关于铁路货车车体刚度评定标准的分析与思考

摘 要: 综述了国外铁路货车车体刚度相关标准, 对国内客货车车体刚度标准进行了溯源分析。通过 国内外车体 刚
度标准的对比分析, 提出了我国铁路货车车体刚 度标准所关注的问题及建议。
关键词: 货车; 车体刚度; 设计; 试验; 标准
中图分类号: U 270. 32
文献标识码: B
在保证强度、刚度和稳定性的条件下使车体重量 减到最低限度是设计新型车辆的基本要求之一。解决 这个问题的最合理途径是改进车体结构形式和使用高 强度的新材料。采用新材料能够解决车体的轻量化问 题, 但在使用高强度材料时, 车体虽能在强度和稳定性 方面满足要求, 但弯曲刚度可能会不足。较高的车体 弯曲振动频率可避免车体与转向架共振及货物损坏。 对于较短的车体来说, 保证容许的弯曲振动频率问题 并不那么尖锐。
l2 转向架中心至车端的长度, m m。
等效弯曲刚度值是以挠度的实测值或计算值为基
础的, 用于相近似车辆的对比。车体是弹性体, 走行中
以转向架中心或其附近为支点产生弯曲振动, 对舒适
性有影响, 它和车体的刚度值 有关系, 但 不能定量确
定, 所以没有规定弯曲固有频率和扭转固有频率, 用于
类似车辆的对比。
1975 年研 制的 D2 型 210 t 凹 底 平车 挠 跨比 为 1/ 266, 当时 没有达 到 T B 1335 1978 的要求 ( 挠跨 比 ∃ 1/ 450) , 但该 批车运 用多年 后, 技术状 态良好, 仍可正常使用。1978 年制定的 T B 1335 1978 规定
∀ 14 ∀
分类 底架承载的货车
侧墙承载的货车 长大货物车
车型
C50型敞车( 35 % 中梁) N 17型平车 N 12型平车 N X 70 型平车
C62M 型敞车( Q CH58) C65型敞车( QCH 37) C70型敞车 C80BH 型敞车 P 70 型棚车 KM 70型漏斗车
D22 型长大平车 D2 型凹底平车 D32 型凹底平车
120
17 800
210
22 200
320
36 900
4. 5
5. 5
3. 3
3. 1
4. 18
7. 8
5. 6
4. 9
3. 3
27. 0(大底架) 83. 5(凹底架) 237. 1(凹底架)
挠跨比
中梁
侧梁
1/ 891 1/ 2 020
1/ 748 1/ 769
1/ 1 933 1/ 1 673 1/ 2 778 1/ 1 962 1/ 1 551 1/ 2 142
失稳。因此, 选择适宜的车体刚度可以在安全使用的
前提下减轻车辆自重。国内外研制凹底平车特别是大
吨位凹底平车时总的趋势都在增大挠度, 减轻车辆自 重, 增加有效载重, 提高车辆性能。
2. 2. 2 车体刚度与自振频率
自振频率是车体固有的属性。选择车体刚度还应
考虑适宜的自振频率。车体的自振频率与车体刚度、
1/2 985
1/2 160 1/3 175
1/ 650 1/ 266 1/ 155
f ST 货车车体在其自重和载重作用下弹性系 统的当量静挠度, 等于中梁中央挠度、转 向架弹簧悬挂装置静挠度和钢轨垂向变 形之和, m。
对于多层桥架结构的长大货物车, 还应包括各层 桥架的挠度。
对客车来讲, 车体的弯曲自振频率若接近于人体 内部器官的共振频率, 将对旅客乘坐舒适性产生不良 影响。研究表明, 对于批量生产的客车车体, 为了保证 旅客有足够的舒适度, 车体的弯曲振动频率应不低于 8 H z。根据有关文献, 在设计制造机车车体时, 要求 机车车体在整备状态下的垂直弯曲振动频率大于 10 H z。在用高强度材料研制新的车体结构时, 决定性的 因素是自振频率。使用文献[ 1] 中的车体弯曲振动频 率计算方法, 如果在车体中央断面有可靠的挠度值就 可获得与试验值很吻合的结果。用这一方法计算的客 车车体自振频率及其与挠度的关系曲线表明, 为了保 证容许的振动频率( 8 H z) , 同时考虑到弹簧悬挂装置 的特性, 车体中央断面的挠度不应超过 6 mm 。
mm; Q 扭转角, rad。 由于钢轨不平、曲线区段外轨超高值的变化和车
