長大貨物車強度試驗中若干問題的探討

丁 勇，張水興，王新銳

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

我國鐵路車輛強度考核方法和標準主要是依據TB／T 1335—1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》［1］（以下簡稱《規范》）來進行，該標準適用于鑒定新設計一般用途的非動力車輛及主要零部件的結構強度，對車輛強度試驗方法，載荷取值加載方法，應力和撓度的換算和合成以及許用應力的取值和車體剛度的評定等標準均有詳細而具體的規定，并對轉向架的試驗考核方法作了說明。標準還規定“專用車輛的強度設計，除特殊要求在設計任務書中加以載明外，均應符合本標準”。

作為專用車輛之一的長大貨物車，結構比一般用途的通用車復雜，對這類車型的強度評定方法，用《規范》的內容很難適應，而目前國內還缺少一份對長大貨物車進行強度評定的方法，國外有些資料雖然也涉及到一些長大貨物車強度評定的內容，但尚未見到一份完整、系統的試驗鑒定標準，制定針對長大貨物車的強度評定方法及規范，適應長大貨物車的發展是十分必要的。

1 長大貨物車結構特點及其在強度評定中的特殊性

1.1 車型多、結構復雜，負載方式差異大

按國內外貨物運輸使用要求和分類方法，長大貨物車大致可分為鉗夾式長大貨物車、落下孔車、凹底平車、雙聯平車和長平車5類。近幾年國內研制的長大貨物車，最大載重達450t、自重在200t左右，最大車輛長度達69.58m，軸數最多達32根。各車型裝載方式不同，受力也不同，特別是鉗夾式長大貨物車，根據所運輸貨物的自承能力和特點，車輛與貨物的連接可用鉗夾側承梁方式，鉗夾承載框架方式，鉗夾凹底架方式或連接掛貨鉤，連接運輸端蓋等多種方式進行運輸，從強度考核的角度及強度試驗的內容和重點均有較大差異，這些連接裝置的強度鑒定也成為車輛強度試驗的一部分。

1.2 車輛載重大、自重大、車體長

由于長大貨物車載重大，自重也很大，近幾年來研制的鉗夾式長大貨物車，凹底平車，落下孔車，自重系數大多在0.5左右（0.45～0.57），載重噸位較小的150t左右的落下孔車和凹底平車，自重系數在0.3左右，20世紀80年代初期研制的鉗夾式長大貨物車自重系數甚至達到0.74～0.82。這些車自重占的比例很大，垂向加載試驗時很難按《規范》要求的“試驗載荷不小于基本作用載荷值”的要求進行，大部分情況下是將載重部分或略高于載重部分的載荷進行垂向加載試驗，自重和動載荷部分的應力進行換算，其原因一方面是保證試驗的安全，當載重部分達到400t左右時，若用250mm×250mm×4 000mm的軸坯鋼加載，軸坯鋼數量達200多根，在整個承載面上堆放10層以上，堆積高度從承載面起超過2.5m，這種情況下如果出現橫向偏載等因素是不安全的。另一方面從車輛本身而言，自重部分載荷實際上在空車狀態時已經存在，只是在加載前儀器上按零載處理，試驗載荷除載重部分外再加上很大的自重載荷可能造成被試車輛的破壞。對于縱向載荷，受縱向加力架長度等試驗條件的限制目前尚無法比照通用車一樣進行施加，長大貨物車縱向力是通過各級心盤傳遞，承載能力相對較弱，一般規定在運用中禁止緊急制動，要求司機控制平穩起動牽引并限速運行，以免引起過大的縱向沖擊，此外，由于普遍采用液壓連通旁承，《規范》規定的40kN·m的扭轉載荷顯然也不適用。

1.3 車輛一般為多層結構

長大貨物車由于載重大、軸數多，一般為多層結構，最上層為凹底架承載部分（或鉗形梁、側承梁等），載荷通過大底架、中底架、小底架至轉向架構架逐級下傳，強度試驗時應根據每一層級的結構，受力特點，分別進行強度和剛度的考核，《規范》中簧上部分統一用相同的垂向動荷系數考核的方法與實際有較大的差異。

