鐵路貨車車體靜強度試驗方法研究*

宋曉磊，鄭官興，鄭云鵬

（1 中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031；2 中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002）

隨著我國經濟發展進入新常態，安全、高效的鐵路貨運對經濟發展的保障作用愈加重要。其中，鐵路車輛結構安全是保證鐵路貨運安全、高效運行最基本的要求。鐵路車輛在出廠交付使用前會進行一系列的例行試驗和型式試驗，保證車輛結構安全，車體靜強度試驗就是其中最為重要的一項型式試驗。

車體靜強度試驗是依據車輛強度考核標準及規范的相關規定實施的，標準及規范中規定了車體靜強度試驗的內容，并概略性介紹了部分試驗內容的試驗方法。依據標準及規范的要求進行試驗時會發現一些問題，比如有些試驗內容很難按照車輛實際運用狀態進行試驗，只能使用等效方法完成試驗，而有些試驗內容有多種試驗方法都能實現，此時需要針對試驗內容進行合理選擇。試驗方法的準確性是保證考核標準及規范嚴格實施的根本，同時也是保證試驗結果真實有效的根本，因此，結合相關標準規范要求進行車體靜強度試驗方法研究對準確完成鐵路貨車強度考核是非常重要的。

1 國內外鐵路貨車車體靜強度考核標準

國外鐵路貨車車體靜強度試驗考核標準主要有EN 12663-2：2014“Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies-Part 2：Freight wagons”、UIC 577-2012“Wagon stresses”及AARM 1001-2015“Design，fabrication and construction of freight wagons”等，標準對試驗內容及考核準則等進行了規定，但對試驗方法均沒有較為詳盡的描述［1-3］。

國內鐵路貨車車體靜強度試驗標準為TB/T 3550.2—2019《機車車輛強度設計及試驗鑒定規范車體 第2部分：貨車車體》（以下簡稱TB/T 3550.2），該標準于2020.3.1正式實施，代替了TB/T 1335—1996《鐵道貨車強度設計及試驗鑒定規范》及TB/T 2369—2010《鐵道車輛沖擊試驗方法》中貨車部分，代替了TB/T 1807—2002《貨車車體靜強度試驗方法》。TB/T 3550.2中規定了車體靜強度試驗內容、試驗載荷及評價方法，簡單介紹了相關試驗內容的試驗方法，具體試驗中仍需對標準中的試驗方法進行細化［4］。

2 車體靜強度試驗方法

新實施的TB/T 3550.2是未來國內鐵路貨車設計及強度考核的基本標準，所以文中主要根據TB/T 3550.2的具體規定，并結合多年從事鐵路車輛車體靜強度試驗的工作經驗，對TB/T 3550.2各項試驗內容進行梳理，從試驗載荷值的確定到具體試驗方法，詳細介紹鐵路貨車車體靜強度試驗方法。

2.1 垂向載荷試驗

垂向載荷是鐵路貨車運用過程中受到的基本作用載荷，主要由車輛自身結構及負載等載荷組成。

（1）試驗載荷值確定

車體垂向載荷包括車體垂向靜載荷和車體垂向動載荷。其中垂向靜載荷包括車體自重、載重和車體的整備重量。車體自重是空車時車體自身具備的重量。一般貨車載重取標記載重，為考慮雨雪增載對敞車和無蓋漏斗車車體結構強度的影響，取標記載重的1.15倍為載重。車體的整備重量為保證編組車輛的正常工作而必須具備的食品、燃料、水、工具等的重量之和。垂向動載荷由垂向靜載荷乘以垂向動荷系數而定。

（2）試驗方法

在車輛實際運用時的支撐狀態下施加垂向載荷，垂向載荷試驗的載荷加載有多種方式，如采用千斤頂等機械設備進行加載、采用重物（如砝碼）進行加載和采用實物進行加載等，給出了幾種垂向載荷加載方式的試驗照片如圖1～圖3所示，垂向載荷試驗時測量應力測點的應力值和撓度測點的位移值。

圖1 采用千斤頂進行加載

圖3 采用實物進行加載

盡管垂向載荷試驗載荷加載形式多樣，但垂向載荷的加載必須保證盡量接近車體的實際裝載貨物時的狀態，只有這樣才能得到相對真實的試驗結果。

2.2 縱向載荷試驗

縱向載荷是列車在各種運動狀態時，車輛間所產生的拉伸和壓縮載荷，它是車輛運行中對車輛結構影響較大的載荷。

圖2 采用重物（砝碼）進行加載

（1）試驗載荷值確定

車輛縱向載荷大小與車輛軸重、牽引總重及運行速度等多種因素有關，標準中縱向載荷值通常是結合車輛線路試驗數據、分析研究不同因素的影響給出的。TB/T 3550.2給出的車輛縱向載荷值見表1。