体重量( 包括货物) 分布不均等原因使车体产生扭转载 荷, 其数值与车种有关。钢结构车体在走行中产生的
扭曲振动下, 扭曲力矩通常为 40 kN ∀ m~ 60 kN ∀ m。 此外, 还有车体侧墙和端墙刚度, 其刚度值直接导
致车体侧壁的外胀和变形。
从现有 50 t~ 60 t 货车几年的运用情况看, 除用 I450 mm # 150 mm # 11 5 mm 作中梁 的 C50 型敞车 外, 其他车辆均未发生过中梁、侧梁严重塌腰问题, 说 明刚度基本上是合适的。因此, 在 1978 年以前, 参照 上述铁路桥梁、起重机的刚度规范与部分货车中梁挠 度的一般情况, 对货车车体的刚度提出了如下建议: 底 架承载的货车挠跨比为 1/ 900~ 1/ 1 500; 侧墙承载的 货车挠跨比为 1/ 1 500~ 1/ 2 000; 长大货物车挠跨比 为 1/ 500~ 1/ 700; 平车集中载荷时按照 1/ 700 考虑。
2 中国标准规定及溯源
2. 1 挠跨比的发展历程
在 1978 年以前, 对于如何评定铁路车辆的刚度无 规范可循, 设计时参照铁路桥梁、起重机的规范和有限 的铁路货车实际情况确定。铁路桥梁规范规定的最大 挠跨比为 1/ 800。
桥式起重机规范中规定: 主梁的跨距< 20 m 时挠 跨比 ∃ 1/ 800, 跨距 20 m 时挠跨比 ∃ 1/ 1 000; 电动起 重机主梁有效静载荷< 50 t 时挠跨比为 1/ 600, 有效 静载荷> 50 t 时挠跨比为 1/ 750。
车体重量、车体长度、车辆定距等有关。有些国家的标
准已将自振频率作为衡量车体刚度的考核指标。对于
车体结构自振频率没有明确规定具体数值的国家一般
都是和相类似的车体结构进行比较, 要求新车体的刚
度和自振频率没有明显的降低。
我国对货车车体自振频率没有明确规定, 但要求
在车辆整备状态下验证其振动性能。试验采用模态分
1. 2 车体纵向刚度
车体纵向变形是指在纵向压缩力作用下车体两端
后从板座之间距离的减小量, 或在纵向拉伸力的作用 下车体两端前从板座之间距离的增加量。降低结构的
纵向刚度可降低车辆结构承受的纵向冲击力。
车体纵向刚度可反映 其吸收纵向冲 击能量的水
平, 其计算公式为:
ห้องสมุดไป่ตู้
W= P# / 2
( 2)
式中: W 吸收的纵向冲击能量;
比较大的刚度和比较高的自振频率对于提高车辆 的动力学性能是有利的。一般认为, 车体的轻量化和 提高车体的刚度和自振频率是矛盾的, 但由于采用了 新的材料和结构形式, 可以使车体同时保证高度的轻 量化和比较大的刚度。
底架承载 的敞车、平车的 挠跨比 ∃ 1/ 900, 侧墙 承载 的车体挠跨比 ∃ 1/ 900, 受集中载荷的 平车挠跨比 ∃ 1/ 700, 长大 货物 车 挠跨 比 ∃ 1/ 450。1996 年 修订 的 T B/ T 1335 1996 只针 对长 大货 物车 做了改 动, 其 垂向弯曲刚度评 定标准 按设计 任务 书的要 求确定。 T B/ T 1335 1996 对长大货物车的挠 跨比没做定量 的规定, 说明 过去对 长大货 物车挠 跨比的 定量规 定 缺乏理论依据, 经实践检验也是不合适的, 这在很大 程度上阻碍了长 大货物 车技术 性能 的提高 和发展。 部分货车刚度试验值见表 1。
析或频谱分析方法, 测定自振频率时应避免共振。
车体低频浮沉振动自振频率 n 可由公式( 4) 确定:
n=
1/ (2
)
#
( g/
f
) 1/ 2
ST
( 4)
式中: n 车体低频浮沉振动自振频率, H z;
g 重力加速度, g= 9 81 m/ s2;
关于铁路货车车体刚度评定标准的分析与思考 田葆栓, 吴新文
工作应力就可减小, 但材料的强度利用不足; 刚度小,
则工作应力大, 且可充分利用材料的强度。因此, 如何
协调两者之间的关系对提高车辆性能至关重要。
在车辆设计中, 强度和刚度应统筹考虑, 在满足车
体强度的条件下保证适宜的车体刚度。如果车体刚度
过大, 则容易造成车辆自重较大, 不利于车辆轻量化; 车体刚度过小, 则车体变形大, 易造成超限, 甚至结构