1.4 大部分設有多導向側移裝置

為解決長大貨物車在曲線上貨物內偏移量較大的問題，近年來研制的長大貨物車、大部分都設有內、中、外3種導向機構，采用這種裝置的結果，使車輛的結構和受力情況變得復雜，運行中會出現較大的載荷變化，造成多層構件間垂向載荷的不對稱和橫向載荷的不對稱。此外車輛具有側移功能及提升功能等結構，都是在長大貨物車強度評定中需要考慮的因素。

1.5 廣泛采用高強度鋼材

為了減輕車輛自重，有利于通過橋梁，近年來在長大貨物車制造中，除轉向架構架仍采用Q345鋼材外，車體部分廣泛采用進口或國產的高強度鋼材，較早從日本進口的 WEL－TEN 780A，到國產 HG785E等，這些材料的屈服極限都在685MPa以上。這是技術上的一大進步，但也帶來了制造工藝要求嚴格以及材料的許用應力選取等方面的問題。

1.6 部分車型垂向彎曲剛度問題比較突出

這種情況主要表現在大噸位凹底平車上，凹底架的剛度設計是大型凹底平車的關鍵之一，用戶為了提高裝貨的空間，往往要求盡可能降低地板承載面的高度，又要保證承載面有足夠的長度，為了提高過橋能力，往往采取加大軸距，又將使凹底架兩端心盤距加大，這些因素給凹底架的垂向剛度設計帶來很大的困難，高強度鋼材的使用并不能提高結構的剛度。貨車車體的垂向彎曲剛度是以撓跨比（即撓度與車輛定距之比值）來評定的，1978年編制的《規范》，對長大貨物車的撓跨比推薦值為1／450，實際上很難做到，1996年修訂的《規范》改為“長大貨物車的垂向彎曲剛度評定標準按設計任務書中的要求確定”，實際使用中仍用撓跨比來制定。近幾年來大噸位凹底平車的設計撓跨比逐步取大，如D25A型凹底平車取為1／250、D26A型凹底平車取為1／220、D32型凹底平車取為1／180，載重370t凹底平車取為1／150［2－3］。而且，往往盡量壓縮凹底架下平面至軌面的距離，重車狀態下凹底架下平面距軌面高度取至100～120mm。上述長大貨物車所面臨的情況，是一般通用車上不會出現的。

2 當前長大貨物車強度試驗考核的方法

隨著我國長大貨物車的發展，品種和數量的增多，長大貨物車的靜強度試驗和考核方法，也在不斷的探索和積累。

2.1 長大貨物車靜強度試驗考核總體原則

在長大貨物車進行靜強度試驗考核中，原則上以《規范》為基礎，凡是《規范》中規定的內容，且在長大貨物車進行靜強度試驗考核中能夠適用的條款，盡可能按《規范》的規定執行，例如垂向靜載荷的取值和計算方法，垂向靜載下的應力換算方法，撓度的換算方法，焊接式轉向架構架的靜強度試驗方法，材料的許用應力的取值方法等。

2.2 長大貨物車垂向靜載荷試驗方法

長大貨物車的強度試驗以施加垂向靜載荷為主，垂向靜載荷取值應不小于載重，并考慮適量動載荷，測量各部件的應力和變形，并換算成包括自重的垂向靜應力和靜撓度，根據車輛性能特點增加直線上強制側移工況。測量在直線上貨物橫向偏移后各部件應力值的變化。垂向加載結束后，車輛處在正位進行負載下延時撓度變化測量。

2.3 長大貨物車其他受力載荷的考慮

長大貨物車所受到的縱向載荷、斜對稱載荷、側向力，以及運行在曲線上貨物側移的影響等，載荷難于施加且尚未有取值標準。采用在重車實際運行中測出綜合動應力、與測點的垂向靜應力進行比較換算出綜合動荷系數的辦法。重載運行試驗的長大貨物車，多次以各種運行速度通過不同的直線、曲線、各式道岔以及起動、制動等，當運行試驗的工況足夠多時，認為所測量的各工況動應力包含了縱向載荷、側向載荷，扭轉載荷以及貨物側移等綜合因素的影響。

