地鐵車輛車體靜強度試驗研究

郭新

地鐵車輛車體靜強度試驗研究

郭新

（中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京 210031）

車體是連接地鐵車輛各設備的主要承載部件，車體的強度直接影響地鐵運營、維修時的安全性。本文比較分析了國內外主要車體靜強度相關標準的載荷差異，介紹了各個標準的特點及應用范圍，詳細闡述了標準中各類工況的實際意義以及評價方法。以某A型地鐵車體為例，設立了典型的靜強度試驗工況，設計了該試驗所需的試驗工裝，介紹了各工況的試驗方法。除利用率最大測點外，應重點關注運營工況下的車體結構薄弱部位。某A型地鐵車體的試驗結果表明：該車體運營工況下的利用率約為0.6，車體薄弱部位位于門角和窗角，運營過程中應重點關注該部位的狀態。

地鐵車體；靜強度；試驗方法

近年來，各大城市都出現了交通擁堵的現象。發達國家的經驗表明，軌道交通仍舊是解決城市擁堵，方便人民出行最佳方案。國內各大城市地鐵建設如火如荼，新開通的地鐵以及改進結構的增購地鐵均需進行車體的靜強度試驗，因此有必要形成通用的測試方法助力地鐵車體開通前的強度測試。

地鐵的最大運營載荷一般出現在城市上下班高峰。按照GB/T 7928－2003《地鐵車輛通用技術條件》[1]規定，高峰期的車廂內人數按8 人/m2計。單節A型車車體的最大載客質量能夠達到或超過26 t，同時，車體作為地鐵車輛的主要承載部件，連接了轉向架、車鉤、車上車下設備等一系列零部件，滿載狀態下，車體承受的總載荷超過50 t，在運營時的動態條件下，車體承受的總載荷更大。地鐵車體結構與動車組車體不同，為滿足乘客頻繁上下車的需求，地鐵車體車門數量多且開度大，引起車體應力集中的部位多，對車體強度影響顯著。

軌道車輛車體的強度試驗包括靜強度試驗和疲勞強度試驗，后者由于試驗成本高、試驗周期長、試驗結果離散性大等因素限制通常不予進行。軌道車輛車體在運營過程姿態相對穩定，車體振動與其他形式的交通相比較小。通過結合動載荷系數與靜強度試驗結果，能夠相對準確的反應車體在實際運營中的受力狀態，因此車體的靜強度試驗對于車體運營過程中的疲勞問題具備一定的參考價值。對于新造車體以及重大改型車體，在批量生產之前，需進行靜強度試驗驗證設計的合理性。

目前地鐵車體靜強度試驗參考的標準主要包括：TB/T 1806－2006《鐵道客車車體靜強度試驗方法》[2]、EN 12663－1:2010＋A1:2014《鐵路應用－鐵路車輛車體結構要求－第一部分：機車和客運車輛（以及對貨車的替代方法）》[3]、UIC 566－1990《車體以及車體部件的載荷》[4]、JIS E 7105－2006《鐵道車輛車體結構的靜載荷試驗方法》[5]，分別由中國、歐洲、國際鐵路聯盟和日本制定，以下分別簡稱TB、EN、UIC和JIS。

本文針對上述標準，對比分析了其靜強度條款異同，闡述了各工況實際意義、載荷確定方法及靜強度評價標準。以某A型車車體為例，設定了典型的車體靜強度試驗工況，結合地鐵車體結構特點，設計了靜強度試驗工裝，進行了靜強度試驗，并驗證了該強度試驗工裝的適用性。

1 標準分析

1.1 各標準使用情況

我國的軌道交通發展較晚，TB標準的制定參考了其他國際標準并根據我國的軌道交通運營特點進行了小部分修改。UIC為國際鐵路聯盟標準，適用于其所有成員國，鑒于各國鐵路狀況差異較大，其載荷要求也最嚴格。EN標準適用地域范圍僅次于UIC，但其涵蓋車輛范圍最廣，適用性最強[6]。在我國，除CRH2型動車組采用JIS要求外，客運專線動車組車體結構設計及校核均采用EN標準[7]。目前，我國地鐵車體結構設計價也主要采用EN標準。

日本是最早發展高速列車的國家，其發展的JIS標準對于本國鐵路具備良好適應性。JIS E 7105－2006在編制過程中，仍借鑒了EN 12663－2000的相關內容[8]。

1.2 載荷差異分析

EN標準涵蓋了客車和貨車，其中客車又分為干線客車、鉸接客車、市域快線、地鐵車輛、輕軌以及有軌電車等。按EN標準，地鐵屬于P-III類客運車輛，表1中僅列出該類車體靜強度試驗下的載荷。