P 纵向冲击力;
车体纵向变形。
在保证强度的前提下, 应降低结构的纵向水平刚 度, 按等强度设计底架各梁件。由于工艺水平的限制, 现有车辆结构的设计没有按等强度考虑水平刚度。
当车辆承受冲击时, 影响车钩力的主要因素是冲
∀ 13 ∀
铁道车辆 第 48 卷第 8 期 2010 年 8 月
击速度、互撞车辆的重量、缓冲器的性能以及互撞车辆 本身的纵向刚度。车钩力随冲击速度、互撞车重量、纵 向刚度以及车列数量的增大而增大。
1 车体刚度的描述
货车车体刚度主要包括垂向弯曲刚度、纵向刚度 和扭转刚度。对于侧墙承载的车体而言, 还有端墙刚 度和侧墙刚度等。
收稿日期: 2010 03 05 作者简介: 田葆栓( 1966 ) , 男, 高级工程师( 教授级) 。
1. 1 垂向弯曲刚度
日本标准 JIS E 7103 2006 通勤电车车体设计 通用技术条件!中垂向弯曲刚度指等效弯曲刚度, 表示 一等效等截面梁的刚度。该梁所承受的载荷和挠度分
1. 3 扭转刚度
等效扭转刚度表示一等效等截面梁的刚度。该梁
所承受的扭转力矩和其扭转角分别等同于车体承受的
扭转力矩和车体所产生的扭转角。等效扭转刚度计算
公式为:
GJ eq= M l/ Q
( 3)
式中: GJ eq 等效扭转刚度, N ∀ m m2 / rad;
M 扭转力矩, N ∀ mm ;
l 车体上 施 加扭 转 力 矩两 截 面 间的 长 度,
综述 ∀ 述评
铁道车辆 第 48 卷第 8 期 2010 年 8 月
文章编号: 1002 7602( 2010) 08 0013 06
关于铁路货车车体刚度评定标准的分析与思考
田 葆 栓1 , 吴 新 文2
( 青岛四方车辆研究所有限公司 研究试验部, 山东 青岛 266031; 济南 铁路局 车辆处, 山东 济南 250001)
T B 1335 1978 和 T B/ T 1335 1996 铁道车辆 强度设计及试验鉴定规范!规定用挠跨比评定货车车 体垂向弯曲刚度, 并根据车型规定了不同挠跨比。由 于在产品设计时惟恐低于该值造成问题, 致使试验值 普遍高于评定值。过高的刚度评定值制约了车体轻量 化设计。
UIC 577 1998 货车应 力! 和 EN 12663 2009 铁路应用 铁道车辆车体结构要求!均指出车体结构 应保证适宜的刚度, 使其能保持在自身允许的空间包 络线范围内, 以避免不 可接受 的动 力学响 应。AAR M 1001 货车设计规范!对车体刚度无规定。如果标 准规定的纵向载荷大, 一般情况下满足强度要求也就 能保证车体的刚度。但对于较小的纵向载荷和轻量化 车体结构而言, 需要对车体刚度进行限制, 弯曲刚度和 扭转刚度会受到车体长度、车辆定距等的影响。我国 规范中的有关车体强度、刚度评定标准已直接影响车 体钢结构轻量化设计, 挠跨比评定值亟待研究修订。
表 1 部分货车刚度试验值
载重/ t
50 60 55 t/ 5 m 55 t/ 5 m
车辆定距 / mm
9 800 9 300 9 350 10 920
挠度/ mm
中梁
侧梁
11. 0 4. 6
12. 5 14. 2
60
8 700
65
9 200
70
9 210
80
8 200
70
12 100
70
10 500
别等同于车体承受的均布载荷和侧墙中央处所产生的
挠度。等效弯曲刚度计算公式为:
E Ieq = w l21 ( 5l21 - 24l22 ) / ( 384 )
( 1)
式中: EI eq 等效弯曲刚度, N ∀ m m2 ;
w 单位长度上的载荷, N/ m m;
车体侧墙中央处的挠度, mm;
l1 车辆定距, mm;
2. 2 车体刚度控制相关因素分析
货车车体设计中刚度控制主要是保证相关配合部
分在最不利条件下保有所需的间隙量, 并考虑机械振
动疲劳影响, 确保运行安全。对于大吨位凹底平车, 如 果刚度控制不合适, 将直接影响车辆的性能, 如车辆的
自重、承载面高、过桥等。
2. 2. 1 车体刚度与强度 车体刚度与强度是相互矛盾与制约的。刚度大,