化、批量
35、化生產(chǎn)的時代,不再依靠進口。近年來隨著我國綜合國力的提升,國家對鐵路行業(yè)不斷加大投入,給鋁合金車體制造企業(yè)提供了良好的發(fā)展環(huán)境,鋁合金車體的國產(chǎn)化標志著我國高速動車組制造行業(yè)進入快速發(fā)展的階段。3.2 鋁合金車體的特征優(yōu)異的擠壓特性:鋁合金具有良好的塑性,擠壓成型容易,可以根據(jù)車體的優(yōu)化設計,擠壓出各種復雜形狀的斷面,寬度還可達700800mm,長度可達30m,隨著大型擠壓型材的開發(fā)和研制,車體各個部件的制造已由鋼質(zhì)車體結構那種骨架敷以外板的傳統(tǒng)工藝,改為骨架、外板一體化的大型擠壓型材拼裝新工藝??梢源蠓鹊販p少焊接工作量,使車體結構制造工藝大為簡化,降低制造工時。優(yōu)良的耐腐蝕性:由于鋁元素和
36、氧元素的親和力很強,在空氣中鋁合金易于氧元素結合生成致密的氧化物薄膜(AI2O3),保護著車體。因此,鋁合金具有優(yōu)良的耐腐蝕性,車體可實現(xiàn)無涂裝化。這不僅可以降低制造和維修的費用,還可以改變操作的條件,減少在車輛廠停修的時間,提高車輛的使用效率,適當延長車輛的使用壽命。一般而言,鋁合金車體相比鋼質(zhì)車體而言,有高達十年長的使用壽命。可實現(xiàn)車體的輕量化:鋁合金的密度比較小,約為鋼的三分之一。如果鋁合金車體在形狀、尺寸和鋼制車體完全一樣,那么鋁合金車體的重量僅為鋼制車體的三分之一。但為了考慮整個車體的剛度和強度,要對鋁合金車體的板厚適當加強。其結果是,當鋁合金車體的剛度和強度和鋼質(zhì)車體差不多時,鋁合
37、金車體的重量只有鋼制車輛的一半左右,進而實現(xiàn)了輕量化。3.3 高速鐵路客車車體用的鋁合金材料鋁合金材料種類多樣,性能各異,應根據(jù)車體不同位置的需要情況,選擇鋁合金的種類。目前,高速鐵路車體主要采用的鋁合金材料有:Al-Mg系合金、Al-Mg-Si系合金以及Al-Zn-Mg系合金三個系列。3.4 鋁合金車體材料的特點3.4.1 擠壓特點鋁合金車體各大部件采用擠壓加工制造而得到廣泛的應用,而且取得了良好的效果,這是因為擠壓加工技術相比于其他壓力加工技術有很多的優(yōu)點。可以擠壓出復雜形狀的斷面。鋁合金車體由于其結構設計的要求,某些斷面形狀比較復雜,例如車體底架結構。擠壓加工不僅能生產(chǎn)出單一形狀的斷面,
38、而且能夠擠壓出變截面、形狀復雜的型材。所以能夠較好地適應鋁合金車體結構設計的相關要求??梢猿浞职l(fā)揮加工金屬的塑性。在擠壓生產(chǎn)過程中,被擠壓金屬在變形區(qū)能獲得比鍛造、軋制更為強烈和均勻的三向壓縮應力狀態(tài),使材料本身塑性得以充分發(fā)揮。同時擠壓過程對金屬的力學性能也有很好的影響。加工范圍廣,制造工藝比較簡單。對于不同形狀、種類及規(guī)格的部件,只要更換模具就可以在一臺加工設備上完成。而且大多數(shù)部件通過一次性擠壓就可獲得所需的形狀和尺寸,大大提高了生產(chǎn)效率,降低了生產(chǎn)成本。擠壓精度可以滿足鋁合金車體的技術要求。隨著擠壓模具質(zhì)量的提高和擠壓藝不斷的改進,產(chǎn)品的精度和表面質(zhì)量均可滿足車體結構的技術要求,不需再
39、次加工制造工時大為減少。3.4.2 鋁合金材料的焊接性能焊接方法:大多數(shù)焊接方法均可焊接鋁合金材料,但要想獲得高質(zhì)量的焊接質(zhì)量來看,氮弧焊是最佳的焊接方法。焊接鋁合金車體結構的氮弧焊主要有鴇極氮弧焊和熔化極量弧焊兩種。焊絲材料:在鋁合金焊接中,焊絲的選擇主要考慮母材的化學成分,必須同時滿足接頭對抗裂性能和使用性能的要求。因為在焊接中大多數(shù)鋁合金具有不同程度的熱烈傾向,所以通長為了防止焊接裂紋的產(chǎn)生,我們要根據(jù)母材的化學成分選擇焊絲。對于高強度的鋁合金焊接,例如鋁合金車體受力部件的焊接,應采用與母材合金成分完全不相同,但與母材有良好相熔性的焊絲材料,可以獲得良好的抗裂性能。3.4.3 鋁合金焊接
