美标干线铁路客车车体刚度分析方法

美标干线铁路客车车体刚度分析方法

宫高霞，刘海玲，王顺

(唐山机车车辆有限公司 产品研发中心，河北 唐山 063035)

摘 要：除美标干线铁路外，其他国家干线铁路对车体刚度的规定通常为工作状态下车体固有振动模态应与转向架自振频率充分隔离，以避免产生共振现象。美国干线铁路对车体刚度的规定极为详尽，且易于执行，值得借鉴。

关键词：美标；干线；铁路；客车；车体；刚度

中图分类号：U270.1+2；U270.2 文献标志码：B

第一作者：宫高霞（1984-），女，硕士，高级工程师。

1 引言

车体结构设计有三大基本要求：结构应具备足够的强度，即抵抗破坏的能力，以保证在规定的使用条件下不发生破坏；结构应具备足够的刚度，即抵抗变形的能力，以保证在规定的使用条件下不产生过分的变形；结构应具备足够的稳定性，即保持原有平衡形式的能力，以保证在规定的使用条件下不产生失稳现象。

刚度可定义为规定载荷下的允许变形或最小振动频率。即使车体各位置的应力均低于材料的屈服强度（强度合格）、车体也未发生屈曲失稳变形（稳定性合格），车体也有可能出现过大的垂向变形导致车门运动受阻、车体与转向架发生共振，即刚度不合格。

欧盟EN 12663-1[1]标准规定，在工作状态下，车体固有振动模态应与转向架自振频率充分隔离。以避免在任何速度、车辆装载、悬挂条件下出现不良相应。

UIC 566[2]标准规定，车体固有振动模态应不同于转向架自振频率。

TB/T 3451[3]、TB/T 3550.1[4]标准规定，车体结构的刚度应确保整备状态下车体的一阶垂向弯曲自振频率与转向架的点头和浮沉自振频率的比值大于1.4或车体的一阶垂向弯曲自振频率不低于10Hz。

相比之下，美标干线铁路对车体刚度的规定极为详尽，且易于执行，值得借鉴。

2美标干线铁路对车体刚度的规定

2.1 地板垂向位移

美标干线铁路通常规定，底架地板在AW3计算工况下，地板横梁的间距和尺寸应能将地板的挠曲限制在1/8英寸（3.175mm）及以下，因变形协调，可理解为地板横梁的挠曲应在1/8英寸及以下。

某出口北美不锈钢双层车项目底架骨架结构如图1所示。

1.侧面地板横梁；2.中梁；3.边梁；4.中部地板横梁

图1 底架骨架结构

位于两个中梁之间的中部地板横梁横向挠曲接近于零。侧面地板横梁在靠近边梁位置垂向位移6.2mm，靠近中梁位置垂向位移10.6mm，垂向位移差为4.4mm，看似大于3.175mm，刚度不满足要求，

图2 侧面地板横梁垂向位移云图

其实挠曲限制在1/8英寸及以下的意思是，侧面地板横梁两点连线与挠曲线条的间距小于等于3.175mm。如图3所示，底架地板满足刚度要求。

图3 地板横梁垂向变形曲线

美标干线铁路通常规定，双层车的上层地板横向挠曲应小于横向跨距的1/250。某出口北美不锈钢双层车项目上层地板靠近侧墙侧垂向位移6.0mm，中部垂向位移15mm，垂向位移差为9.0mm，小于横向跨距2900mm的1/250(11.6mm)。

