1第二篇第一章车体结构概述Word文件下载.docx

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图2-1-3桁架式侧墙承载结构示意图

当在侧、端壁的骨架上敷以金属板后就形成板梁式侧壁承载结构，如图2-1-4所示的敞车为典型的板梁式侧壁承载结构。

侧、端壁除能与底架共同承受垂向载荷外，还能承受部分纵向力、扭转力，所以可显著地减轻中梁的负担。

为了保证金属板受力后不致失稳，板的自由面积不宜过大，常采用钢板压筋、加筋方式解决墙板的失稳问题。

图2-1-4板梁式侧墙承载结构示意图

3．整体承载结构

如果在板梁式侧壁底架共同承载结构的车体顶部还有由金属板、梁组焊而成的车顶，使车体的底架、侧端壁、车顶牢固地组成为一整体，成为开口或闭口箱形结构，则此时车体各部分均能承受垂向载荷及纵向力，因而称为整体承载结构。

整体承载结构又分开口箱形结构和闭口箱形结构两种。

图2-1-5（a）为底架没有金属地板，仅由各梁件和木地板组成的开口箱形结构；

图2-1-5（b）为底架地板横梁下面（或底架上面）设有金属地板所组成的闭口箱形结构，也称筒形结构。

（a）开口箱形结构　　　　　　　　　　　　　　　（b）闭口箱形结构

图2-1-5整体承载结构示意图

整体承载结构的车体骨架是由很多轻巧的纵向杆件及横向杆件组成一个个钢环，与金属包板组焊在一起具有很大的强度和刚度。

因此底架的结构可以较侧壁承载时更为轻巧，甚至有可能将底架中部的一段笨重中梁取消，而制成无中梁的底架结构。

如图2-1-6所示，底架两枕梁之间的一段中梁被去掉了。

为了保证载荷的传递，适当地加强了侧梁的强度及刚度。

无中梁车体和有中梁车体一样能承担各种载荷。

对于某些形式的车辆，例如罐车，其罐体本身具有很大的强度和刚度，能承受各种载荷，此时甚至连底架也可以取消，仅在罐体的两端焊上牵引梁和枕梁，供安装车钩缓冲装置和传递载荷，如图2-1-7所示，它也是整体承载结构的一种形式。

　图2-1-6无中梁底架结构示意图图2-1-7无底架罐车结构示意图

第二节　车体载荷分析

车辆在运行中承受着复杂的作用载荷，分析车体的受力状态，是车辆结构设计和强度计算的基础，同时也是制定车辆钢结构检修要求的理论基础。

对车辆结构的强度设计，就是要根据作用载荷在车辆结构中产生的应力和变形状态，对车辆承载结构进行设计，必要时还应进行稳定性校核，使车辆结构在工作状态下安全可靠。

一、车辆承受载荷

（一）载荷分类

1.垂向总载荷：

包括车体自重、载重、整备重量以及由于轮轨冲击和簧上振动而产生的垂向动载荷。

在大部分情况下，这些载荷是比较均匀地铅垂作用在地板面上，如图2-1-8（a）所示，对于某些货车（如敞车和平车），有时也要考虑装运成件货物而造成的集中载荷。

2.纵向力：

当列车起动、变速、上下坡道，特别是紧急制动和调车作业时，在车辆之间以及机车和车辆之间所产生的拉伸和压缩冲击力。

此纵向力通过车钩缓冲装置作用于车辆底架的前（或后）从板座上，如图2-1-8（b）所示，由于列车长度和总重量增加后，纵向力的数值可能很大，对车体来说，也是一种主要载荷。

3.侧向力：

包括风力及离心惯性力，如图2-1-8（c）所示，当货车内装运散粒货物时，还要计算散粒货物对侧壁的压力。

侧向载荷比起前面两种载荷虽然小得多，但对于车体的局部结构有一定影响，例如可使侧立柱产生弯曲变形，加重侧壁各构件的弯曲作用等。

4.扭转载荷：

当车辆通过缓和曲线区段，或在不平坦线路上运行，或车体被不均匀地顶起时（修车时常会碰到），车体将承受扭转载荷，如图2-1-8（d）所示。

此外，车体钢结构上还承受着各种局部载荷，例如：

叉式起重车在车体内行走时产生的活动载荷；

底架上悬挂的制动装置、卸料装置等引起的附加载荷。

在鉴定车体钢结构强度时，以上各种载荷的取值、作用方式以及作用位置，要符《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》所规定的有关标准。

