鐵路客車車體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

1、鐵路客車車體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)作者 杜彥品內(nèi)容提要:本文敘述了鐵路客車車體鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及分類,重點(diǎn)介紹了25型客車碳鋼車體鋼結(jié)構(gòu)的組成部分、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及主要技術(shù)要求,對(duì)鐵路客車車體鋼結(jié)構(gòu)材料的選用及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將有積極的幫助。 1概述車體鋼結(jié)構(gòu)是鐵路客車最基本的結(jié)構(gòu),為鐵路客車走行部、制動(dòng)裝置、連接緩沖裝置、車輛內(nèi)部設(shè)備以及內(nèi)裝提供了安裝的空間和基礎(chǔ)。新造25型客車車體鋼結(jié)構(gòu)為碳鋼車體全鋼焊接結(jié)構(gòu),由底架、側(cè)墻、車頂和端墻等四部分焊接而成,俗稱薄壁筒形車體結(jié)構(gòu)。目前我國(guó)的新造25型車有兩種承載結(jié)構(gòu):一種是無中梁薄壁筒型整體承載結(jié)構(gòu),另一種是有中梁薄壁筒型整體承載結(jié)構(gòu)(如行李車和郵政車。隨著車輛的用途和生

2、產(chǎn)工藝條件的不同,各種25型客車的結(jié)構(gòu)不全相同,但其外形尺寸和結(jié)構(gòu)形式則基本一致。2 車體結(jié)構(gòu)的分類車體結(jié)構(gòu)按車體所用材料分為以下三種:碳素結(jié)構(gòu)鋼車體我國(guó)新造25型客車車體;不銹鋼車體我公司正在研制的200km/h客車車體, CRH1“和諧號(hào)”動(dòng)車組的車體;鋁合金車體部分地鐵車體、CRH2、CRH3、CRH5“和諧號(hào)”動(dòng)車組的車體。3 車體鋼結(jié)構(gòu)組成車體鋼結(jié)構(gòu)按部位可分為四個(gè)大部件:底架鋼結(jié)構(gòu)、側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)、車頂鋼結(jié)構(gòu)、端墻鋼結(jié)構(gòu)。車鉤緩沖裝置、風(fēng)擋、腳蹬等安裝在大部件上?，F(xiàn)就YZ25G(T型硬座車(無中梁薄壁筒型整體承載結(jié)構(gòu)和XL25G型行李車(有中梁薄壁筒型整體承載結(jié)構(gòu)來詳細(xì)說明車體鋼結(jié)構(gòu)的

3、構(gòu)造和特點(diǎn)。YZ25G硬座車車體鋼結(jié)構(gòu)如圖1所示。4 底架鋼結(jié)構(gòu)4.1 底架結(jié)構(gòu)組成底架鋼結(jié)構(gòu)由端牽枕、枕內(nèi)橫梁、枕外橫梁、枕后縱向梁、側(cè)梁、枕外鐵地板和枕內(nèi)波紋地板等組成,如圖2所示。端牽枕分為端梁、牽引梁和枕梁,如圖3所示。4.2 底架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.1 端梁端梁由6mm厚鋼板壓制而成,斷面為“”,YZ25G型硬座車端梁高400mm靠近側(cè)梁處高180mm,稱為“轉(zhuǎn)角”。在轉(zhuǎn)角下翼面焊有3mm的圍板,圍板可以在端部遮擋腳蹬,起到美觀的作用。在端梁中部開有安裝車鉤用的缺口,寬度為345mm,俗稱 “鉤門”。YZ25T型硬座車端梁高度為458mm,鉤門的寬度尺寸為790mm,端梁在鉤門處與牽引梁