40、的主要問題焊縫容易產(chǎn)生夾雜物。鋁合金表面形成的氧化薄膜使鋁合金具有優(yōu)良的耐腐蝕性和化學穩(wěn)定性,但另一方面給鋁合金的焊接帶來困難。在焊接過程中,氧化膜將阻礙金屬之間的較好熔合,容易形成焊縫夾雜物,導致焊縫質(zhì)量下降。容易產(chǎn)生氣孔。氣孔也是鋁合金焊接時常見的缺陷,與其他金屬材料相比,鋁合金更容易產(chǎn)生氣孔。由于鋁合金中不含碳,因此不存在生成CO2的條件,所以氫是鋁合金焊接時產(chǎn)生氣孔的主要原因。焊接熱裂傾向。鋁合金材料的線膨脹系數(shù)比鋼大,所以在焊接時,由于過大的內(nèi)應力而產(chǎn)生熱裂紋。除此之外,鋁合金焊接由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時,其顏色無明顯變化,在焊接過程中給操作者帶來很大的困難,無形中提高了焊接的復雜程度。3.
41、5 鋁合金車體結構發(fā)展特點鋁合金車體結構的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個過程。開始應用階段:只是將鋼制車體骨架和板材換為鋁合金。其性狀和尺寸基本不變,型材的應用也相對簡單。進入20世紀80年代以后,隨著擠壓技術的大力發(fā)展,大型薄壁、寬幅、空心、形狀復雜的一體化結構擠壓成功,使鋁合金車體結構設計與制造進入了一個全新的階段c20世紀80年代末至今,鋁合金車體結構更加趨于薄壁化、整體化、合理化。部件數(shù)量更加減少,質(zhì)量有了進一步提高。車體結構全部采用大型中空型擠壓型材。告別了車體結構上的立柱、補強板、橫梁等一些構件。車窗采用挖洞方法制造,各個部件在車體縱向方向上的焊接組成,提高了裝配自動化和機械化程度,使得生產(chǎn)更
42、加快速化、合理化804動車組車體的三維設計4.1 動車組車體設計思路高速動車組車體不僅需要承受乘客以及各種設備的重量,而且在運行過程中還要承受縱向、橫向和垂向載荷等動態(tài)載荷的作用。因此,車體結構應具有足夠的剛度,使得安裝在其上的設備之間的相對位置在列車運行過程中保持不變,還可以減小由于剛度不足而引起的振動和噪聲,提高旅客乘坐的舒適性;車體結構也應具有足夠的強度,以保證其可靠性和使用壽命;在保證剛度和強度的前提下,盡可能減小車體質(zhì)量。從安全性方面考慮,車體底架結構應具有易于吸收撞擊能量的特點。4.1.1 設計思路高速動車組車體結構設計要求高速動車組車體設計的首要目標是高速、舒適、安全及結構的輕量
43、化,但這些設計目標又相互制約,互相矛盾,所以,高速動車組車體設計在滿足現(xiàn)代車輛設計規(guī)范的前提下盡可能折中和優(yōu)化這些目標。在車體結構設計中必須考慮以下幾個要求。車體強度:為保證車輛在運行中有足夠的強度,必須能承受一定的載荷工況,以符合車輛的強度設計規(guī)范。需校核車體結構的強度和剛度,同時要進行結構疲勞設計車體剛度:這主要是控制車體的垂向位移和扭轉角位移。車體自振頻率:這與車輛運行品質(zhì)和安全密切相關,因此,規(guī)范中對車體第一階垂向彎曲模態(tài)有一定的限制。車體的耐碰撞安全防護:即要求設計一個更強的客室結構,同時在車體的非乘客區(qū)設置能量吸收區(qū)。以吸收撞擊動能,保證乘客安全。結構輕量化:在保證安全和使用壽命的