地鐵車輛載荷主要包括：

（1）垂向載荷：因各國情況差異，立席人數及乘客質量均采用不同設計參數。

（2）縱向載荷：縱向載荷受車體縱向剛度、緩沖器特性、加速度等因素影響，難以準確確定。目前各國大多依據大量運行和試驗資料，并應用概率統計理論定出其數值[7]。

（3）載荷疊加：EN和JIS標準均認為最大垂向載荷與最大縱向載荷不可能同時出現。JIS E 7105－1989早期標準規定縱向載荷與1.1倍空車垂向載荷疊加，修訂后在JIS E 7105－2006標準中與EN標準保持一致。

（4）端墻載荷：除JIS標準規定需由當事方確定，其余標準腰帶高度載荷均規定為300 kN。TB標準和UIC標準規定的車鉤中心線以上350 mm處載荷一致。

（5）架車載荷：歐洲車體和轉向架一般不能自動分離，需帶轉向架架車。EN標準認為架車載荷為動態載荷，動載荷系數為1.1。

（6）扭轉載荷：在車體上一般不單獨存在，EN和UIC標準雖未規定，但滿足車體垂向載荷要求則也認為滿足扭轉載荷要求[7]。日本車車體輕量化程度較高，車身相對較軟，因此對扭轉載荷有著明確的規定。

（7）設備載荷：除TB外，其余標準均做出明確規定，JIS標準推薦使用實測值。

總體而言，TB和UIC標準載荷規定雖較為嚴格，但材料性能的冗余導致車輛零部件重量和成本增加，因而采用該標準的車輛較少。JIS標準規定的載荷經長期運用，在車體輕量化方面展現出優勢，但我國城市軌道交通在近10年內才蓬勃發展，面臨許多未知的問題，輕量化意味著整車強度的降低，采用JIS標準能否保證車體運營壽命滿足設計要求還有待考證。EN標準涵蓋的車輛類型豐富，工況、載荷規定明確，最新版的TB標準和JIS標準均借鑒了不少EN標準中的內容，是各個國家標準發展的趨勢。

表1 不同標準下地鐵車體靜強度載荷異同

注：＝9.81 m/s2；1為整備質量，kg；2為轉向架質量，kg；4在EN 12663-1-2010＋A1-2014中為最大有效載重，kg；4在UIC 566-1990中為（坐席數＋站立數）×80 kg（站立數按每m2站4人計算）；4在JIS E 7105-2006中為55 kg/人，最大裝載量由采購雙方決定；在TB/T 1806－2006中，無緩沖盤不進行端墻試驗；在EN 12663-1-2010＋A1-2014中，車體端部處＝2，在車輛中心區下降至0.5；在UIC 566-1990中，車體端部處＝3，在車輛中心區下降至1.5。

2 試驗工況及其評價標準

2.1 試驗工況

以下試驗工況均根據EN標準確定，部分試驗載荷考慮國內地鐵車體運營特點做出調整。

（1）垂向載荷工況

垂向載荷主要來源于車廂內部的乘客質量，根據《地鐵車輛通用技術條件》[1]，額定立席人數按6 人/m2計，最大立席人數按8 人/m2計，站立面積為除去座椅及前緣100 mm外的客室面積，人均體重按60 kg計算。在實際的使用中，最大立席人數按9 人/m2計算。設備載荷則通過具有相同接口的工裝安裝到實車吊掛的位置處。

該工況用于模擬車體在搭載乘客以及支撐設備時車體受力。

（2）縱向載荷工況

《地鐵車輛通用技術條件》[1]中規定：A型地鐵車體縱向靜載荷不低于800 kN。A型地鐵車體縱向靜拉伸載荷一般取960 kN，縱向靜壓縮載荷一般取1200 kN。

該工況用于模擬車體在運行過程中，車體加速、制動時沿車體縱上的車體受力。

（3）端墻載荷工況

腰帶高度300 kN壓縮載荷，上邊梁高度150 kN壓縮載荷。

該工況用于模擬車體在發生碰撞事故時車體受力。實際運用中該載荷過于理想，由于難以準確確定車體碰撞時端墻的載荷，目前國內通用的做法是采用EN標準中規定的端墻載荷進行加載。

（4）架車載荷工況

架車載荷工況分為單端架車工況、復軌工況、整車架車工況和三點支撐工況。除復軌工況外，其他工況按架車位相對枕梁位置分為枕內工況和枕外工況。枕外架車工況下，轉向架與車體一般處于分離狀態。

