基于EN標準的客車車體設計

周家林，馬 凱

（南車四方車輛有限公司 山東青島266111）

基于EN標準的客車車體設計

周家林，馬 凱

（南車四方車輛有限公司 山東青島266111）

介紹伊拉克動車組客車車體鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點與參數(shù)，對其進行結(jié)構(gòu)設計、選材以及強度計算和試驗，按照EN 12663－2010《鐵路應用鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)要求》對車體強度進行分析評價。

EN標準；客車車體；結(jié)構(gòu)設計；有限元；強度

出口伊拉克內(nèi)燃動車組項目為2013年南車四方車輛有限公司設計制造的160 km/h動力集中型動車組，由2輛動車＋8輛客車組成，主要用于伊拉克當?shù)囟掏韭每瓦\輸。客車由車體鋼結(jié)構(gòu)、15號小間隙車鉤、密接式折棚、NTZ－1型轉(zhuǎn)向架組成。

客車車體鋼結(jié)構(gòu)要求滿足EN 12663－2010《鐵路應用鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)要求》中P－II類的載荷規(guī)定，車輛限界滿足伊拉克鐵路限界的要求。

1 客車車體鋼結(jié)構(gòu)

1.1 車體鋼結(jié)構(gòu)簡介

客車車體鋼結(jié)構(gòu)采用無中梁、薄壁筒形、整體承載全鋼焊接結(jié)構(gòu)，設計壽命為30年。主要有底架、側(cè)墻、車頂及內(nèi)外端墻組成。車體寬度為2 905 mm，車頂高度為4 130 mm，木地板距軌面高度為1 273 mm，車鉤連掛高度為880＋10－5mm，車體長度為25 500 mm，車輛定距為18 000 mm，車體斷面及伊拉克限界如圖1所示。

1.2 底架鋼結(jié)構(gòu)

底架鋼結(jié)構(gòu)主要由前枕梁、緩沖梁組成、邊梁、橫梁及附屬件等部分組成。車體縱向力通過車鉤傳遞給牽引梁、枕梁、波紋地板和邊梁。牽引梁采取兩根槽鋼通過上下蓋板焊接在一起，是直接承受和傳遞牽引力、沖擊力的主要結(jié)構(gòu)；枕梁由上下蓋板及立板、加強筋焊接成箱式結(jié)構(gòu)，滿足承受垂向載荷和縱向力的同時作用；波紋地板采用Q355GNH的高耐候結(jié)構(gòu)鋼板沖壓成型，主要傳遞縱向力，并把垂向載荷傳遞給底架橫梁。邊梁采用U18a－Q345C槽鋼。

1.3 端墻鋼結(jié)構(gòu)

外端墻鋼結(jié)構(gòu)、隔墻鋼結(jié)構(gòu)主要由各種立柱、橫梁及其附屬件焊接而成。端角柱為冷拔管，尺寸為90× 120×90×120×5（單位：mm）；端墻橫梁采用［20a－Q345熱扎槽鋼，折棚立柱與外端門口做成一體，能夠提高車體的抗扭剛度。

1.4 側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)

側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)主要由側(cè)墻板、窗及側(cè)墻骨架等部分組成。側(cè)墻板采用Q355 GNH高耐候鋼板壓軋成通長板，由于設備寬度尺寸限制，寬度方向由兩塊通長板拼焊成一體。采用乙型立柱和橫梁不僅可以增加側(cè)墻的垂向剛度、提高側(cè)墻板的平面度。

1.5 車頂鋼結(jié)構(gòu)

車頂鋼結(jié)構(gòu)組成主要由車頂板、車頂骨架、空調(diào)平頂及空調(diào)端頂組成。車頂骨架由彎梁和縱梁焊接成型，骨架和車頂板材質(zhì)均選用Q355GNH材質(zhì)。在水箱位置設置活蓋，為了美觀，活蓋設計為下沉式結(jié)構(gòu)；在空調(diào)安裝位置設計平臺，平臺由橫梁和縱梁焊接成框架結(jié)構(gòu)，即有足夠的強度，同時又滿足空調(diào)安裝的需要。

2 設計的難點及解決措施

2.1 車體強度問題

在對比國內(nèi)25T型客車、相關(guān)標準及結(jié)構(gòu)力學分析計算的基礎上，將材料全部提升為Q355GNH或Q345，這樣在結(jié)構(gòu)受力計算時，首先保證材料有足夠的強度；在結(jié)構(gòu)方面，將端角柱設置為90×120×90×120斷面結(jié)構(gòu)，將外端橫梁設計為80×120的方型梁，提升外端鋼結(jié)構(gòu)自身的受力能力，有效傳遞車端壓縮載荷。