表1 車輛縱向載荷值

（2）試驗方法

在車輛實際運用時的支撐狀態下施加縱向載荷，根據車輛受牽引和沖擊時作用力的傳遞過程，縱向載荷通過鉤緩裝置作用于車體前后從板座上，其中縱向拉伸載荷作用于車體前從板座上，如圖4所示，縱向壓縮載荷作用于車體后從板座上，如圖5所示。試驗中通過力傳感器監控施加縱向載荷值的大小?？v向載荷試驗時測量應力測點的應力值。

圖4 縱向拉伸載荷示意圖

圖5 縱向壓縮載荷示意圖

雖然縱向載荷試驗加載方式相對簡單，但在具體試驗中應注意2點內容，首先試驗前應保證車輛處于自由狀態，嚴禁車輛縱向約束；其次保證加載設備與車體在一條直線上，防止加載出現橫向和垂向偏載，建議在預加載試驗中分析主要傳遞縱向載荷梁件的橫向對稱點應力值的對稱性，及一位端和二位端對稱點應力值的對稱性，以校驗加載是否出現偏載情況。

2.3 扭轉載荷試驗

鐵路貨車在通過曲線段線路時，由于軌道超高的存在，車輛前后轉向架輪軌接觸點不在同一水平面，使得車體在其斜對角的一對旁承處承受一組相互平衡的垂向力系，從而導致車體產生扭轉。扭轉載荷是車輛運行過程中受到的基本載荷。

（1）試驗載荷值確定

TB/T 3550.2規定在空車狀態及頂車位或枕梁端部的4點支承狀態時施加扭轉載荷，扭轉載荷大小取40 kN·m。

實際進行扭轉載荷試驗時，通過監控4個支承點力變化大小來判斷扭轉載荷是否加至規定值，通過式（1）可以計算得到40 kN·m扭轉載荷下4支承點力變化大小。

式中：M為扭矩，kN·m；b為同一枕梁2支承點之間距離，m；ΔP1、ΔP2分別為同一枕梁2支承點支承力變化的絕對值，kN。

（2）試驗方法

在A、B、C、D這4個頂車位或枕梁端部將車體頂起，如圖6所示，上下心盤離開一定距離，保證4個位置的起升高度一致，即車體由原支承狀態變為4點支承狀態，并處于水平狀態，在此狀態下對車體施加扭轉載荷。在A、B、C、D這4個支承點放置力傳感器，頂起4支承點中的某一點，如頂起A點，監控A、B這2支承點支承力變化的絕對值，直至達到40 kN·m扭轉載荷下支承力值。扭轉載荷試驗時測量應力測點的應力值。

圖6 扭轉載荷試驗示意圖

扭轉載荷加載前對車體支撐狀態的調整比較關鍵，4個支承位置的起升高度應通過位移傳感器等測量工具保證一致，從而保證車體4點支承狀態為水平狀態。

2.4 頂車載荷試驗

頂車載荷是車輛架修時加于車體上的載荷。

（1）試驗載荷值確定

鐵路貨車在重載狀態下進行架修時，需在枕梁端部或規定的頂車位將車體頂起，此時作用在車體上的載荷除了車體自重外，還包括載重。對于一般貨車，載重為標記載重，對于敞車和無蓋漏斗車，考慮到雨雪增加效應，載重為標記載重的1.15倍。

（2）試驗方法

在車輛實際運用時的支撐狀態下，在枕梁端部或規定的頂車位頂起裝有載重的重載車體，車體與轉向架承載面脫離。頂車試驗時，測量應力測點的應力值，并檢查頂車部位是否變形。

當車體結構明顯不對稱或載荷不對稱時，為充分考核其強度，應考慮從車體的一位端或二位端分別進行頂車試驗。除標準規定外，當車輛具有不同裝載型式時，如車體除了承受均布載荷以外，還承受集中載荷作用時，建議考慮在不同裝載狀態下進行頂車試驗。