44、前提下,盡量做到結構的輕量化。車體結構所占車輛自重的比例很大,因此設計時尤其應注意減輕其自重。車體的相關技術車體的相關技術主要有:輕量化、流線型、密封性和隔聲降噪。近年來人們對列車運行的速度、舒適性和安全性的要求越來越高。因此,車體相關的設計技術就顯得尤為重要。輕量化:高速動車組車體大多數(shù)采用大型中空鋁合金型材,這些型材組焊成薄壁筒形整體承載結構。主要有底架、側墻、車頂、端墻、司機室(頭車)以及車下設備艙等組成。與傳統(tǒng)的鋼制車體相比,鋁合金車體至少減重30%o流線形:結合空氣動力學等知識,流線形車體可以減小空氣阻力、減弱列車運行和交會壓力波、降低噪音和控制車內(nèi)氣壓變化。 氣密性技術:列車高速運
45、行時,尤其是會車和進出隧道時,車外瞬間產(chǎn)生強烈壓力波。車體采用氣密性技術后,會減弱壓力波動,保證乘客的舒適性。 隔聲降噪:優(yōu)化頭型降低氣動噪聲;優(yōu)化車體端部及底架降低噪音等。4.2車體的設計及建模動車組車體的曲面建模通過Solidworks三維建模軟件建立,由于動車組中間車體是由車頂、側墻、底架和端墻組成的,所以在三維建模時,應對各個部件獨立建模。而每個部件又是由不等數(shù)量的大型中空鋁合金型材組成的。因而在建模時,先對每一塊鋁合金型材建模,當每一部分的型材建模全部完成后,裝配起來組成一個部件。最后,各個部件裝配完畢,整體裝配起來組裝成一個完整車體。4.2.1 建模軟件SolidworksSoli
46、dWorks是世界上第一套基于Windows系統(tǒng)開發(fā)的三維CAD軟件。該軟件以參數(shù)化特征造型為基礎,具有功能強大、易學、易用的特點,是當前最優(yōu)秀的中高檔三維CAD軟件之一??傮w來說,新一代SolidWorks不僅使得產(chǎn)品在設計上省時、提高生產(chǎn)力,看起來效果更好,性能更佳,而且其價格和平民化設計在市場上也將更受歡迎。4.2.2 車體的設計及建模車體的外形設計眾所周知,在列車行駛速度不變的情況下,高速動車組的阻力由阻力系數(shù)決定阻力系數(shù)。由于受到限界、內(nèi)部裝置和旅客舒適度等原因,導致車體截面面積,車體的長、寬、高變化的余地不太大。所以車體外形設計最重要的是橫斷面形狀設計。結合已有的設計資料和相關的標
47、準要求,在本設計中,車體的橫斷面形狀為鼓形,并且車身外表面光滑平整,無突出物。具體設計圖如圖4.1所示。從整個外形上看,整個車身橫斷面呈鼓型,即車頂為圓弧形狀。側墻上部向內(nèi)傾斜(5。左右),并以圓弧過渡到車頂;側墻下部向外傾斜(5左右),以圓弧過渡到底架。這種設計不但能減小空氣阻力,而且在緩解列車交會壓力波、橫向阻力和側滾力矩方面有重要作用1。車體的結構設計:車頂?shù)娜S建模車體的車頂是由五塊鋁合金型材焊接組裝而成,由于其是對稱結構,所以建模時只需對三塊型材建模。裝配時鏡像部件即可完成車頂?shù)难b配。車頂作為車體整體的一部分,在設計其結構時,除了要考慮車體整體承受的各向載荷外,還要考慮行李架、風道、
48、線槽等車內(nèi)設備的安裝。這些設備設備的安裝都是通過沿車體通長的5道C型槽完成的。除此之外,動車組在維修和安裝車頂設備時,工作人員要在車頂行走。故車頂設計為拱形結構,滿足工作人員在車頂維修安裝設備時行走但不損毀的強度要求,并且拱形結構有很強的垂向載荷承載能力2。另外結合車體整體橫斷面的設計情況,確定車頂?shù)慕Y構如圖4.2所示。圖4.1車體結構斷面圖現(xiàn)在以型材1和型材2的具體建模過程來說明車頂?shù)慕!.型材1的兩端均設計成帶有斜度的插頭結構如圖4.3所示,型材2的左側也設計成此種結構,使得構成中頂?shù)娜龎K型材之間靠內(nèi)外的兩道V型焊縫(圖4.5)焊接組裝,以確保焊接質(zhì)量。而型材2的右側結構設計成如圖4.
