黃曉翠，傅茂海，楊亮亮，傅 玲

（1 西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，四川成都610031；2 重慶長征重工有限責(zé)任公司，重慶400083）

隨著我國鐵路貨運的快速發(fā)展，鐵路貨車的技術(shù)水平取得了顯著的提高，但是為了解決我國煤炭、礦石等大宗散粒貨物的運輸問題，發(fā)展重載貨車技術(shù)勢在必行。這就使得貨運車輛將面臨更加惡劣的運行環(huán)境，從而對新造車輛的強度提出了更嚴(yán)格的設(shè)計與試驗要求。

我國鐵路貨車車體強度設(shè)計現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)TB／T 1335－1996《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》（以下簡稱“TB規(guī)范”）是在國外鐵路貨車相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上制訂的。目前對于軸重大于25t的鐵路貨車車體結(jié)構(gòu)強度設(shè)計還尚未規(guī)定。而美國現(xiàn)在所有一級鐵路的標(biāo)準(zhǔn)軸重1990年后已確定為33t，有少量35.7t，目前最大軸重已達到40t。

國外的貨車車體強度設(shè)計和試驗標(biāo)準(zhǔn)主要有北美鐵路協(xié)會AAR C分冊《貨車設(shè)計制造規(guī)范》M－1001（以下簡稱“AAR規(guī)范”）、國際鐵路聯(lián)盟規(guī)程UIC 577《貨車應(yīng)力》及歐洲EN 12663《鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)要求》等。其中，國際鐵路聯(lián)盟規(guī)程適用于軸重較小、編組較短的情況；歐洲標(biāo)準(zhǔn)僅在歐洲大陸被廣泛引用，而且其貨車鉤緩裝置與我國差別較大；AAR規(guī)范不僅適用于大軸重鐵路貨車，而且經(jīng)過多年修訂已經(jīng)形成了一套在設(shè)計、制造、檢驗等方面比較完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，已被包括我國在內(nèi)的許多國家廣泛采用，我國目前鐵路貨車的主要部件如制動裝置、走行裝置、鉤緩裝置等都借鑒了AAR 標(biāo)準(zhǔn)［1］。

由于北美鐵路貨運車輛在結(jié)構(gòu)設(shè)計理念上與我國鐵路貨運車輛比較相似，并且我國出口的大多數(shù)貨車車輛均是參考AAR規(guī)范進行評定的。所以，有必要系統(tǒng)地比較AAR規(guī)范與我國TB規(guī)范關(guān)于車體結(jié)構(gòu)強度設(shè)計與試驗的差異。本文通過對某敞車車體的靜強度分析結(jié)果，對比論述了AAR規(guī)范與我國TB標(biāo)準(zhǔn)的差異，并提出相關(guān)建議。

1 計算實例

1.1 敞車的基本結(jié)構(gòu)

本文以某敞車車體為研究對象，其結(jié)構(gòu)主要由底架、側(cè)墻和端墻等組成。底架材質(zhì)為全鋼焊接結(jié)構(gòu)，由中梁、側(cè)梁、枕梁、小橫梁、縱向梁及鋼地板等組成，中梁采用兩根310型乙型鋼組焊而成。枕梁為箱形變截面結(jié)構(gòu)，其上蓋板厚10mm，下蓋板厚10mm，腹板厚8mm。端梁用厚6mm鋼板壓成槽形斷面。全車有5根大橫梁，采用厚8mm的上、下蓋板及厚6mm的腹板組焊成工字形斷面；有16根槽形斷面的小橫梁，厚度為5mm；有2根槽形斷面的縱向梁，厚度為5mm。側(cè)墻為板柱式側(cè)壁承載結(jié)構(gòu)，由上側(cè)梁、側(cè)板和槽形斷面的側(cè)柱組成，厚度均為5mm。端墻由上端緣、橫帶及端板組焊而成，厚度均為5mm，橫帶為槽形斷面［2］。