（二）载荷的主要计算作用方式

上述所列作用载荷可归结为下列几种：

1.垂向方式；

2.纵向方式；

3.侧向方式；

4.自相平衡的一些力组，如扭转载荷及斜对称载荷。

除自相平衡的力组外，三种计算作用方式中，垂向和纵向是主要的，即垂向总载荷和纵向力是考察车辆结构强度的主载荷。

而在考虑车辆相应零部件的强度时，常以垂向静载荷的10％～12.5％来表征侧向力的作用影响，足见垂向和纵向作用方式所产生的应力可占据整个应力总成的90％以上。

（a）铅垂载荷作用；

（b）纵向载荷作用；

（c）横向载荷作用；

（d）扭转载荷作用。

图2-1-8车体受力示意图

二、载荷分析

（一）垂向静载荷

作用在车体上的垂向静载荷Pst包括车体自重、车辆载重以及整备重量。

1.车体自重

在进行车辆强度计算时，车体自重包括车体钢结构、木结构的重量以及固接在车体上的车辆其他零、部件的重量。

其数值视具体结构而定。

2.车辆载重

对于一般货车，取标记载重（涂打在车体上的额定载重）为车辆载重；

对于敞车、无盖漏斗车等，应考虑雨雪增载作用，则取标记载重的1.15倍作为敞车的载重。

3.整备重量

按照装满备足的情况考虑。

货车载重一般认为是沿地板面均布的；

对于可能装运大型笨重货物的敞车和平车，其载重的分布情况可按设计任务书（或建议书）提出的要求考虑。

（二）垂向动载荷

垂向动载荷Pd是由于轨面不平、钢轨接缝等线路原因以及由于车辆本身状态不良（例如车轮滚动圆偏心，呈椭圆状，踏面擦伤等）等因素，引起轮轨间冲击和车辆簧上振动而产生的。

