鐵路客車地板結構優化設計

陸 鵬

（中國北車集團長春軌道客車股份有限公司,長春 130000）

1 前言

隨著國內高速鐵路的不斷發展，旅客、客運服務公司勢必會對旅客的乘車感受提出更高的要求，包括客室噪聲、振動、視野、溫濕度等因素的控制和優化成為軌道車輛制造商必須研究解決的重要課題。而地板作為旅客的直接承載部位，其振動性能和隔音指標對乘坐舒適性有直接影響。目前，國內鐵路客車的地板隔音指標及測試辦法已較完備，而其振動性能僅給出UIC標準的舒適度指標，缺乏達到這一指標所需的設計指導理論，僅處于經驗設計和試驗測試并修正的階段，急需投入進行理論研發。

2 地板典型結構

中國鐵路客車經歷了由22型客車、25型客車到技術引進基礎上研制的CRH和諧號動車組的發展歷程，鐵路客車地板的材料及結構也與時俱進不斷發展。

2.1 普通鐵路客車地板

傳統的22型、25型客車地板以膠合板為主要材料。地板底部使用硬木骨支撐，地板、木骨、車體底架之間使用機械連接，結構簡單、裝配工藝成熟、結實耐用。但是，隨著國內鐵路進入高速動車組時代，這種地板結構遭遇了兩項技術難題無法突破：一是地板減振性能差，由于該結構為機械連接，雖在地板與木梁間增加橡膠墊，但是輪軌作用產生的振動仍能傳遞至地板表面，造成旅客乘坐不舒適。二是地板隔音效果差，底架高頻振動極易傳遞至地板。

2.2 時速250公里動車組地板

針對傳統地板結構的缺點，國內時速250公里動車組地板開發了一種彈性支撐和復合地板組合的動車組地板。該地板本身為上下兩層1.5mm厚鋁板與中部的PVC泡沫復合在一起而成，由于PVC泡沫內部存在大量的泡孔，可以有效的阻隔車下輪軌噪音、和設備運行產生的噪音，隔音性能優越。地板底部使用彈性支撐作為支撐元件，該彈性支撐由上部型材、下部型材和中部的硫化橡膠組成，由于使用了橡膠柔性連接，地板的振動性能有大幅度的提高，基本滿足了時速250公里動車組的舒適性要求。彈性支撐的主要性能參數如下：

垂向壓縮剛度：650 N/mm±10%;拉伸剛度：≥185 N/mm;縱向剪切剛度：≥200 N/mm;橫向剪切剛度：≥200 N/mm;縱向剪切力（開始出現破壞時）：≥4500 N;縱向剪切力（開始出現破壞時）：≥2500 N

在1.0-2.5kN，4Hz載荷下，經100萬次疲勞試驗后：產品高度變化≤0.5%;垂向靜剛度變化±10%,耐高低溫濕熱循環試驗，PH=5的HCL溶液中進行耐酸試驗后后：產品高度變化≤0.5%;產品重量變化≤0.2%;垂向壓縮剛度變化≤5%,在PH=12的NaOH溶液溶液中進行耐堿試驗后：產品高度變化≤0.5%;產品重量變化≤0.2%;垂向壓縮剛度變化≤10%。

但在時速超過230km時該地板會出現異常振動。針對此異常振動進行了分析。經測試，車上地板振動在0-2Hz,20-60Hz均有較大的振動主頻成分，針對振動可能產生此頻段的振動傳遞和振源再次進行測試分析，沿輪軌、構架、車下設備、車體底架的振動傳遞順序進行了測試。結果為：走行部、車下設備的最大傳遞率均小于1，處于0-2Hz的剛體模態頻段。而對車體底架和地板表面的振動傳遞特性對比則發現，通過地板結構之后，車體底架的振動被放大，即地板結構本身造成了此異常振動。同時，從地板彈性支撐到逐漸遠離彈性支撐，地板的振動是逐漸放大,即地板發生局部模態振動。由此可見，造成該地板異常振動的原因為：

（1）地板彈性支撐振動傳遞時將振動放大，需要選擇合適的地板支撐；

（2）地板本身發生了局部模態振動，需要優化地板的局部模態。

2.3 時速350公里動車組地板

時速250公里動車組地板結構對振動性能影響最大的部分是彈性部分（即硫化橡膠），為了消除這一振動使地板結構適應高于250公里并達到更高的時速350公里，必須研究改進彈性部分的自振頻率及影響因素。

自振頻率f與橡膠的剛度k成正比，與在彈性體上附加的載荷M成反比。根據彈性體振動頻率計算公式，消除柔性連接地板結構異常振動必須設法減小這種結構的自振頻率，而減小自振頻率的方法有兩種：一是減小橡膠的剛度，由于減小剛度不利于承載，可操作空間較小；

所以我們采用第二種辦法，即在地板上增加載荷，實際的動車組設計時很多載荷，比如座椅、間壁、茶桌等部件可以在地板和車體底架之間合理分配載荷，使地板具有適當的載荷。

同時根據實際運營經驗，時速350公里動車組地板與底部支撐之間取消了固結式的機械連接而采用浮筑結構，即地板與底部支撐件沒有硬性連接，僅在地板的某些部位增加部分間隙連接，減小底部支撐件與地板之間的振動關聯。底部支撐也由上下型材改為振動性能較優越的木骨，彈性部分直接粘接在木骨上表面。

通過測試選型，浮筑結構地板的減振墊振動峰值對應的頻率約為13HZ,在20-40HZ的振動頻段振動衰減，避開了0-2Hz,20-60Hz的振動主頻區間。另外，浮筑結構地板結構不再使用普通鐵路客車、時速250公里動車組的座椅結構（座椅硬性連接在車體底架上，以增加連接可靠性，座椅負載也直接加在車體底架上），而是通過座椅和底架之間的間隙連接，使得地板的附重不僅包括地板本身的重量，同時也包括地板上方的座椅重量，使地板重量滿足了對應的附重要求，減振墊振動頻率達到減振要求區間。

3 結束語

實際的動車組地板設計結構較為復雜，需要考慮的載荷及部件布置極為繁復。目前國內尚無成熟的地板結構設計指導理論，本文僅通過分析提出一種可行的設計經驗，其實際效果仍然有待進一步提高和優化。同時由于新材料的不斷出現，本身自振頻率低、負載性能好的減振材料也陸續涌現，減震墊的測試選型提供了很好的支撐。

[1]嚴雋耄，車輛工程[M].中國鐵道出版社,1999.

[2]徐秉業，彈性力學[S].清華大學出版社,2007.

[3]機車車輛橡膠彈性元件通用技術條件[S].TB/T 2843-2007.