1.2 有限元模型的建立

利用ANSYS有限元分析軟件建立模型并離散［3］，整個敞車車體鋼結(jié)構(gòu)共劃分為115 364個節(jié)點，86 650個Shell 63單元和11 872個Solid 45單元。在上心盤處施加邊界條件，邊界條件采用彈性體邊界元處理，其剛度參照轉(zhuǎn)向架的懸掛剛度，整車共有24個邊界元。車體的有限元模型如圖1所示。

圖1 敞車車體有限元模型

2 載荷形式的比較分析

AAR規(guī)范和我國TB標(biāo)準(zhǔn)對敞車車體的試驗載荷的定義大致相同，其基本載荷分為垂向載荷、縱向載荷、橫向載荷和扭轉(zhuǎn)載荷等，但是具體的載荷形式和組合情況卻有較大區(qū)別。

2.1 垂向載荷

垂向載荷包括自重、載重和整備質(zhì)量。

TB規(guī)范中：垂向載荷均布作用在車內(nèi)地板上；考慮動載荷系數(shù)并通過車輛運行速度和彈簧靜撓度計算而得；為了考慮雨雪增載等情況對敞車車體結(jié)構(gòu)強度的影響，取標(biāo)記載重的1.15倍為載重；為了考慮離心慣性力和風(fēng)力的影響，并不直接施加側(cè)向力，而是以增加車體垂向靜載荷的10%來彌補［4］。

AAR規(guī)范中：垂向載荷也是均布作用在車內(nèi)地板上；第1工況載重系數(shù)為1.8，第2工況載重系數(shù)為1.0［5］。

兩個標(biāo)準(zhǔn)對車體結(jié)構(gòu)垂向載荷大小的比較如表1所示。

通過比較可知，由于AAR規(guī)范考核的是屈服強度，但在考核前，載荷要乘以一個載荷系數(shù)1.8，相當(dāng)于取了安全系數(shù)1.8；而TB規(guī)范考核的是許用應(yīng)力，在屈服強度基礎(chǔ)上第1、2工況分別取安全系數(shù)為1.6和1.18。假設(shè)施加的載荷值與結(jié)果應(yīng)力值近似成線性比例關(guān)系，則從安全系數(shù)這一層意義來講，無論第1工況還是第2工況下，TB規(guī)范均偏于安全。

表1 AAR規(guī)范和TB規(guī)范中與貨車車體結(jié)構(gòu)有關(guān)的垂向載荷

當(dāng)僅考慮垂向靜載荷影響時，由AAR規(guī)范和TB規(guī)范計算的載荷分別作用在該敞車車體上，得到的車體中梁垂向撓度結(jié)果如圖2（a）、圖2（b）所示，車體應(yīng)力結(jié)果如圖3（a）、圖3（b）所示。

TB規(guī)范下的垂向靜載荷值比AAR下規(guī)定值小，由圖2中可以看出TB規(guī)范下的車體中梁最大相對變形量較小。由于AAR規(guī)范并未像TB規(guī)范中有詳細(xì)的車體剛度校核指標(biāo)，所以從車體剛度的角度而言，TB規(guī)范更具可靠性和規(guī)范性。圖3中兩者的最大應(yīng)力發(fā)生區(qū)域都是中梁中部筋板的圓孔處，符合車體結(jié)構(gòu)的力學(xué)原理。另外，TB規(guī)范下最大應(yīng)力與AAR規(guī)范下最大應(yīng)力的比值和兩標(biāo)準(zhǔn)下施加的載荷比值基本一致。通過比較最大應(yīng)力與相應(yīng)許用應(yīng)力的比值可知，車體在垂向靜載荷單獨作用時，TB規(guī)范均偏于保守。

圖2 車體中梁垂向撓度圖（變形放大100倍）

圖3 垂向靜載荷的應(yīng)力云圖

2.2 縱向載荷

縱向載荷包括拉伸載荷、壓縮載荷和沖擊載荷。

TB規(guī)范中：第1工況縱向拉伸力為1 125kN、壓縮力為1 400kN，該力分別沿車鉤中心線作用于車輛的前、后從板座上；第2工況縱向壓縮，即沖擊載荷為2 250kN，該力分別沿車鉤中心線作用于車輛的后從板座上。