由于上述因素变化复杂，垂向动载荷很难从理论分析得到，通常可由垂向静载荷Pst乘以垂向动荷系数Kdy而得，即Pd=Kdy·

Pst。

《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》推荐的垂向动荷系数的经验公式如下：

（2-1a）

式中Kdy——垂向动荷系数；

fj——车辆在垂向静载荷下的弹簧静挠度（对于变刚度弹簧，静挠度值为垂向静载荷与相应载荷下的弹簧刚度之比）（mm）；

υ——车辆的构造速度（km／h）；

b——系数，取值为0.05；

d——系数，货车取值为1.65，客车取值为3.0；

a——系数，簧上部分（包括摇枕）取值为1.50，簧下部分（轮对除外）取值为3.50；

c——系数，簧上部分（包括摇枕）取值为0.427，簧下部分（轮对除外）取值为0.569。

具有二系弹簧的转向架构架，垂向动荷系数按式（2-1b）计算：

（2-1b）

式中Kdvs——簧上部分的垂向动荷系数；

Kdyx——簧下部分的垂向动荷系数；

fiy——摇枕弹簧静挠度（mm）；

fjz——轴箱弹簧静挠度（mm）；

fj∑——转向架的弹簧静挠度（fjy+fjz）。

垂向静载荷与垂向动载荷之和称为垂向总载荷。

（三）侧向力

作用在车体上的侧向力包括风力与离心力。

车辆运行时受到自然界风力的作用。

当风从车辆侧面吹来并垂直于车体侧壁，而车辆又运行在线路的曲线区段时，车体所受的侧向力为风力与离心力之和。

1.风力

我国风力取值系据建筑界有关全国风压分布图的研究而得。

计算时取风压力540N／m2，风力的合力作用于车体侧向投影面积的形心上。

2.离心力

车辆运行在线路的曲线区段时，将承受离心惯性力（俗称离心力）的作用，整个车辆的离心力作用在车辆的重心上，其方向沿径向指向曲线外侧。

计算时通常把车体及转向架的离心力分别考虑。

对于重车其车体的重心通常取在距轮对中心线上180cm处。

离心力使车体产生向曲线外侧倾覆的趋势，并使车辆靠外轨一侧的零、部件产生垂向增载。

车体离心力H1的作用情况，如图2-1-9所示，其数值可按下式计算：

（2-2a）

式中Pst——车体垂向静载荷（N）；

g——重力加速度（m／s2），其值常取10；

R——曲线半径（m）；

V——通过曲线时车辆最大允许速度（km／h）。

为了减小离心力H1对车辆的作用，在线路的曲线区段上外轨铺设得比内轨高出一个h值（见图2-1-9），h通常称为外轨超高量，其数值与曲线半径R的大小有关。

由于外轨超高，就使得车辆内倾，这样，车体垂向静载荷Pst（包括车体自重、载重等）就会在与离心力H1相反的方向上产生一个分力H2，它可以抵销一部分离心力的作用。

从图2-1-9中看出：

（2-2b）

式中h——曲线区段的外轨超高量（mm）（它与曲线半径R以及通过曲线时列车平均速度有关，其值可参看铁路工程有关书籍）；

2b1——轮对两滚动圆之间的距离（mm），其值为：

2b1=1493mm。

考虑到外轨超高影响后，在曲线区段车体仍承受着未抵消的离心力作用，把H1、H2力沿着垂直于车体侧壁的方向（即H2的方向）投影，其两者之差为：

H=H1cosα－H2

由于α角度很小，故cosα≈l，因此：

（2-3）

为简化计算，《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》规定可将上述H力的数值取为垂向静载荷Pst的7.5％，即：

（2-4）

计算中假定H力的方向与风力的方向相一致。

应当指出：

近年来铁路车辆提速后，应考虑上式中系数（0.75）的增加。

（四）扭转载荷

车辆制造的几何误差，线路不平顺等，即使是静止的重载车体也可以形成扭转。

在运动过程中，蛇形运动、车辆进出曲线或道岔侧线均可以使车体扭转。

由于车体重心距心盘面有一定的高度，所以如图2-1-10所示，当第一个转向架进入缓和曲线，而后面转向架仍处于平直道，或当第一个转向架驶出曲线，而后面的转向架仍处于缓和曲线时，都将使车体产生扭转。

《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》中扭转载荷MK取值4t·

m（40kN·

m）。

此扭矩作用在车体枕梁所在垂直平面内。

图2-1-10曲线上车体扭转示意图

（五）纵向力

当列车运动状态发生变化时，车辆牵引缓冲装置上，因相邻车辆间发生速度差，就会导致纵向拉伸或压缩作用力的产生，它经由车辆底架的前（或后）从板座作用于车体，使其产生偏心拉伸（或压缩）变形。