49、4所示,以便型材2和3之間靠內(nèi)外的兩道角焊(圖4.7)焊接組裝,以此可以調(diào)節(jié)車頂?shù)目偝叽绾屯庑屋喞?。b.為了方便車內(nèi)設備的安裝,每個型材上均設有C型槽。其結構如下圖4.6所示。c.車頂型材的平均壁厚是34mm,空腔內(nèi)筋的平均厚度是2.5mm。在保證車頂?shù)膹姸纫笙拢瑵M足車輛輕量化。型材建模全部完成后,實施裝配,組成完整的車頂結構。由于車頂上部要安裝車頂設備,所以還需加工出空調(diào)安裝座、開孔和安裝其他設備的小平頂。最后,得到完整的車頂圖如圖4.8所小。圖4.3插頭結構1圖4.4插頭結構2圖4.5V型焊縫結構圖4.6C型槽結構圖4.7角焊結構圖4.8車頂圖側墻的三維建模結合整個車體橫斷面和車頂?shù)男螤?/p>
50、,及車輛的限界要求和已有成型的側墻結構,確定本設計中側墻結構斷面圖如圖4.9所示。在本設計結構中,車體的側墻由5塊大型中空鋁合金型材組焊而成。在這五塊型材中,最中間的型材3為窗間型材,在該型材上開設窗戶。其余的四塊型材為連續(xù)通長的中空擠壓型材?,F(xiàn)在以上圖中的型材1的建模過程來反映整個側墻的建模過程:a,由于要和車頂?shù)南虏啃筒慕M裝拼焊,所以把該型材的上部結構設計如圖4.3所示,結構設計成這樣是為了和車頂型材拼焊,使得兩型材間的焊縫形式為V型焊縫,保證焊接質(zhì)量。b,在車體的設計要求中,由于要保持車身表面光滑,另外根據(jù)已大致確定的車身斷面圖,該型材的外部結構設計如圖4.10。c.該型材的平均壁厚為3
51、4mm,空內(nèi)筋的平均厚度為2.5mm,在滿足車體強度要求的前提下,盡量實施車體輕量化。d,為了方便車內(nèi)設備的安裝,在該型材上開設C型槽。e,型材1下端接頭的形狀設計結構如圖所示,主要的原因是考慮與型材2的拼焊問題,保證側墻結構光滑,另外焊縫形式設計為V型焊縫,確保焊縫質(zhì)量。其余幾塊型材的設計和建模與型材1大致相同。主要的考慮因素是:側墻整體的設計結構、保證型材間的拼焊質(zhì)量和方便安裝車內(nèi)設備的C型槽。五塊型材建模完成后,實施裝配,組成完整的側墻。由于側墻上有車門、車窗等結構,另外側墻的一端上部開有與車頂相配合的空調(diào)新風口。所以在裝配體的基礎上,還要開設車門、車窗和空調(diào)新風口,本設計設計的是IC0
52、3車,在車體的兩端都有側門。建模全部完成后,得到完整的側墻結構,如圖4.11所示。圖4.11車體側墻圖底架的設計與建模CRH3動車組的底架由底架前端、地板和邊梁三部分組成,邊梁是縱向貫通部件,長度和車體長度相當,地板和底架前端均與邊梁焊接。邊梁的設計:由于底架是車體的主要承載部件,承擔著車體的全部重量,導致車體底架的強度要求非常高。而邊梁作為底架的組成部件,又是連接側墻和底架的中間結構,所以強度要求更加高。結合車體的整體結構及相關的強度要求,邊梁結構設計如圖4.12所示,邊梁型材的平均壁厚是8mm,空腔內(nèi)筋設計成5mm,均高于車體其他部件的壁厚以滿足其強度要求。邊梁的上部結構為帶有斜度的插頭,