AAR規(guī)范中：牽引載荷為在車輛每端前從板座或后從板座上沿車鉤名義中心線作用的350 000磅（約1 557kN）的拉伸或壓縮載荷；車端壓縮載荷為沿車鉤名義中心線作用于車輛兩端后從板座上的1 000 000磅（約4 450kN）的柱狀壓縮載荷；沖擊載荷為對于采用車端緩沖裝置的車輛，車體應(yīng)具有承受在其一端作用一定車鉤力的結(jié)構(gòu)強度，當(dāng)緩沖行程長度小于6英寸時，車鉤力為1 250 000磅（約5 562kN）；當(dāng)緩沖行程長度6至9英寸之間時，車鉤力為4 540kN；當(dāng)緩沖行程長度9至14英寸之間時，車鉤力為750 000磅（約3 338 kN）；當(dāng)緩沖行程長度14及14英寸以上時，車鉤力為600 000磅（約2 670kN）。

兩者的具體比較如表2所示。

如果僅單獨考慮縱向載荷作用下的影響，同樣先假設(shè)施加的載荷值與結(jié)果應(yīng)力值近似成線性比例關(guān)系，由表2可知，在第1工況下的拉伸載荷和壓縮載荷中，AAR規(guī)范下規(guī)定的值均為1 557kN，而TB規(guī)范下規(guī)定的拉伸載荷為1 125kN和壓縮載荷為1 400kN，通過折算可以得出，拉伸載荷下TB規(guī)范更趨于安全，壓縮載荷下AAR規(guī)范更趨于安全。在第2工況下的壓縮載荷和沖擊載荷中，AAR規(guī)范下的壓縮載荷取值是TB規(guī)范下壓縮載荷取值的2倍及以上，如果僅從安全系數(shù)的意義來講，顯然AAR規(guī)范非常保守。但實際的考核內(nèi)容是組合載荷，僅從單個載荷作用結(jié)果來評價標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)劣是不全面的。圖4（a）為根據(jù)AAR規(guī)范第2工況縱向載荷單獨作用時的車體應(yīng)力云圖，圖4（b）為根據(jù)AAR規(guī)范第2工況縱向載荷和垂向載荷共同作用時的車體應(yīng)力云圖。

表2 AAR規(guī)范和TB規(guī)范中與貨車車體結(jié)構(gòu)有關(guān)的縱向載荷

圖4 應(yīng)力云圖

通過圖4（a）和圖4（b）的比較可知，兩種加載方式下，車體的應(yīng)力云圖相似，其中最大應(yīng)力發(fā)生的位置相同，這說明在縱向載荷和垂向載荷共同作用下，由于車體結(jié)構(gòu)受力特點和載荷數(shù)值大小的因素，使得縱向載荷對車體應(yīng)力分布起主導(dǎo)作用。此外，在車體底架的中梁中部和側(cè)墻的上邊梁位置，由于縱向載荷所引起的應(yīng)力與垂向載荷所引起的應(yīng)力發(fā)生相互抵消，從而使得這些區(qū)域在縱向載荷和垂向載荷共同作用下應(yīng)力比縱向載荷單獨作用下應(yīng)力小；最后，疊加載荷下的最大應(yīng)力比縱向載荷下的最大應(yīng)力大，說明發(fā)生最大應(yīng)力區(qū)域在縱向和垂向發(fā)生了應(yīng)力的矢量疊加。

2.3 橫向載荷

橫向載荷的作用包括風(fēng)力、離心慣性力和散裝貨物側(cè)壓力。

TB規(guī)范中由于風(fēng)力和離心慣性力已折算到垂向載荷中，所以橫向載荷只包括散裝貨物側(cè)壓力；散裝貨物側(cè)壓力以均布力的形式作用于側(cè)墻、端墻上，如圖5（a）所示；第1工況僅考慮側(cè)墻壓力，第2工況考慮端墻和側(cè)墻壓力；側(cè)墻、端墻壓力計算公式主要取決于車體幾何形狀和貨物裝載狀態(tài)等。