纵向动力的大小与机车的起动牵引力和列车的重量与速度，甚至机务人员的操作水平等有关，同时也取决于单个车辆本身的质量、车体纵向刚度、所装制动机和钩缓装置的性能。

纵向动力的作用性质也相当复杂，不仅不同工况下其作用力的大小与性质不同，即使同一工况也不是都有统一的特性可言。

尤其应当指出的是，不管哪一种工况下发生的纵向动力，其沿列车长度方向的分布都不是均匀的，换句话说，当列车发生纵向冲击时，车辆所处位置不同，其所受力的大小是不等的。

《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》对纵向力及其组合的表述如下。

1．纵向力是指列车在各种运动状态时，车辆间所产生的压缩和拉伸的力。

在计算和试验货车必须按第一工况和第二工况的载荷组合方式进行。

2．第一工况。

纵向拉伸力取：

货车为1125kN；

压缩力取：

货车为1400kN。

该力分别沿车钩中心线作用于车辆两端的前、后从板座上。

这种力产生的应力与垂向总载荷、侧向力、扭转载荷等所产生的应力相加（装运散粒货物的车辆，还应加上侧压力产生的应力），其和不得大于第一工况的许用应力。

3．第二工况。

纵向压缩力取为2250kN，该力有二种作用方式：

一是沿车钩中心线作用于车辆两端的后从板座上；

二是沿车钩中心线作用于车辆一端的后从板座上。

而为车辆及其所载货物的惯性力所平衡。

根据相关技术文件要求，70t级通用货车第一工况纵向拉抻力取为1780kN，第一工况纵向压缩力取为1920kN，第二工况纵向压缩力取为2500kN；

80t级运煤专用敞车第一工况纵向拉抻力取为2250kN，第一工况纵向压缩力取为2500kN，第二工况纵向压缩力取为2800kN。

货车的走行部分和车体构件，都必须考虑车体总重（车体静载重与车体自重之和）所产生的惯性力的影响，该惯性力沿车体纵向作用在车体（包括货物）的重心处。

其大小按式（2-5）计算：

（2-5）

式中Ng——车体总重产生的惯性力（kN）。

由这两种作用方式产生的应力分别与垂向静载荷产生的应力相加（装运散粒货物的车辆，还应加上侧压力产生的应力），其和不得大于第二工况许用应力。

（六）散粒货物的侧压力

货车装运散粒货物时，车体侧、端墙承受着沿其全长（或宽）均匀分布的散粒货物侧压力。

1.散粒货物的侧压力垂直作用于侧（端）墙之上，当进行第一工况强度考核时，仅考虑侧墙压力。

其单位面积上的压力按式（2-6）计算：

（2-6）

式中Pdl——侧墙单位面积上的压力（Pa）；

γ——散粒货物容重（t/m3）；

H——散粒货物实际装载高度（可根据标记载重，货物容重以及车体内长和内宽等确定）（m）；

Ku——端墙上在重载车体重心高度处的垂向加速度与重力加速度的比值（一般可取0.7）；

Kh——端墙上在重载车体重心高度处的纵向加速度与重力加速度的比值（一般可取0.4）；

Q——散粒货物的自然坡角（°

）。

A0=Kh-（1-Ku）tanθ

设计通用敞车时，按装运水洗煤取值r=1.1t／m3；

θ=25°

。

2.当进行第二工况强度考核时，其侧墙单位面积上的压力按式（2-7）计算：

（2-7）

式中Pdl、r、θ、H——同式（2-6）。

端墙单位面积上的压力按式（2-8）计算：

（2-8）

式中Pd2——端墙单位面积上的压力（Pa）；

r、θ、H——同式（2-7）；

Kν——同式（2-7），一般可取1；

Kh——同式（2-7），一般可取3；

h——散粒货物表面至重载车体重心间的距离（m）；

L——车体内长的一半（m）；

x——重载车体重心至计算侧压力处的水平距离（均匀装载时x=L）（m）。

（七）罐体的内压力

装运液体货物的罐车，其罐体承受着液体蒸发气体的内压力、液力冲击时所产生的压力及所装液体自重引起的静压力三部分之和。

液力冲击时产生的单位面积压力等于液体惯性力Ng′除以罐体端面的投影面积所得的商。

静强度计算及试验时，假定此压力的作用沿整个罐体内壁是均匀分布的。

Ng′值可用类似式（2-5），取相应工况的纵向力乘以液体载重与罐车总重的比而求得。

罐体内的蒸发气体压力依设计任务书规定的安全阀调整压力取值。

在评价罐体作为壳体的稳定性时，应考虑真空现象（当下部排卸或液体蒸气快速冷却及在进气阀发生故障时，均可能出现这种现象）。

罐体承受负压（真空）时的计算值取为0.05MPa。

（八）车辆在机械化装卸时所受的力

1．需上翻车机的敞车的上侧梁和立柱必须满足翻车机的作业要求，对于车辆总重为84t的敞车，翻车机一个压头的最大垂向压力取118kN，作用在上侧梁的任何位置，匀布于最小200mm的长度上；

侧墙立柱根部的内倾总弯矩235kN·

m，均匀分摊给所有立柱，其所产生的应力均不得大于表2-1-3第二工况许用应力。

其他载重的敞车及固定使用翻车机的敞车，应根据车辆总重和所用翻车机的结构确定上侧梁和立柱的载荷值。

2．地板应能满足叉车装卸作业的要求，前轮距为260mm时，载荷为40kN（每轮20kN），作用在地板任何位置所产生的应力不得大于表2-1-3第二工况许用应力。

当进行这种强度考核时，钢地板可按四周简支板计算。

当木地板直接承载时，其跨距不得大于400mm。

（九）修理时加于车辆上的载荷

鉴定车辆强度时，应考虑在车体一端枕梁的两侧或其他顶车处用千斤顶架起重载车体。

此时，车体任何断面的应力不得大于所用材料的屈服极限，顶车位置处的结构不得产生永久变形。

使车体承受很大载荷的特定架修方法必须在设计任务书中加以载明，以便在鉴定强度时考虑。

（十）车辆用材料及许用应力

1．车辆焊接结构主要承载件，一般采用纯氧顶吹转炉；

平炉或电炉钢。

普通侧吹转炉钢仅可用于次要零件，普通底吹转炉钢不得使用。

热轧碳素结构钢的含碳量不得大于0.24％，硫、磷以及镍、铬和铜等杂质的含量均应相应符合GB700、GB699等标准的要求；

耐大气腐蚀钢应符合有关国家标准、铁道行业标准或其他相当的标准规定。

2．车辆焊接结构主要承载件应当采用镇静钢。

各种钢材的性能除相应符合GB700、GB699、GBl591等标准的要求外，还应具有额定冲击韧性值（akv值），要求符合如下规定：

（1）当选择新材料牌号时，应按20、0、-20、-40、-60℃五个温度测定akv值的统计平均值和考虑离散度后的下限值，不得低于表2-1-1（结构钢）或表2-1-2（铸钢）中的相应值。