4、相互組焊。4.2.2 牽引梁自枕梁到端梁間的中梁稱為牽引梁,YZ25G型硬座車牽引梁由兩根30b型槽鋼及牽引梁上下蓋板組焊而成。其上蓋板厚4mm,寬464mm,下蓋板厚8mm,寬490mm。為了符合在牽引梁腹板間安裝車鉤和緩沖器的尺寸要求,兩槽鋼腹板間距為350mm,并將牽引梁靠近端梁的一端加高到400。在牽引梁兩槽鋼腹板內(nèi)側(cè)鉚接有前后從板座、焊有磨耗板和防跳板。YZ25T型硬座車牽引梁由兩根8mm的鋼板壓制而成,其上蓋板厚4mm,寬524mm,下蓋板厚6mm,寬560mm。為了符合在牽引梁腹板間安裝車鉤和緩沖器的尺寸要求,兩牽引梁腹板間距為440mm,靠近端梁一端為喇叭狀,間距為790mm,

5、高度為458mm。在牽引梁兩腹板內(nèi)側(cè)鉚接有車鉤安裝座。4.2.3 枕梁YZ25G型硬座車枕梁由厚8mm、間距為350mm的兩重向腹板及厚10mm、寬600mm的下蓋板,厚6mm、寬600mm的上蓋板組焊而成的閉口箱形斷面“”,枕梁近側(cè)梁端為小端,近牽引梁端為大端,它是一個(gè)近似的等強(qiáng)度魚腹梁。在枕梁下蓋板下面與牽引梁交叉處安裝有心盤座,以提高該處的承載作用,提高枕梁和牽引梁的連接強(qiáng)度和剛度。在枕梁兩端的上旁承安裝處焊有上旁承加強(qiáng)板,枕梁端部還焊有供頂車用的頂車墊板。YZ25T型硬座車枕梁腹板厚8mm,間距為424mm,下蓋板厚12mm,寬600mm,上蓋板厚6mm、寬600mm。在枕梁兩端焊有空

6、氣彈簧安裝座,枕梁端部也焊有供頂車用的頂車墊板。4.2.4 地板梁枕內(nèi)橫梁位于兩枕梁之間,橫梁均布, 間距在1m以內(nèi),也可根據(jù)車下設(shè)備的位置進(jìn)行調(diào)整。枕外橫梁位于端梁和枕梁間,有2對(duì),斷面為“”,高180mm、厚4mm(有集便器的為6mm,翼面寬50mm; (有集便器的為60mm。枕內(nèi)外第一根橫梁一般距枕中17002000mm,具體還要根據(jù)轉(zhuǎn)向架所占據(jù)的空間而定。這些橫梁的兩端分別與側(cè)梁和牽引梁或是兩端與側(cè)梁焊接。這些橫梁的作用:一是把牽引梁結(jié)構(gòu)與側(cè)梁連接起來形成底架鋼結(jié)構(gòu)骨架,從而保證底架有足夠的強(qiáng)度和剛度,以承受作用于底架上的各種載荷;二是成為平地板和波紋地板的支撐,在縱向力作用下防止波紋

7、地板的失穩(wěn)。枕后縱向梁在枕內(nèi),靠近枕梁每端四組,第一組為魚腹形槽形斷面,其余三組斷面同枕內(nèi)橫梁。枕后縱向梁主要起傳遞縱向力的作用。4.2.5 側(cè)梁底架兩側(cè)有通長(zhǎng)的側(cè)梁,其斷面為18型槽鋼。在橫向,底架的枕梁及全部橫梁的端部都與側(cè)梁焊接,金屬地板也與側(cè)梁的上翼面搭接;側(cè)墻的立柱、側(cè)墻板分別焊在側(cè)梁的上翼面和腹板外表面上,所以,側(cè)梁是連結(jié)側(cè)墻和底架的重要構(gòu)件。其連接關(guān)系如圖1所示。底架的牽枕緩、側(cè)梁和橫梁共同形成底架鋼骨架。4.2.6 金屬地板在底架鋼骨架的上面焊上金屬地板。在端梁和枕梁上蓋板間為平地板,板厚為2mm;兩枕梁間為縱向波紋金屬地板,波紋地板斷面為( 1.5mm。由底架鋼結(jié)構(gòu)骨架和金屬