2.5 罐體內壓力載荷試驗

罐體內壓力載荷是指罐體所裝液體的蒸發氣體的壓力、液力沖擊時所產生的壓力及所裝液體自重引起的靜壓力。

（1）試驗載荷值確定

罐體內壓力載荷為罐體所裝液體的蒸發氣體的壓力、液力沖擊時所產生的壓力及所裝液體自重引起的靜壓力之和，但具體試驗中將所裝液體自重引起的靜壓力作為垂向載荷進行試驗，所以罐體內壓力試驗載荷為罐體所裝液體的蒸發氣體壓力和液力沖擊時所產生的壓力之和，靜強度計算和試驗，假設罐體內壓力載荷均勻作用于整個罐體，其中罐體內的蒸發氣體壓力P0依據設計任務書規定的安全閥整定壓力取值，液力沖擊時產生的單位面積壓力為式（2）。所以在進行罐體內壓力載荷試驗時，第1工況罐體內壓力載荷取P0+P1，第2工況罐體內壓力載荷取P0+P2。

式中：P1為第1工況單位面積液力沖擊壓力，MPa；P2為第2工況單位面積液力沖擊壓力，MPa；N9g為液體慣性力，kN；F1為第1工況縱向壓縮載荷，kN；F2為第2工況縱向壓縮載荷，kN；M1為車輛載重，t；M2為 車 輛 總 重，t；A為 罐 體 端 面 的 投 影 面 積，m2；D為罐體封頭內徑，m。

（2）試驗方法

罐體內壓力載荷試驗通常采用施加水壓或氣壓的方法進行，也可根據設計任務書具體的規定進行加載。在車輛實際運用時的支撐狀態下，罐體內加滿水后采用打壓設備進行罐體內壓力載荷的施加。罐體內壓力載荷試驗時，測量應力測點的應力值。

在沒有特殊加載要求的情況下，罐體內壓力載荷試驗建議采用水壓加載，不建議用氣壓加載，由于水的壓縮比很小，所以水壓加載相對穩定且均勻，更為重要的是水壓加載要比氣壓加載安全。

2.6 散粒貨物側壓力載荷試驗

敞車和漏斗車等車型在裝運散粒貨物時，會受到散粒貨物對端、側墻壁的側壓力載荷的影響。

（1）試驗載荷值確定

散粒貨物側壓力作用于側墻之上，而在試驗中通常取散粒貨物側壓力的等效集中力作用于側柱上來模擬散粒貨物側壓力對車體的影響。

TB/T 3550.2規定了第1工況散粒貨物作用于側墻單位面積上的側壓力，為式（3）：

式中：Pd1為第1工況側墻單位面積上的壓力，MPa；γ為散粒貨物容重，t/m3；H為散粒貨物實際裝載高度（可根據標記載重、貨物容重以及車體內長和內寬等確定），m；kv為端墻上在重載車體重心高度處的垂向加速度與重力加速度的比值（一般可取0.7）；kh為端墻上在重載車體重心高度處的縱向加速度與重力加速度的比值（一般可取0.4）；θ為散粒貨物的自然坡角，（°）。

第2工況散粒貨物作用于側墻單位面積上的側壓力，為式（4）：

式中：Pd2為第2工況側墻單位面積上的壓力，MPa。

散粒貨物側壓力的分布形式比較復雜，國內外計算公式也存在一定差別，典型的有朗肯公式（庫倫土壓力）、AAR標準公式及前蘇聯相關規范中的計算公式［5］。常用計算公式的壓力圖形基本均為三角形，所以在計算散粒貨物側壓力的等效集中力時采用三角形壓力圖進行計算，如圖7所示。

圖7 散粒貨物側壓力圖

假設散粒貨物的裝載高度為h，取底部散粒貨物側壓力（三角形底邊）為l，散粒貨物裝載高度x處的側壓力為lx，取裝載高度上很小一段微元dx，該微元段散粒貨物側壓力對側墻根部的力矩大小為，整個側墻單位長度上散粒貨物側壓力對側墻根部的力矩為式（5）：

由式（3）可知整個側墻單位面積上的壓力為Pd1，即側墻單位長度上的側壓力為Pd1h，又由圖7可知，側墻單位長度上的側壓力為即Pd1=所以整個側墻單位長度上散粒貨物側壓力對側墻根部的力矩計算為式（6）：