AAR規(guī)范中橫向載荷值的大小考慮了風(fēng)力、離心慣性力和散裝貨物側(cè)壓力的共同作用影響；散裝貨物側(cè)壓力根據(jù)Rankine公式計算，將側(cè)墻、端墻壓力由地板面至貨物裝載頂面線性變化為零，如圖5（b）所示；第1工況側(cè)墻、端墻載荷系數(shù)為1.5，第2工況側(cè)墻、端墻載荷系數(shù)為1.0；同時還對裝載傾斜貨物和高重心貨物進行了詳細(xì)的特殊加載說明。

兩個標(biāo)準(zhǔn)下的橫向載荷，除了載荷內(nèi)容和載荷值不同外，最大的差異在于散裝貨物側(cè)壓力的加載方式，為了更好的比較兩者的差異，圖6（a）、圖6（b）為僅作用第1工況散裝貨物側(cè)壓力時車體側(cè)墻的外脹結(jié)果。

盡管第1工況側(cè)墻側(cè)壓力在AAR規(guī)范下的規(guī)定值比TB下的規(guī)定值大很多，但是由于AAR規(guī)范按照梯度形式加載側(cè)墻壓力，所以其外脹值比TB下更小。實踐證明，AAR規(guī)范的散裝貨物側(cè)壓力的加載方式更加符合實際情況。

圖5 側(cè)墻上的散裝貨物壓力作用圖

圖6 側(cè)墻外脹圖（變形放大50倍）

2.4 扭轉(zhuǎn)載荷

當(dāng)車輛通過緩和曲線區(qū)域或不平順線路時，當(dāng)?shù)?個轉(zhuǎn)向架駛離曲線段時，后面的轉(zhuǎn)向架仍然處于曲線段，這時車體將會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。此外，當(dāng)車體在檢修時被不均勻的頂起時，也將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。所以，扭轉(zhuǎn)載荷下的車體強度也是必須要考核的內(nèi)容。

TB規(guī)范中整車扭矩M為40kN·m，需將扭矩?fù)Q算為旁承力作用于車體左、右兩側(cè)的上旁承上；而且考慮了最大組合情況，即扭轉(zhuǎn)載荷必須與第1工況縱向拉伸或壓縮載荷、垂向總載荷和散裝貨物側(cè)壓力組合考慮。

AAR規(guī)范并未將扭轉(zhuǎn)載荷加入其他載荷組合中。

圖7（a）為TB規(guī)范規(guī)定的最大拉伸組合工況下的應(yīng)力結(jié)果圖，圖7（b）為在最大拉伸組合工況基礎(chǔ)上去掉扭轉(zhuǎn)載荷的應(yīng)力結(jié)果圖。

車體在發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，枕梁與側(cè)柱連接處應(yīng)力較大，其次是橫梁與側(cè)柱連接處、大橫梁下蓋板與中梁下翼緣連接處以及大橫梁與中梁連接位置的中梁隔板處。通過比較可知，扭轉(zhuǎn)載荷的疊加增大了整車受力，但是從應(yīng)力的貢獻上看不是很大，這是因為該敞車車體的扭轉(zhuǎn)剛度比較大，如果研究帶有門、窗開孔的敞車車體時，由于其扭轉(zhuǎn)剛度變?。?］，扭轉(zhuǎn)載荷的疊加影響會較大。

圖7 應(yīng)力結(jié)果圖

2.5 其他載荷

TB規(guī)范中規(guī)定了車輛在機械化裝卸時的載荷。車輛總質(zhì)量84t的廠車，裝散裝貨物時，車體需承受的每個翻車機壓頭垂向載荷為118kN，作用在上側(cè)梁上平面，均布于200mm長度上；側(cè)墻立柱根部總內(nèi)傾彎矩為235kN·m，均勻分?jǐn)偨o各立柱。

AAR規(guī)范中規(guī)定了車鉤載荷。敞車車體承受作用在鉤舌內(nèi)側(cè)面處的223kN（50 000磅）向上和向下的垂向載荷；并且在車輛一端靠近沖擊座處作用一個足夠大的向上的垂向載荷，使車體脫離靠近起吊端的轉(zhuǎn)向架。