8、地板共同組成底架鋼結(jié)構(gòu)。由于兩枕梁間無貫通的中梁,因而作用于底架上的縱向拉壓力均由波紋地板和側(cè)梁來承擔(dān)。由車體鋼結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗(yàn)表明,波紋地板能承受三分之一以上的總縱向拉伸或壓縮力,這種結(jié)構(gòu)的底架稱為無中梁底架。4.3 有中梁底架結(jié)構(gòu)另外一種有中梁底架,如行李車,下面以XL25G型行李車為例來說明有中梁底架的結(jié)構(gòu)。圖4是XL25G底架鋼結(jié)構(gòu),XL25G型行李車底架鋼結(jié)構(gòu)由端牽枕、中梁、枕內(nèi)橫梁布置、一位枕外橫梁布置、二位枕外橫梁布置、主橫梁、一位端鐵地板、二位端鐵地板、枕內(nèi)鐵地板、站鐵組成、底架線管布置、底架配件布置、側(cè)梁組成、側(cè)梁、補(bǔ)強(qiáng)梁等組成。牽枕緩和側(cè)梁結(jié)構(gòu)與YZ25G型硬座車類似,不同之

9、處為枕內(nèi)均布有四組魚腹形的主橫梁,厚度為6mm,斷面為“”,下翼面尺寸為120mm。在大拉門處有兩組補(bǔ)強(qiáng)梁,厚度為6mm,斷面為“”,高度尺寸為280mm,下翼面尺寸為110mm。XL25G型行李車無枕后縱向梁,有兩根30b型槽鋼組焊成的中梁,間距為350mm。枕內(nèi)外橫梁斷面均為“”,高度尺寸為110mm,下翼面尺寸為70mm,厚度為4或6mm。行李間地板為4mm的花紋鋼板,其余部分為2mm的平地板。底架鋼結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件斷面尺寸見表1表1 底架鋼結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件斷面尺寸 5 側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)YZ25G(T型硬座車車體鋼結(jié)構(gòu)的側(cè)墻主要由立柱、縱向梁、上側(cè)梁、門柱、門上橫梁、門框組成(YZ25T型硬座車無、側(cè)

10、墻板等組成。側(cè)墻外表面為平板無壓筋,在平整的外墻板內(nèi)側(cè)焊有垂直立柱和水平縱向梁,形成板梁式平面承載側(cè)墻結(jié)構(gòu),如圖5所示。5.2 側(cè)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)側(cè)墻上側(cè)梁斷面為“”形,其尺寸為45x90x25x2.5(mm,長(zhǎng)度為側(cè)墻全長(zhǎng)。側(cè)墻水平縱向梁共四根,窗上一根,窗下三根,其斷面為“形,其尺寸為140x22x2.5(mm。這四根縱向梁起到加強(qiáng)側(cè)墻的垂直彎曲強(qiáng)度和剛度的作用,同時(shí)也減少了鋼板自由表面的面積。在側(cè)墻窗口間有一條短的窗間小縱向梁其斷面為“”形,其尺寸為140x22x2.5(mm,設(shè)置目的是增強(qiáng)窗間板的強(qiáng)度與剛度。在窗口兩側(cè)各有一根垂向的窗邊立柱,也稱為側(cè)立柱,其斷面為“”,尺寸為94x70x46

11、x2.5(mm。在側(cè)門處均有斷面為“”形的門柱,其尺寸為25x60x100x60x25x4(mm,立柱和門柱與所有縱梁、上側(cè)梁、底架側(cè)梁連結(jié)起來,組成側(cè)墻鋼骨架,并與側(cè)墻板焊結(jié)形成側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)。如果側(cè)門為折頁門,在門柱處還有一整體的門框組成,斷面為“”形。如果是塞拉門,就無此門框組成。側(cè)墻板為厚2.5mm 的耐候鋼板(09CuPCrNi-B。側(cè)墻板上開有大窗孔,尺寸為寬x高,即1064x1014(mm,小窗孔寬x 高為614x1014(mm 。每側(cè)側(cè)墻端部有兩個(gè)側(cè)門孔。門窗開孔處是側(cè)墻的薄弱區(qū)域,通過周邊的梁柱予以加強(qiáng),選擇合適的窗角板的圓角半徑來降低其應(yīng)力集中,設(shè)計(jì)出合理結(jié)構(gòu)。5.3 行李車側(cè)