若取側墻長度為L，整個側墻散粒貨物側壓力對側墻根部的力矩為那么散粒貨物側壓力對每1根側柱根部的力矩可以采用式（7）進行簡化計算：

式中：Mi為散粒貨物側壓力對第i根側柱根部的力矩，kN·m；Li為側墻第i根側柱處散粒貨物作用長度，m；h為散粒貨物裝載高度，m。

選定側柱上等效集中力的加載高度后，由式（7）即可計算得到加載于側柱上等效集中力的大小。

（2）試驗方法

散粒貨物側壓力試驗有2種方法，一種是等效集中力法，即在車輛實際運用時的支撐狀態下，用千斤頂在車體內兩側墻對應側柱的垂直中心線上的相應高度處加載計算得到的等效集中力。全車各對側柱均按上述方法分別加載，然后將測得的各組應力值疊加作為第1工況散粒貨物側壓力作用下的應力值，或是對各側柱同時加載，測得的應力值即為第1工況散粒貨物側壓力作用下的應力值；另外一種試驗方法是間接法，即在車輛實際運用時的支撐狀態下，裝載散粒貨物，測得相應的應力值，再通過重物（沙袋和砝碼等）在車體地板進行加載，保證與端側墻沒有因接觸而產生側壓力，測得相應的應力值，將2次試驗的應力值相減即為第1工況散粒貨物側壓力作用下的應力值。第2工況散裝貨物側壓力作用下的應力值為第1工況散裝貨物側壓力作用下的應力值與散裝貨物側壓力折算系數的乘積。

散粒貨物側壓力載荷試驗中對2種試驗方法的結果進行過對比分析，采用第2種方法，需要在地板加載，由于地板形態及加載物的差別，易導致車體底架結構出現局部應力集中、局部應力偏大等現象，所以在散粒貨物側壓力試驗時首選第1種方法。但當試驗車型側墻為無側柱結構時，只能通過第2種方法間接得到散粒貨物側壓力載荷對車體結構的影響。

2.7 翻車機作業載荷試驗

敞車等需上翻車機的車型要考慮翻車機作業載荷的影響，翻車機作業載荷主要包括翻車機壓頭對車體上側梁的壓車力載荷和翻卸作業時翻車機托車板對車體的內傾彎矩載荷2部分。

（1）試驗載荷值確定

翻車機作業載荷與車輛軸重有著直接的關系，針對不同軸重的車輛TB/T 3550.2給出了翻車機作業載荷的相應規定，見表2。

表2 不同車輛軸重下車輛翻車機作業載荷值

（2）試驗方法

按TB/T 3550.2規定，在車輛實際運用時的支撐狀態下，在翻車機壓車力載荷可能作用的上側梁位置上，在200 mm長度上均布施加壓車力。在具體試驗中通常是根據車輛與翻車機的匹配性，通過翻車機壓頭的具體位置來確定翻車機壓車力的作用位置，再通過千斤頂等設備在車輛上側梁上施加翻車機壓車力載荷，測得相應的應力值，如圖8所示。

圖8 翻車機壓車力載荷試驗

翻車機內傾彎矩是通過在車輛側柱上施加等效集中力的方法進行的，如圖9所示。由翻車機內傾彎矩載荷值大小及車輛側柱數量，可以計算出每根側柱根部受到了內傾彎矩大小，再在側柱一定高度上施加一定大小集中力，保證達到前面每根側柱根部內傾彎矩即可。試驗可以每根側柱進行依次加載測試，再將每次試驗的應力值進行疊加得到翻車機內傾彎矩載荷作用下的應力值；也可對車輛所有側柱同時加載，試驗得到的應力值即為翻車機內傾彎矩載荷作用下的應力值。

圖9 翻車機內傾彎矩載荷試驗

GB/T 18818—2002《鐵路貨車翻車機和散裝貨物解凍庫檢測技術條件》規定翻車機每個壓頭對側梁壓車力不大于78 kN［6］，可見車體靜強度試驗時對翻車機壓車力載荷的考核有很大的安全余量。另外在翻車機內傾彎矩載荷試驗時，由于實際翻車機靠板是從車體外側施加載荷的，而試驗中為了加載方便是在車體內側加載的，所以試驗得到的應力值應取負后才可作為翻車機內傾彎矩載荷試驗的應力值。

2.8 叉車裝卸作業載荷試驗

棚車等需要叉車裝卸作業的車型要考慮叉車裝卸作業載荷（以下簡稱“叉車載荷”）的影響，叉車載荷主要考慮的是叉車叉滿貨物時前車輪對車輛地板的壓力。

（1）試驗載荷值確定

TB/T 3550.2中規定，叉車前輪距為960 mm，叉車載荷為50 kN，即每輪25 kN，每輪載荷作用面積為165 mm×165 mm。在車輛實際運用時的支撐狀態下，叉車載荷可作用在地板任何位置。具體試驗中很難保證叉車載荷作用于車輛地板任何位置，一般選取跨距最大的地板中央處以及載荷直接置于地板支撐梁件中央位置處或其他使地板或地板支撐梁件產生最大應力或變形的位置處。