因此，將所測量各部件綜合動載荷系數最大值作為評定長大貨物車各部件強度的動載荷系數，并和各測點的垂向靜應力換算出各部件應力測點的應力值，作為合成應力，并參考靜強度試驗中直線側移的應力進行比較分析。

2.4 焊接式轉向架構架的強度試驗方法

長大貨物車一般采用焊接式轉向架，焊接式轉向架構架的強度試驗與長大貨物車車體靜強度試驗同時進行時，也采用以垂向靜載荷下的垂向靜應力為基礎，實測綜合動荷系數最大值進行應力換算的方法。近幾年研制的一部分長大貨物車，往往焊接式轉向架先行落成，研制單位要求先期對轉向架構架進行靜強度試驗，此時參照《規范》8.4條“客車轉向架靜強度試驗”的方法，結合長大貨物車本身的特點，對側向載荷，垂向斜對稱載荷進行處理，并按《規范》8.4條的規定，進行加載試驗及應力的合成和評定。

2.5 長大貨物車的垂向彎曲剛度試驗方法

垂向彎曲剛度以撓跨比來評定，撓度的測量與《規范》規定的測量方法和計算方法相同，即用鋼絲或位移計，直尺等測量各部件中央部位和兩端支點的垂向位移，換算成包括自重下的撓度從而計算出撓跨比，評定標準按該車的設計技術條件或設計任務書中規定的指標進行。

3 長大貨物車強度考核中的一些思考

3.1 研制前期的結構分析和計算應作為強度考核的重要參考

近年來大噸位長大貨物車研制中，前期一般都要進行整車的結構受力分析，各部件結構強度和剛度的有限元分析計算，部件的穩定性分析和模態分析，以及動力學性能計算等，這是完全必要的。從強度考核來看，當前的長大貨物車車體強度試驗方法，除了垂向載荷能夠準確施加并換算以外，各部件承受的其他載荷是用綜合動載荷來考核的。綜合動載荷系數是在重車運行試驗中實際測量記錄的結果，難免會有偶然因素和某些運行工況未能檢測到，而各部件的有限元分析，有條件將各部件承受的縱向載荷，側向載荷等主要載荷下的應力分別進行計算和應力合成，計算結果可與強度試驗的結果進行對比分析。有限元分析計算經過多年的積累，水平不斷提高，在車輛結構中主要受力斷面的計算應力和撓度有的已接近試驗測試的結果。

長大貨物車研制中的模態分析，目前主要是計算出各部件的固有振動頻率，《規范》中4.1.2規定：“車輛設計應保證車輛在運用時，在各種載荷條件下，車體的自振頻率不同于轉向架的蛇行、點頭等振動頻率，從而在整個運用速度范圍內避免產生共振現象。”，在廣泛使用高強度鋼材各梁件的結構剛度有所下降的情況下這種分析更是必要的。如能進一步進行多層結構系統的模態分析，分析的結果與整車動力學試驗和動強度試驗以及后續實物運輸監測中所測得的數據進行對比分析，驗證計算的結果以提高運行安全性。

3.2 關于綜合動載荷系數問題

如前所述，長大貨物車車體在進行強度試驗時，目前只能以垂向靜載荷試驗為基礎，車輛在運行中出現的縱向載荷、側向載荷、扭轉載荷以及大心盤側移造成的影響等應力變化用運行中實測的綜合動應力，換算出綜合動載荷系數進行應力合成，幾十年來一直沿用這種方法。

（1）從以往試驗數據分析，當車輛運行的工況足夠多時（包括各種速度級通過直線，各種半徑及不同超高的曲線，各種側線道岔以及起動，調速制動等），在部件的主要承載斷面上，綜合動載荷系數的數值大體上有一定的規律，基本上能夠反映出主要承載斷面的應力狀態。