12、墻結(jié)構(gòu)XL25G型行李車側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)如圖6,墻板和梁柱斷面與YZ25G型硬座車類似,不同之處每側(cè)側(cè)墻端部有一個(gè)側(cè)門孔,中間各有兩個(gè)大拉門門孔,大拉門處有用方鋼管80x60x4制成的門框,行李間還設(shè)有長(zhǎng)圓形的了望窗,尺寸為960(寬x310(高 (mm。側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件斷面尺寸見表2表2 側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件斷面尺寸(側(cè)墻板厚2.5 6 車頂鋼結(jié)構(gòu)6.1 車頂結(jié)構(gòu)組成車頂鋼結(jié)構(gòu)由彎梁、縱向梁、頂板、一二位端頂、平頂鋼結(jié)構(gòu)、中部端頂、車頂邊梁等組成,如圖7所示。車頂一、二位端(行李車僅一位端各有一個(gè)空調(diào)機(jī)組安裝座平頂鋼結(jié)構(gòu),作為安裝空調(diào)機(jī)組的基礎(chǔ),是安裝單元式空調(diào)機(jī)組的支撐框架。6.2 車頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

13、端頂上邊為8型槽鋼制成的頂端橫梁,其斷面尺寸為80x43x5(mm。25G型行李車二位端無平頂,其二位端頂上邊為端頂彎梁,斷面為“”形,其尺寸為30x55x62.5x45x2(mm。在平頂和圓頂相交的部分為中部端頂,將兩部分連接形成整體結(jié)構(gòu)。圓頂?shù)闹虚g部分有很多斷面為“車體縱向均布,間距一般在700(mm左右,其尺寸為94x46x70x24x2(mm。車頂邊梁沿車頂兩側(cè)全長(zhǎng),斷面為“”形,其尺寸為45x75x2.5(mm。車頂縱向還有五根縱向梁,其斷面為“”形,尺寸為 50x50x3(mm。車頂?shù)蹊F焊在車頂?shù)膹澚夯蚩v梁上,主要吊裝設(shè)備及內(nèi)裝部件。車頂板由側(cè)頂板和中頂板兩部分組成。側(cè)頂板是冷軋型

14、鋼,將雨檐與小圓弧(R458板及縱向梁合為一體制造成型,從而提高了側(cè)頂板的平整度,并提高了小圓弧部分的抗彎剛度和強(qiáng)度,還簡(jiǎn)化了制造工藝。中頂板為大圓弧板(R2300,車頂板厚度均為2mm。平頂中頂板為不銹鋼板,主要因?yàn)榇颂幦菀追e水,考慮耐腐蝕性能。中頂板沿車頂縱向傾斜12mm,側(cè)頂向車兩側(cè)各傾斜10mm。車頂鋼結(jié)構(gòu)是由縱橫彎梁件組成的空間梁系,其上焊有曲面金屬頂板(端頂和平頂為平板組成的板梁結(jié)構(gòu),共同承受作用于其上的各種載荷,車頂結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度,并通過防漏雨試驗(yàn)。車頂鋼結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件斷面尺寸見表3 7 端墻鋼結(jié)構(gòu)7 1 端墻結(jié)構(gòu)組成客車車體鋼結(jié)構(gòu)的兩外端,通常稱為外端墻,它是車體鋼結(jié)構(gòu)