53、與側墻下部型材形成V型焊縫。方便與側墻的組裝拼焊,保證車體的整體結構形狀和焊接質(zhì)量。邊梁的左側結構與上部結構大體相同,方便與地板和底架前端的焊接,止匕外,還可調(diào)節(jié)地板的寬度,確保底架整體緊湊、完整。地板的設計:地板是底架中最重要的部分,地板不僅要承載車體、乘客的重量,地板以上還要安裝車上設備,地板以下要懸掛車下設備,因此,強度要求也非常高。地板由六塊大型擠壓鋁合金型材拼焊裝配而成,并且型材均帶有相同的T型槽,各種車上及車下設備均懸掛安裝于T型槽內(nèi),不僅安裝方便,而且可靠性很高。下面以六塊型材中的一塊具體介紹建模過程。考慮到底架的整體結構和強度要求,型材設計如圖4.13所示,型材的整體結構為平直
54、型材,型材右側設計成插頭結構,通過型材的兩條邊與強大的邊梁搭接角焊,保證連接強度。型材上下部分均有T型槽,方便設備的安裝。型材左側設計成帶有斜度的插頭結構,方便與其他型材形成V型焊縫,保證焊接質(zhì)量。型材的平均壁厚為34mm,空腔內(nèi)筋的平均厚度是3mm,以保證型材的強度。圖4.12邊梁結構圖其余五塊型材的設計與建模與上面介紹的型材大致相同,建模完成后。實施裝配,組成完整的地板結構。其中,型材2和7,3和6為對稱型材,建模時只需分別建立個模型,裝配時鏡像零件即可。底架作為承載結構的重要部件,強度要求很高,因而焊接質(zhì)量尤為重要。地板通過地板型材的四條邊與兩個強大的邊梁搭接角焊,保證了焊接質(zhì)量和強度要
55、求,最終得到底架結構如圖4.14所示。圖4.13底板型材結構圖圖4.14底架結構圖端墻的設計及建模端墻就是每個車體的兩個端部,是一個車廂和另一個車廂的分界線,端墻設計里面最重要的就是開設端門,端墻由門框、角柱、端墻板和端墻附件構成,設計圖如圖4.15所示。端墻的結構、形狀主要由車體外形決定。圖4.15端墻結構圖4.2.3 車體的裝配車頂、側墻、端墻和底架的設計建模工作完成后,實施裝配形成完整的車體。得到本論文最終的中間車車體三維模型后如圖4.16所示。圖4.16車體裝配圖5受電弓的基本結構受電弓的特性和結構根據(jù)列車運行速度、接觸網(wǎng)形狀、負荷的大小來設計。但總體來說,一般都由弓頭、框架、底架、傳動系統(tǒng)這幾部分組成。目前在我國,高速動車組采用的受電弓主要有:DSA250型受電弓、SSS400例受電弓、DSA380型受電弓和CX-NG型受電弓。DSA型受電弓的結構如圖5.1所示。圖5.1DSA250型受電弓5.1 弓頭弓頭在受電弓的組成中起著極其重要的作用,其主要組成部件是支持裝置、弓角和滑板等。(1)支持裝置弓頭支持裝置在影響受電弓性能方面起著重要的作用。除牢固、輕便外,弓頭支持裝置必須保證滑板和接觸網(wǎng)接觸平穩(wěn),在不間斷的振動中要具有較高的靈敏度。弓頭與框架的連接通過圓彈簧、板簧或框架相連。(2)弓角
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