3 組合工況的比較分析

3.1 載荷工況的組合與評定

按照TB規(guī)范和AAR規(guī)范的技術(shù)要求，對該敞車車體鋼結(jié)構(gòu)進行有限元靜強度分析計算時考慮如表3和表4所示的幾種載荷組合情況。

敞車車體鋼結(jié)構(gòu)為板材拼裝的焊接結(jié)構(gòu)。板材或型材均采用Q450低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼。沖擊座的材質(zhì)為C級鑄鋼。根據(jù)AAR規(guī)范和TB規(guī)范的技術(shù)條件規(guī)定，敞車車體應(yīng)在各個加載的載荷綜合作用下，當(dāng)量應(yīng)力應(yīng)不大于材料的許用應(yīng)力。當(dāng)量應(yīng)力按下式計算：

表3 TB規(guī)范所規(guī)定的載荷工況組合

表4 AAR標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的載荷工況組合

式中σe為當(dāng)量應(yīng)力，MPa；σi為主應(yīng)力（i＝1，2，3），MPa。

3.2 計算結(jié)果對比與分析

車體在各工況載荷作用下的結(jié)構(gòu)最大von＿Mises應(yīng)力值及出現(xiàn)的位置見表5。

表5 最大等效von＿Mises應(yīng)力及其位置

通過比較各組合工況下結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力與許用應(yīng)力的比值可以得出，在車體結(jié)構(gòu)靜強度的評定中，TB規(guī)范比AAR規(guī)范保守得多。

4 結(jié)論

（1）在對某敞車車體靜強度的分析中，無論是單獨作用某個載荷，還是組合作用疊加載荷，TB規(guī)范較AAR規(guī)范都比較保守，可能是因為我國鐵道車輛試驗與工藝水平與國外比還有一定差距，多采用增加安全余量來彌補技術(shù)不足；另一方面，AAR規(guī)范從載荷量的規(guī)定到組合形式的設(shè)置比TB規(guī)范都要更詳細(xì)，當(dāng)然TB規(guī)范里也有一些我國具體國情的考慮，畢竟AAR規(guī)范并不完全適用于我國的鐵道車輛。

（2）此外，兩個標(biāo)準(zhǔn)有不用的使用環(huán)境，TB規(guī)范適用于貨車軸重不大于25t、列車牽引質(zhì)量不大于6 000t（運煤專線10 000t及以上），調(diào)車作業(yè)速度不得高于5 km／h的情況；AAR規(guī)范適用于大軸重鐵路貨車，即軸重不超過29.8t的車輛均可以在聯(lián)運中使用，允許連掛速度為8km／h。

（3）總之，在使用兩個標(biāo)準(zhǔn)評定車體結(jié)構(gòu)強度時，首先確定車輛使用要求，如軸重、連掛速度、沖擊速度和編組長短等；然后根據(jù)具體車輛服役情況，選擇載荷組合情況最貼合實際的標(biāo)準(zhǔn)作為主要評定依據(jù)，并將另一個標(biāo)準(zhǔn)作為參考和補充。

［1］田葆栓.國內(nèi)外鐵路貨車車體強度設(shè)計與試驗標(biāo)準(zhǔn)的分析與研討［J］.鐵道車輛，2009，47（5）：26－30.

［2］嚴(yán)雋耄，傅茂海.車輛工程（第3版）［M］.北京：中國鐵道出版社，2008.

［3］傅茂海，安琪，楊亮亮，等.CQH47型敞車車體結(jié)構(gòu)靜強度分析報告［R］.重慶長征重工有限責(zé)任公司，2011.

［4］TB／T 1335－1996.鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范［S］.

［5］M－1001，北美鐵路協(xié)會AAR C分冊.貨車設(shè)計制造規(guī)范［S］.

［6］任啟麟.關(guān)于客車車體扭轉(zhuǎn)載荷問題的探討［J］.鐵道車輛，1997，35（3）：5－8.