（2）試驗方法

叉車載荷試驗通?？梢酝ㄟ^2種方式實現，一種是選取前輪距為960 mm的叉車，叉上一定重物后測試叉車前輪載荷，保證達到每輪載荷為25 kN，然后將其置于選取的相應作用位置，并保證每輪與地板接觸位置的面積為165 mm×165 mm，測量應力測點的應力值；另一種是通過一定工裝進行叉車載荷試驗，即保證工裝與車輛地板的接觸面積為165 mm×165 mm，且保證工裝與車輛地板兩接觸位置的中心距為960 mm，在工裝每個接觸位置上的載荷為25 kN即可，測量應力測點的應力值，一種利用工裝完成叉車載荷試驗的實例，如圖10所示。

圖10 叉車載荷試驗

在使用叉車進行叉車載荷試驗時，由于對叉車前輪距、叉車前輪載荷及叉車輪胎與地板接觸面積的要求比較嚴格，在具體試驗中很難滿足要求，所以建議采用工裝來模擬叉車載荷進行試驗，保證叉車載荷試驗的準確性。

2.9 垂向彎曲剛度試驗

垂向彎曲剛度試驗是考核車體結構在垂向載荷下抗彎曲變形的能力，是車體靜強度試驗重要組成部分。

（1）試驗載荷值確定

垂向靜載荷作用下測試車體中梁及下側梁的撓度，并計算撓跨比，確定車體垂向彎曲剛度是否滿足標準要求。

（2）試驗方法

在車輛實際運用時的支撐狀態下進行垂向彎曲剛度試驗，通常在心盤處及中梁中央處放置位移傳感器，垂向靜載荷作用下測試中梁中央撓度，并計算撓跨比；在枕梁端部及下側梁中央處放置位移傳感器，垂向靜載荷作用下測試下側梁中央撓度，并計算撓跨比。

在具體試驗過程中有幾點需要注意的地方，首先，垂向彎曲剛度試驗中測取的中梁和下側梁撓度應為最大撓度，當車體結構對稱且垂向加載縱向對稱的情況下，撓度測點為中梁和下側梁中央處。若車體結構不對稱或是車體結構對稱而垂向加載不是縱向對稱，則撓度測點不能默認選在中梁和下側梁中央處，應當根據車體靜強度計算得到的撓曲線，確定中梁和下側梁最大撓度發生的位置，以此位置為垂向彎曲剛度試驗中梁和下側梁撓度測點位置；其次，在垂向彎曲剛度試驗時應將車體縱向約束，以防車體移動而影響中梁和下側梁撓度測點測試結果的準確性。

2.10 車體靜強度試驗基本作用載荷組合

車體靜強度試驗中基本作用載荷組合主要是模擬車輛在幾種基本載荷共同作用下的影響，TB/T 3550.2將車體基本作用載荷組合分為第1工況組合、第2工況組合、頂車工況組合及叉車工況組合。其中，第1工況組合包括第1工況拉伸（第1工況壓縮）載荷、車體自重載荷、載重載荷、垂向動載荷、扭轉載荷（罐車不考核）、側向力載荷及第1工況散粒貨物側壓力（罐車為第1工況罐體內壓力）；第2工況組合包括第2工況壓縮載荷、車體自重載荷、載重載荷及第2工況散粒貨物側壓力（罐車為第2工況罐體內壓力）；頂車工況組合包括頂車載荷、車體自重載荷及載重載荷；叉車工況組合包括叉車載荷及車體自重載荷。

3 結論

在TB/T 3550.2的基礎上總結了鐵路貨車車體靜強度試驗方法，較為詳細的介紹了試驗載荷值的確定及試驗載荷的施加方法，并對試驗中可能遇到的問題及不同試驗方法的優缺點進行了分析和建議。

試驗方法是否合理關系著試驗結果的準確性，進而對與車體結構靜強度計算的比對分析及車體靜強度的評價產生深遠影響。所以準確的試驗方法是完成鐵路貨車車體靜強度試驗的重要基礎。雖然某項試驗可能有多種試驗方法，但必須遵循一個原則—“試驗中車體的受力狀態必須盡量還原車體實際運用時的受力狀態”，在此原則上進一步確定更為合理準確的試驗方法。