2.2 車體剛度和共振問題

由于本車車體尺寸較小，又要滿足輕量化的要求，車輛運行速度較高，易產(chǎn)生共振。本設計適當?shù)募哟髠?cè)墻板側(cè)的立柱和橫梁的翻邊寬度，在側(cè)墻的四角門位置采取方形梁門框結(jié)構(gòu)，在車頂結(jié)構(gòu)中適當?shù)膹娀図敼羌艿膹姸?，車頂、?cè)墻、底架的骨架形成完整的環(huán)狀結(jié)構(gòu)等措施，提高整車的剛度，提升車底的振動頻率。

3 車體有限元計算

3.1 計算模型的建立

伊拉克內(nèi)燃動車組項目客車車體結(jié)構(gòu)在橫向和縱向都不具有完全的對稱性，計算采用整車計算模型。選用板殼單元對車體結(jié)構(gòu)進行離散化處理。車體有限元力學計算模型中有627 229個殼單元、150 244個質(zhì)量單元、14 588個梁單元、10 193個剛性單元、18 524個體單元和539 030個節(jié)點。圖2為離散后的車體結(jié)構(gòu)有限元計算模型。

3.2 計算工況

依據(jù)標準EN 12663中P－II的要求，可以確認以下計算工況：

（1）靜態(tài)縱向載荷

①車鉤縱向中心線的壓縮力：1、2位端部分別施加1 500 k N的縱向壓縮載荷；

②車鉤縱向中心線的拉伸力：1、2位端部分別施加1 000 k N的縱向拉伸載荷；

③端墻1、2位端地板面上方150 mm處的整個寬度的條形區(qū)域上施加400 k N縱向均布載荷；

④端墻1、2位端側(cè)窗下窗框上（及腰部）施加300 k N均勻縱向載荷；

⑤端墻1、2位端車頂端部施加300 k N的縱向壓縮載荷；

（2）垂向載荷

①最大垂向載荷

當安置在標準支座上時，在車體結(jié)構(gòu)上施加整備狀態(tài)下車體質(zhì)量1.3倍的載荷。

其中M1為整備狀態(tài)下車體的質(zhì)量，kg；M4為最大有效載重，kg。

②帶有兩個轉(zhuǎn)向架的起吊

垂向載荷：1.1×（M1＋2×M2）×g

其中M2為轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量，kg。

③通過內(nèi)架車墊板架車

垂向載荷：1.1×（M1＋2×M2）×g

（3）合成載荷

①1 500 k N縱向壓縮＋（M1＋M4）×g；

②1 000 k N的縱向拉伸＋（M1＋M4）×g。

（4）車體模態(tài)分析

空載狀態(tài)下與超載狀態(tài)下車體一階垂向彎曲自振頻率與轉(zhuǎn)向架點頭和浮沉振動頻率（最大值2 Hz）的比值大于1.4。

3.3 計算結(jié)果

（1）鋼結(jié)構(gòu)有限元計算結(jié)果中部分應力值大的工況如下：

工況1——最大垂向均布載荷：最大應力為126.3 MPa，出現(xiàn)在第2個與第3個側(cè)窗窗角蒙皮處，該處材料的屈服強度為355 MPa。

工況2——縱向壓縮＋垂向載荷合成：最大應力為197.9 MPa，出現(xiàn)在車頂水箱座處彎梁處，該處材料的屈服強度為345 MPa。

工況3——縱向拉伸＋垂向載荷合成：最大應力為164.8 MPa，出現(xiàn)在波紋地板處，該處材料的屈服強度為355 MPa。

工況4——地板頂部上方150 mm處壓縮工況：最大應力為336.6 MPa，出現(xiàn)在端墻門立柱處，該處材料的屈服強度為345 MPa。

工況5——腰部高度縱向壓縮工況：最大應力為340.2 MPa，出現(xiàn)在端墻門立柱處，該處材料的屈服強度為345 MPa。

工況6——車頂邊梁處縱向壓縮工況：最大應力為189.9 MPa，出現(xiàn)在空調(diào)平頂下縱梁處，該處材料的屈服強度為345 MPa。

計算結(jié)果表明，部分窗角、枕內(nèi)波紋地板、端角柱位置應力較大，端角柱的強度余量較小，其余的強度余量較大。

（2）空載狀態(tài)下車體一階垂向彎曲的自振頻率為11.481 Hz，一階扭轉(zhuǎn)的自振頻率為14.267 Hz；超載狀態(tài)下車體一階垂向彎曲的自振頻率為10.179 Hz，一階扭轉(zhuǎn)的自振頻率為14.267 Hz。