綜合動載荷系數在下述工況下往往出現較大的數值：

① 直線高速運行時；②通過側線道岔；③曲線運行工況特別是小曲線大超高運行時；④直線強制側移及提升等特殊工況。

綜合動載荷系數表現為從上層至下層逐步增加的趨勢，一般上層承載梁綜合動載荷系數最大值可達0.1～0.3，鉗夾式長大貨物車的鉗形梁及耳孔周邊可達0.3以上，大、中、小底架逐漸增加，轉向架上綜合動載荷系數往往可達到1左右，這里貨物側移的影響占有相當的比例。

（2）有些部件不宜只用一個動載荷系數來評價，一般而言，主要縱向承載梁上測點的動載荷系數有相似的性質，但是在應力集中區及有橫向連系梁的部位會出現一定的差異，要單獨進行測量。此外，如焊接式轉向架中，心盤梁等橫向構件的動載荷系數一般比側梁上的動載荷系數小。

（3）鉗夾式長大貨物車和落下孔車的橫向聯系桿件（等分撐桿、斜桿、上下拉桿等）及桿件與側承梁間，導向梁間連接的部位是一組較為特殊的結構，這些部位有的在車輛正位狀態下靜應力很小，而運行中某些工況下則出現很大的動應力，例如D38型鉗夾式大型貨車等分撐桿根部，正位狀態靜應力僅為58.6MPa，運行試驗中實測最大動應力達315.4MPa［4］，D45型落下孔車斜桿座側梁腹板處運輸中實測動應力也達340MPa［6］以上。這種情況下往往不適合再用“動載荷系數”的概念，而直接將靜動應力合成。出現大的動應力，除了垂向載荷的影響外，往往與運行工況中出現較大的橫向力有關，此外也與桿件的結構形式和安裝位置有關。

考核這一部位結構的強度，一般應參考以往同類型結構對桿件受力進行分析，選擇受力可能較大的桿件和部位進行貼片測試，求出合成應力。

3.3 關于許用應力取值問題

對于材料許用應力取值，目前在長大貨物車新車強度試驗中仍然參照《規范》的規定執行，即比照《規范》所列材料，同類材料取相同的安全系數，比如在D45鉗夾車靜強度試驗［7］中，車體主要承載部件為屈服強度685 MPa的HG785E高強度結構鋼，許用應力取值為拉伸應力430MPa，壓縮應力457MPa，相對應的安全系數為1.59和1.50，與《規范》中常用材料列表低合金鋼16 Mn的安全系數取值相當；該車在實際試驗時，最大應力值達到370～428MPa，雖然并未超1.59安全系數下的許用應力，但已很接近，考慮長大貨物車使用頻率及使用中的動載荷較通用貨車要小等因素，有業內人士曾撰文探討［11］建議對長大貨物車用材料適當降低安全系數取值，以挖掘材料強度方面的潛力。

另外，近年來對大型發電機定子采用端蓋連接運輸的方式逐漸成為一種趨勢，雖然端蓋目前定義為貨物的一部分，但作為貨物與長大貨物車連接的重要部件，其運輸中的安全可靠是至關重要的，因此運輸前對端蓋進行專項的強度考核是十分必要的，對此業內的意見是一致的，目前一般是在運輸前采取實物裝車加載進行端蓋的強度試驗考核，以驗證端蓋是否滿足強度要求，考核的標準依然參照《規范》的規定，但實際上，在具體的試驗及運輸中，對端蓋的強度考核和評價時材料安全系數如何取值卻時有爭議。

端蓋一般由發電機生產廠家根據不同的定子型式專門設計制造，互不通用，其使用頻率較長大貨物車還要低，往往隨著具體貨物的運輸才使用一次，不同的生產廠家的端蓋所用材料及結構型式也呈現較大差異，比如2010年11月運輸的哈爾濱電機廠1 000MW汽輪發電機定子［8－9］，其端蓋的端板（Q345C的鋼板）和耳板（B610CF高強度鋼）采用不同的材料，M42連接螺栓材料為35CrMo，運輸貨物與鉗夾車采用端蓋加下拉桿連接方式，在運輸前針對端蓋的強度試驗及運輸監測中對端蓋材料的安全系數取值仍然控制在1.59，螺栓則取1.5，強度試驗及運輸中基本滿足《規范》要求；而2011年1月運輸的北重阿爾斯通（北京）公司600MW汽輪發電機定子［10］，其端蓋端板和耳板采用同種材料S355J2＋N，M30連接螺栓為12.9級，運輸貨物與鉗夾車采用端蓋無下拉桿連接方式，運輸前由德方對端蓋進行靜態強度試驗，按德方標準，在主載荷工況下安全系數取1.5，在主載荷＋附加載荷，即考慮風力載荷作用下，安全系數取1.33，我們在實際運輸中，實測的端蓋最大合成應力的安全系數為1.48，螺栓為1.35，應該說基本滿足德國的標準，但已超出我國的《規范》要求。