（2）按

（1）点选定某种牌号材料后，日常进行采购或入厂检验时，可仅测定20℃下的。

akv值。

取5个试样进行试验，其平均值应不小于表2-1-1或表2-1-2中相应温度下的下限值，但只允许5个试样中有一个试样的值低于规定值。

（3）除上述两点规定外，akv值的测试还应符合GB2106、GB4159以及GB2975等标准的规定。

车辆焊接结构主要承载件应在产品技术条件中明确规定。

车辆用其他黑色金属和有色金属材料，均须符合相应标准的规定，或符合经供求双方协议并按规定程序批准的技术文件的要求。

表2-1-1　结构钢的akv值

试验结果

温度（℃）

20

-20

-40

-60

平均值（J/cm2）

60.43

36.7l

16.39

8.76

4.46

下限值（J/cm2）

49.54

29.37

10.75

5.83

3.38

表2-1-2　铸造钢的akv值

59.67

43.69

28.99

14.66

8.38

46.95

33.78

22.21

5.77

3．在设计和试验时，材料机械性能一律采用相应标准的最低值。

当使用没有载明机械性能、化学成分和冶炼方法的金属材料时，应以国标或冶金行业标准规定的方法进行鉴定后，方可按相应的钢号使用。

对于经过鉴定不合格以及冶炼方法不能确定的钢材，均不得用于制造车辆的主要承载件。

4．钢制零部件采用下列材料机械性能。

弹性模量E=206×

103MPa（轧制钢材）

E=172×

103MPa（铸钢件）

切变模量

波松比u=0.3

5．材料许用应力按下列各条确定。

试验测试应力允许考虑5％的误差，但不得与下列第（3）项合并提高许用应力值。

（1）按TBl335《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》设计的钢质车辆零部件，零部件基体金属的测试应力均不得大于表2-1-3所规定的数值。

表2-1-3　金属零件许用应力（MPa）

材料

牌号

屈服强度σS

车体及转向架零件

（轮对除外）

制动零件

第一工况

第二工况

普通碳素钢

Q235-A

235

161

212

136

Q275

275

188

248

159

耐候钢

09CuPCrNi

294

184

250

156

不锈钢

1Crl7Mn6Ni5N

低合金钢

16Mn

345

216

293

183

高强度耐候钢

Q420NQR1

420

262

356

－

Q450NQR1

450

281

382

铁素体不锈钢

TCS275

172

233

TCS345

T4003

350

219

297

普通铸钢

ZG200-400

200

115

154

98

ZG230-450

230

132

177

113

低合金铸钢

B级钢

280

150

128

B+钢

246

C级钢

195

259

166

铝合金

LF6

（σS=157）

（σS=314）

100　　140

（转向架零件除外）

弹簧钢

60Si2Mn

1177

抗压及弯曲变形：

981

剪切及扭转变形：

736

注：

1不锈钢1Crl7Mn6Ni5N的力学性能根据GBl220选取。

　　　　　2铝合金LF6的力学性能根据GB3193选取。

（2）若采用表2-1-3中没有载明的其他金属材料时，其许用应力可参照所用材料的屈服极限与表列同类材料的屈服极限之比而决定。

（3）对于主要承受弯曲的车辆杆件，允许按“极限荷重法”提高材料的许用应力，即主要承受弯曲的断面，其断面全部纤维达到屈服时所能承受的弯矩M1比断面外侧纤维达到屈服时所承受的弯矩M2要大，故弯曲时许用应力可按表列许用应力与比值M1／M2的乘积取值。

（4）车辆各金属零件（弹簧除外）在承受剪切状态下的屈服极限及许用应力取为拉伸屈服极限和许用应力的0.6倍。

剪切强度极限取为拉伸强度极限的0.75倍。

第三节　车体钢结构强度

车体钢结构设计时，要充分考虑各种载荷对车辆钢结构的影响。

如果车辆钢结构设计强度过高会增加车辆的自重系数，不但不经济，而且会降低车辆的载重；

强度过低会影响车辆的运行安全或降低车辆的使用寿命。

因此在车辆设计时，对车体钢结构进行理论计算以优化设计方案。

以C70型敞车为例，介绍钢结构强度校核的过程。

一、结构分析程序

采用有限元分析程序I-DEASMasterSeries7.0软件系统。

硬件为NT工作站。

二、计算模型及计算载荷工况

如果不考虑叉车工况及扭转载荷作用，载荷及结构存在对称性，计算时取整车四分之一为计算对象，在两个对称面上分别施加相应的位移约束。

另外，又建立了整车有限元模型，进行了叉车工况和扭转工况分析，并施加相应的约束。