單端架車工況用于模擬轉向架與車體在車間分離時車體的受力狀態。

復軌工況用于模擬列車脫軌后采用復軌器進行復軌過程中的車體受力。

整車架車工況和三點支撐工況用于模擬車體架車（起吊）時的車體受力。理想狀態下，四個架車位應同步抬升，但由于架車（起吊）時存在的偏差，其中一架車位不在其他三個架車位組成的平面內，因此設定了三點支撐工況。三點支撐工況在臺架試驗時，在車體的四個架車位將車體頂起，然后將其中一個架車位緩慢下降10 mm。

2.2 評價標準

EN標準提供了判斷靜強度是否合格的方法。各工況下，當測點應力的利用率滿足公式（1）時，測點判定為合格。

對于延展性材料產生應力集中的測點，允許其超過許用應力，但需要保證應力集中引起的塑性變形應足夠小，并且在卸載后無重大永久變形。

2.2.1 應力集中測點的計算評價方法

延展性材料線彈性區間內，應力集中測點應力范圍需滿足：

式中：max為靜載荷工況最大應力，MPa；min為靜載荷工況最小應力，MPa；max與min方向相同。

2.2.2 應力集中測點的試驗評價方法

加載卸載時，應力應變曲線仍為線性，且殘余應變滿足下式時，則測點仍是合格的：

3 車體靜強度臺架試驗

3.1 試驗方法

焊接成形后的整車車體存在局部的焊接變形，車體靜強度試驗的所有工況均需進行預加載，以釋放材料焊接變形所產生的內部應力。

（1）垂向載荷工況

垂向載荷施加時通過在車廂內施加均勻布置的砝碼進行加載。砝碼沿車體縱向以每米為單位平均分布。車下部分設備和空調載荷屬于大質量載荷，需在相應的安裝位置制作接口工裝進行加載。

（2）縱向載荷工況

縱向載荷施加前需預先在車體內施加相應工況的垂向均布載荷。車鉤接口處按100kN的步長逐步施加拉伸（壓縮）載荷，直至達到目標載荷，卸載時同理。

鑒于車鉤拉伸（壓縮）載荷較大，預加載到一半時，需將半載時的數據線性疊加預估全載時的應力，如果預估的利用率不超過1則繼續加載，否則停止試驗，避免載荷過大導致車體的永久變形。

（3）端墻載荷工況

端墻載荷施加前需預先在車體內施加相應工況的垂向均布載荷。在車體端墻兩側用千斤頂同步施加縱向載荷，然后同步卸載，避免車體產生偏轉。

加載時，端墻承受面載荷，需在千斤頂與車體之間加設一條鋼梁。千斤頂中心線與側墻在同一面內。預加載到一半時，需將半載數據線性疊加預估全載時的應力，避免載荷過大導致端墻永久變形。

（4）架車載荷工況

需預先在車體內施加相應垂向均布載荷，根據各工況要求施加轉向架載荷。在架車位（復軌位）將車頂起，過程中需保持各架車位同步頂起或下落，避免車體產生永久變形。

3.2 試驗工裝

根據試驗工況，地鐵車體靜強度試驗所需工裝包括：車鉤接口工裝、轉向架接口工裝和端墻載荷施加工裝，如圖1～3所示。

其中，車鉤工裝需根據車鉤座尺寸單獨設計，國內各主機廠的自身的車鉤面板尺寸基本通用。轉向架工裝T形槽滑板以下為固定高度。支撐座可在橫向調節位置，由墊板、方墩和空簧座組成，均備有不同規格，可組裝成目標高度。轉向架工裝的配轉向架工裝T形槽滑板以下為固定高度。支撐座可在橫向調節位置，由墊板、方墩和空簧座組成，均備有不同規格，可組裝成目標高度。轉向架工裝的配重箱可根據實車轉向架質量增減配重砝碼，直至與實車轉向架質量一致。轉向架拉板的鉆孔尺寸與實車枕梁下表面中心銷安裝孔尺寸一致，由于國內各主機廠的自身的中心銷尺寸基本通用，因此在轉向架拉板上預先根據各廠中心銷孔尺寸進行了鉆孔。

圖1 車鉤工裝

1.小半徑輪對；2.轉向架工裝構架；3.配重箱；4.T形槽滑板；5.轉向架拉板；6.空氣彈簧支撐座。

端墻工裝包括承載梁（圖3a）和加載梁（圖3b），承載梁將點載荷轉化為面載荷，加載梁的高度可調，以適應加載位置。

3.3 試驗結果

為驗證該工裝能夠適用于按EN標準設計的車體的靜強度試驗工況進行試驗，被試驗車體為某A型地鐵中間車車體，如圖4所示。

表2列出了普通地鐵車體靜強度試驗所包含的典型工況。試驗得到的各工況下車體安全系數最小點如表3所示。

圖3 端墻工裝

圖4 地鐵車體

由表3可知，該試驗車體復軌工況材料利用率最大，達到0.80，因此該車體的靜強度滿足按標準EN12663-1:2010+A1:2014設計的要求。復軌工況雖然利用率最大，但T4～T7均為事故工況，在車體運營過程中發生概率極低，且T4和T5的載荷的準確性還有待考證，因此還需重點關注其他工況的結果。