2.2 侧墙横向位移

美标干线铁路通常规定，在AW1工况下，侧墙横向位移限制在1/8英寸（3.175mm）及以下。

某出口北美不锈钢双层车项目，在AW1工况下，侧墙横向位移如图4所示，侧墙最大横向位移2mm，小于3.175mm，侧墙刚度满足要求。

图4 侧墙结构横向位移云图

2.3挠度

美标干线铁路通常规定，在AW1载荷下，边梁挠度不超过1/2英寸（12.7mm），在AW3载荷下，边梁挠度不小于0。

某出口北美不锈钢双层车项目，在AW1载荷下，边梁最大垂向位移为4.7mm，在AW3载荷下，边梁最大垂向位移为5.9mm。

图5 AW1工况底架垂向位移云图

图6 AW3工况底架垂向位移云图

车体生产时预制的挠度区间为不大于5.9mm（确保AW3载荷，边梁挠度不小于0），不大于17.4mm（确保AW1载荷，边梁挠度不大于12.7mm）。

2.4侧墙立柱截面模量

美标APTA-PR-CS-S-034-99[5]规定，侧墙应满足：

a) 沿车长方向的抗弯截面系数

…………………(1.)

式中：

─侧墙最弱水平截面上所有立柱的车长方向抗弯截面系数之和，单位为mm3；

─绘制车身角柱中心与相邻侧墙端角柱中心之间的中间点，车体两端中间点之间的距离，单位为mm；

─立柱原材料的屈服强度，单位为MPa。

b) 沿车宽方向的抗弯截面系数

…………………(2.)

式中：

─侧墙最弱水平截面上所有立柱的车宽方向抗弯截面系数之和，单位为mm3；

─绘制车身角柱中心与相邻侧墙端角柱中心之间的中间点，车体两端中间点之间的距离，单位为mm；

─立柱原材料的屈服强度，单位为MPa。

2.5车顶弯梁截面模量

美标APTA-PR-CS-S-034-99规定，车顶弯梁支撑的车顶部分（即不含空调平顶部分）的水平投影面积，除以任何纵剖面上的车顶弯梁沿车长方向的抗弯截面系数之和，得到的数值不得大于340 mm-1。

2.

6车体模态

各标准关于模态的规定见表1。

表1 各标准关于模态的规定

北美项目根据公式计算车体与空簧组合体的自振频率，简单便捷，因为空簧刚度易于获得。而其他标准需计算转向架的点头和浮沉自振频率，涉及一系、二系悬挂等结构，过程繁琐周期长。

北美项目规定AW0、AW3工况车体一阶垂弯频率与车体与空簧组合体的自振频率比值不小于2.5，安全性得到了保证，原因如图7所示，图中纵轴为传递率，横轴为激励频率与固有频率之比。从图中可以看出，传递率等于1时，对应的激励频率与固有频率之比为1.414，如图中红点所示。因此，只有当激励频率大于固有频率40%以上时，才能起到避免共振的作用或者起到隔振的作用。但是从隔振层次来说，如悬置为了满足隔振要求 ，激励频率应是动力总成刚体模态频率的2倍以上，即图中阴影区域。

图7 隔振图

铁标规定AW0状态下车体一阶垂弯频率与转向架的点头和浮沉自振频率的比值大于1.4或车体的一阶垂弯频率不低于10Hz。其1.4倍也出自隔振图，但是转向架的点头和浮沉自振频率不便获得，项目执行过程中常取车体的一阶垂弯频率不低于10Hz。

3 结论与思考

美国铁路里程全球第一，虽然更发达的航空业挤压了美国普速干线铁路的市场份额，但美国干线铁路车辆标准积淀深厚，对于全球各机车厂来说都是难以攻克的技术壁垒，成功进入北美市场意味着技术实力的突破。

美国干线铁路对车体刚度的规定极为详尽，且易于执行，如何借鉴美标提高车辆技术指标，值得国内铁标制定人员思考。

参考文献

[1]铁路设施－铁路车辆车体结构要求第1部分：机车和客运车辆（以及货车的替代方法）：EN 12663-1-2010 [S].

[2]客车车体及其构件的载荷：UIC 566-1990 [S].

[3]动车组车体结构强度设计及试验:TB/T 3451-2016 [S].

[4]机车车辆强度设计及试验鉴定规范－车体－第1部分：客车车体:TB/T 3550.1-2019 [S].

[5]客运轨道车辆的设计和制造标准：APTA-PR-CS-S-034-99, Rev. 2 [S].