因此，在長大貨物車及相應關鍵連接部件的強度校核中，材料許用應力的取值是一個敏感而關鍵的問題，在目前還未有長大貨物車強度評定方法及規范的情況下，從保守的角度我們目前還是參照《規范》的要求進行安全系數的取值，但同時針對具體情況采取具體分析的科學態度，參考其他行業（比如起重機）和國外標準及應用經驗，對安全系數取值進行適當的修正。

3.4 多軸轉向架構架的強度評定問題

《規范》規定，構架式貨車轉向架參照客車轉向架靜強度試驗方法進行考核，《規范》中8.4條對客車轉向架試驗內容、方法、載荷取值及應力合成等均作了詳細的規定。目前長大貨物車多軸轉向架構架單獨進行試驗時，也是參照這一規定進行考核。其中試驗載荷規定為垂向總載荷、側向力和垂向斜對稱載荷3項，并未單獨考慮縱向載荷。這種載荷取值方法對于通用車轉向架構架是合理的，因為通用車的縱向載荷通過車體的牽引梁、枕梁，中梁等傳送至整個車體，而轉向架構架不直接承受縱向載荷，但對于相當多的長大貨物車等特種車輛采用3軸、4軸甚至5軸構架式轉向架，車鉤緩沖裝置直接安裝在端部轉向架構架上，縱向載荷通過轉向架構架上牽引梁、橫向梁及側梁等，經心盤逐級向上傳至車體，端部轉向架構架直接承受縱向載荷，在轉向架構架單獨進行試驗時，這一因素是應該考慮的。目前在端部轉向架構架進行有限元分析中，有些已經考慮縱向載荷的工況。強度試驗中如何取值，如何加載應該進行探討。

3.5 自重載荷下的應力和撓度問題

《規范》中規定，車體自重部分對應力和撓度的影響是用《規范》中的公式（14）和公式（28）直接進行換算的，這對于大部分通用車而言，結果是比較接近的，占通用車數量最多的敞車、棚車等載重負荷基本是均布的，與車體自重下的載荷均布性質接近。而在長大貨物車強度試驗評定中大都也沿用上述方法換算。由于長大貨物車的構件自重部分載荷接近于均布性質，而載重部分大多為集中載荷，仍用這種直接換算的方法，則會產生一定的差異。

1998年在D25A型凹底平車靜強度試驗［5］時，曾對該車凹底架加載試驗方法進行比較，現摘取部分數據介紹如下：

D25A型凹底平車載重250t，其中凹底架自重80.6t，凹底架上心盤中心距25 570mm，中部承載面長9 800mm，加載試驗時將凹底架自重80.6t單獨施加近似均布載荷測試凹底架的應力和撓度。加載時按中部9.8m承載面均布40.6t，兩端懸臂部分各均布20t，接近凹底架的實際質量分布狀況，凹底架中央斷面靜應力和撓度測試結果如表1（表中數據不含動應力）。

從表1數據可以看出：

（1）自重部分產生的應力和撓度按均布載荷試驗與載重部分試驗的應力和撓度相加比直接按《規范》的方法用載重下的應力和撓度進行換算，凹底架中央斷面的應力和撓度都有所下降，自重與載重下的合成靜應力相差可達13%（工況2）。

表1 D25A型凹底平車靜強度試驗兩種不同加載試驗方法測試結果對比

（2）當試驗測試的數值接近應力和撓度的允許值時，其差異有可能改變該車的評價。如上述實例，自重按均布載荷試驗施加后與載重試驗合成時，凹底架的剛度符合撓跨比小于1／250的要求，但按載重試驗數據直接換算的方法凹底架的剛度超出了設計任務書的規定。