表2 試驗工況表

表3 各工況安全系數最小測點

T8～T11均為在廠內架大修工況，發生頻率較低。T1～T3與運營時列車車體的安全性有關，應重點關注。T1～T3的材料利用率均在0.6左右，因而該地鐵車體在運營狀態下材料性能具備較充足的安全冗余。T1～T3表明，在列車運營過程中需重點關注窗角和門角的狀態，預防車體運營過程疲勞產生的破壞。

該地鐵車體靜強度試驗表明，車鉤工裝、轉向架工裝以及端墻加載工裝符合車體靜強度試驗的要求。

4 結論

（1）我國TB標準發展較晚，發展過程中借鑒了很多其他國家的相關標準，但對于鋁合金地鐵車體的靜強度試驗，由于EN標準工況全面、載荷明確，國內目前主要采用該標準進行靜強度試驗與評估。

（2）鋁合金地鐵車體的工況根據應用情況主要分為運營工況和架大修工況，架大修工況在列車壽命周期內出現的次數較低且不會影響乘客安全，因此最應關注運營工況下利用率最高部位的應力狀態。本文被試車體的窗角和門角在服役過程中應重點關注。維修過程中發現車鉤安裝座和緩沖梁焊縫處相對容易產生疲勞裂紋[10]，在試驗時也應盡可能在該部位布置測點進行監測。

（3）依據試驗工況及其評價標準，可基本確定各型普通地鐵車體的靜強度工況，地鐵車體的靜強度試驗經過長足的發展無論試驗設備還是試驗方法都已非常成熟。但如何確定合適的試驗載荷、實現軌道車輛車體的輕量化設計，仍然存在很多未知問題。目前的試驗載荷基本都是由國外標準引進，載荷的來源以及載荷與我國實際的運營維修條件的匹配仍需很多實測數據作為支撐。

[1]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局. 地鐵車輛通用技術條件：GB/T 7928－2003[S]. 北京：中國標準出版社，2004.

[2]中華人民共和國鐵道部. 鐵道客車車體靜強度試驗方法：TB/T 1806－2006[S]. 北京：中國鐵道出版社，2006.

[3]歐洲標準化委員會. 鐵路應用－鐵路車輛車體結構要求第一部分：機車和客運車輛（以及對貨車的替代方法）：EN 12663－1: 2010+A1:2014[S]. 英國國家標準機構，2014.

[4]國際鐵路聯盟. 車體以及車體部件的載荷：UIC 566－1990[S]. 1994.

[5]日本標準協會. 鐵路機車車輛客車結構體設計一般要求：JIS E 7106－2006[S]. 2006.

[6]彭雨洋. 高速列車車體及其底架局部疲勞強度研究[D]. 成都：西南交通大學，2011.

[7]田玉坤，田葆栓. EN12663《鐵路應用鐵道車輛車體結構要求》標準分析研究[J]. 鐵道車輛，2018，56（5）：12-17.

[8]陸正剛，王文斌. 軌道車輛設計[M]. 上海：同濟大學出版社，2015：25.

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Research on Static Strength Test of Metro Carbody

GUO Xin

( CRRC Nanjing Puzhen Co., Ltd., Nanjing 210031, China )

The carbody is the main bearing component connecting the equipments of metro vehicles, and the strength of the carbody directly affects the safety of metro operation and maintenance. This paper compares and analyzes the load difference of the main static strength standards at home and abroad, introduces the characteristics and application scope of each standard, and elaborates the practical significance and evaluation methods of various load cases in the standard. Taking an A-type metro carbody as an example, the typical static strength test conditions are set up, the test equipment required for the test is designed, and the test method for each case is introduced. In addition to the measured point with the maximum utilization rate, the weak parts of the vehicle body under operating conditions should be paid attention to. The test results show that the utilization rate of the car body is about 0.6 under operating conditions. The weak parts of the car body are located at the door corners and window corners, and the state of these parts should be paid attention to during operation.

metro carbody；static strength；test methods

U271.91

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.10.007

1006-0316 (2021) 10-0046-07

2021-01-15

郭新（1976－），男，浙江湖州人，教授級高級工程師，主要研究方向為軌道交通車輛工藝，E-mail：770695290@qq.com。