計算結(jié)果表明空載和超載狀態(tài)下一階垂向彎曲滿足不低于1.4倍轉(zhuǎn)向架的最大點頭（1.29 Hz）和浮沉（1.09 Hz）振動頻率的要求。

4 車體鋼結(jié)構(gòu)試驗

根據(jù)EN 12663標準規(guī)定制定的相關(guān)試驗工況，試驗結(jié)果中應力值較大的工況如下：

工況1——垂向載荷試驗工況：在垂向載荷1.3（m1＋m4）下，車體的最大應力值發(fā)生在1位側(cè)十號窗左上角，應力值為77.7 MPa，該處材料的屈服強度為345 MPa。

工況2——車鉤區(qū)域1 500 k N縱向壓縮載荷＋垂向載荷m1＋m4：該工況下車體最大應力值出現(xiàn)在2位枕梁內(nèi)側(cè)第3橫梁波紋地板處，應力值為－303.7 MPa，該處材料的屈服強度為355 MPa。

工況3——車鉤區(qū)域1 000 k N縱向拉伸載荷＋垂向載荷m1＋m4：該工況下車體最大應力值出現(xiàn)在2位枕梁內(nèi)側(cè)第3橫梁波紋地板處，應力值為216.5 MPa，該處材料的屈服強度為355 MPa。

工況4——側(cè)墻上邊梁高度300 k N縱向壓縮載荷＋垂向載荷m1：該工況下車體最大應力值出現(xiàn)在1位角側(cè)門處，應力值為－152.6 MPa，該處材料的屈服強度為345 MPa。

工況5——端墻的地板上方150 mm處400 k N縱向壓縮載荷＋垂向載荷m1：該工況下車體最大應力值出現(xiàn)在1位角側(cè)門處，應力值為－152.6 MPa，該處材料的屈服強度為345 MPa。

工況6——端墻的腰帶高度300 k N縱向壓縮載荷＋垂向載荷m1：該工況下車體最大應力值出現(xiàn)在1位角側(cè)門處，應力值為－88.7 MPa，該處材料的屈服強度為345 MPa。

計算結(jié)果表明，枕梁內(nèi)波紋地板的強度余量較小，部分窗角、立柱位置的強度余量較大。

5 有限元計算與試驗結(jié)果的對比

因為計算建立的模型較理想，各組合、結(jié)構(gòu)相對較完善，然而實際制造過程中可能出現(xiàn)不同的缺陷或異常，導致計算應力與試驗應力不一致，主要原因分析如下：

（1）制造誤差：由于車體允許的制造誤差較大，造成結(jié)構(gòu)剛度不同，從而影響了應力的分布，使試驗應力在對稱結(jié)構(gòu)上不一致，而計算應力卻是一致的。

（2）材料缺陷：由于車體板厚的不同、機械性能的差異，導致試驗應力出現(xiàn)偏高或者偏低的現(xiàn)象。

（3）焊接原因：由于焊接變形、焊接應力、焊縫本身的缺陷等原因，導致應力分布不均勻。

6 結(jié) 論

通過結(jié)構(gòu)設計、車體鋼結(jié)構(gòu)有限元分析及靜強度試驗驗證，得到以下結(jié)論：

（1）客車車體鋼結(jié)構(gòu)強度滿足EN 12663－1：2010的P－Ⅱ類要求；設計結(jié)構(gòu)合理，各受力部位的強度余量富裕；

（2）在車體長度一定的情況下，車體的斷面結(jié)構(gòu)決定了車體鋼結(jié)構(gòu)的垂向剛度；

（3）計算與試驗結(jié)果的幅值有一定的差別，但應力的變化趨勢相同。

［1］ 大連交通大學.伊拉克項目DMU拖車車體鋼結(jié)構(gòu)靜強度計算分析報告［R］.2013.

［2］ 齊齊哈爾北車鐵路車輛技術(shù)開發(fā)有限公司.拖車車體鋼結(jié)構(gòu)靜強度試驗報告［R］.2013.

［3］ 南車四方車輛有限公司.DMU拖車車體鋼結(jié)構(gòu)靜強度試驗大綱［R］.2013.

［4］ EN 12663.鐵路應用鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)要求［S］.2010.

Design of Car Body Structure Based on EN Standard

ZHOU Jialin，MA Kai
（CSR Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111 Shandong，China）

This paper briefly presents the structural characteristics and parameters of DMU coach，and expatiates the structure design，material selection and strength analysis of the car body.Static strength analysis and evaluation of the car body are made in accordance with the standard EN 12663－2010：Railway applications-structural requirements of railway vehicle bodies.

EN standard；car body；structure design；finite element；strength

U271

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.08

1008－7842（2014）06－0036－03

2—）男，高級工程師，（

2014－04－28）