（3）上述測試數據的差異，不同車型結果會不一樣，但其趨勢是肯定的，因此，長大貨物車強度評定中對一些部件（如凹底架、側承梁等）必要時可以分析這一因素的影響。

3.6 車輛的某些附加載荷

長大貨物車有些特殊的工況，會產生一定的附加應力，需要在裝車過程或在運輸過程中注意檢測，如鉗夾式長大貨物車裝車過程中的均載檢測調整和運行中為避開障礙物而調整貨物高度等情況下，車輛與貨物4個連接部位原有的均衡狀態將不存在，調整過程中往往需要局部調整起升或降落造成鉗形梁及連接件的附加載荷，附加載荷的大小與調整的幅度和操作方式有關，考慮到鉗形梁上某些部位（如耳孔周邊）靜強度試驗應力達300～400MPa，調整車輛形成附加載荷的影響應注意監測，盡量將附加應力控制在較小的范圍內。

4 結束語

綜上所述，長大貨物車強度試驗雖然在具體的試驗中還存在這樣或那樣需要注意和探討的問題，但經過多年摸索、實踐和積累經驗，實際上已經逐漸形成一套業內認可且經過實踐證明可行的試驗和評價方法。長大貨物車具有比通用貨車結構復雜、載重大、負載方式差異大等特點，其運用條件、模式、頻次等與通用車也不同，我國對于一級超重超限長大貨物車運輸一般采取專列限速的運輸方式，且沿途進行全程的安全監測，多年來，延續及逐漸完善的試驗及運輸監測模式，保障了貨物的安全運達并積累了大量的數據，因此，我們認為結合多年來我國長大貨物車的試驗、計算及運用監測的數據，總結經驗深入研究，并汲取國外經驗，制定針對長大貨物車的強度評定方法及規范已具備條件且是十分必要的。

［1］洪原山，周曉峰，成建民，等.TB／T 1335—1996.鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范［S］.北京：中國鐵道出版社，1996.

［2］王新銳，陳政南，張水興，等.320t凹底平車靜、動強度試驗報告，2003年機研字第014號［R］.北京：中國鐵道科學研究院，2003.

［3］丁 勇，熊芯，陳政南，等.載重370t凹底平車靜、動強度試驗報告，2009年JL字第40號［R］.北京：中國鐵道科學研究院，2009.

［4］舒興高，張水興，丁 勇，等.D38型鉗夾式大型貨車靜、動強度試驗報告，2009年機研字第002號［R］.北京：中國鐵道科學研究院，2009.

［5］舒興高，張水興，等.D25A型凹底平車靜強度試驗報告，1998年機研字第014號［R］.北京：中國鐵道科學研究院，1998.

［6］曲金娟，王新銳，張水興，等.載重450t落下孔車靜、動強度試驗報告，2006年JL字第73號［R］.北京：中國鐵道科學研究院，2006.

［7］丁 勇，張水興，陳政南，等.載重450t鉗夾車靜、動強度試驗報告，2009年JL字第72號［R］.北京：中國鐵道科學研究院，2009.

［8］丁 勇，王新銳，曲金娟，等.DQ45型鉗夾式貨車運輸沁河北電廠第一臺1 000MW發電機定子裝車檢測報告，2010年JL字第88號［R］.北京：中國鐵道科學研究院，2010.

［9］丁 勇，洪玉輝，張樹鵬，等.DQ45型鉗夾式貨車運輸沁河北電廠第一臺1 000MW發電機定子運輸監測報告，2010年JL字第89號［R］.北京：中國鐵道科學研究院，2010.

［10］丁 勇，洪玉輝，任 杰，等.DQ45型鉗夾式貨車運輸貴溪電廠第一臺600MW汽輪發電機定子運輸監測報告，2011年JL字第004號［R］.北京：中國鐵道科學研究院，2011.

［11］田葆栓，邢 澍.關于長大貨物車用材料許用應力取值問題的探討［J］.鐵道車輛，2000，38（12）：31－35.