15、最外端的部分。YZ25G型硬座車端墻鋼結(jié)構(gòu)分為風(fēng)擋框組成、門框組成、端角柱組成、梁柱組成、端墻板組成、端墻配件。7 2 端墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)擋框折棚柱斷面為“”形,即24b型槽鋼,它是保證端墻強(qiáng)度和剛度的重要構(gòu)件。還有兩根斷面為“形,尺寸為43x45.5x130x3(mm的端角柱和斷面為“”形,尺寸為25x60x100x60x25x4(mm的側(cè)門柱;兩根位于端門兩側(cè)斷面為“”形,尺寸為50x54x50x28x3(mm的端門框(端門為折頁門時(shí)有,位于端門框和端角柱之間的“”形立柱94x70x46x2.5(mm和“”形橫梁140x22x2.5(mm。上述所有立柱的上端與車頂?shù)捻敹藱M梁相焊接,下端焊在動(dòng)力

16、連接器座上面的“”形橫梁94x70x46x2.5 (mm上。動(dòng)力連接器座兩側(cè)各有一角形小立柱,尺寸為25x50x3(mm。上述梁柱構(gòu)成端墻鋼骨架。在骨架外表面焊有2.5mm厚的墻板,與鋼骨架組成梁板組焊結(jié)構(gòu)。在外端墻板外側(cè)還焊裝一些如電力連接器座、連接器座、風(fēng)擋緩沖桿座(僅橡膠風(fēng)擋有、扶手等配件。端墻鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度,特別是抗縱向沖擊的強(qiáng)度。YZ25T型硬座車端墻鋼結(jié)構(gòu)主要由兩根斷面為“”形,尺寸為130x208x6(mm折棚柱組成的風(fēng)擋框組成,無側(cè)門柱,其余結(jié)構(gòu)和YZ25G型硬座車類似。端墻鋼結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件斷面尺寸見表4。表4 端墻鋼結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件斷面尺寸(端墻板厚2.5 8 部件接

17、口關(guān)系(25G/T型客車25G/T型客車各部件接口關(guān)系見表5。表5 25G/T型客車各部件接口關(guān)系 9車體鋼結(jié)構(gòu)材料(25G/T型客車對(duì)于新造25G/T型客車,在鐵道部招議標(biāo)技術(shù)規(guī)范中規(guī)定:車體采用碳素結(jié)構(gòu)鋼,鋼結(jié)構(gòu)中板材及型材厚度6mm的采用鎳鉻系耐候鋼,厚度2.5mm的采用05CuPCrNi,厚度36mm的采用09CuPCrNi-B(Q295GNHL,型鋼和厚度6mm的板材允許使用普通碳素鋼。車頂空調(diào)機(jī)組安裝座處的平頂板、廁所和洗臉室的鐵地板等易腐蝕部位采用不銹鋼板。25G/T型客車鋼結(jié)構(gòu)主要零部件材質(zhì)見表6。表6 25G/T型客車鋼結(jié)構(gòu)主要零部件材質(zhì)順號(hào) 板厚(mm 材質(zhì) 零部件名稱1

18、t2.5 05CuPCrNi 鐵地板、波紋地板、頂板、側(cè)墻板、端墻板、彎梁、側(cè)墻和端墻的立柱、橫梁、側(cè)墻上邊梁等2 2.5t6 09CuPCrNi-B(Q295GNHL 底架橫梁和縱梁、端梁、枕梁上蓋板、車頂上邊梁和縱梁、門框、端角柱、25T型車折棚柱等3 t6 Q235-A 25G型車牽引梁、枕梁腹板、枕梁下蓋板、折棚柱;端項(xiàng)橫梁、側(cè)梁等4 t6 Q345-B 25T型車牽引梁和枕梁腹板、枕梁下蓋板等5 t=2 1Cr18Ni9Ti 平頂中頂板、廁所和洗臉室的鐵地板等10 車體鋼結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)要求10.1 車體鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度應(yīng)符合TB/T1335-1996鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范。

19、10.2 車體鋼結(jié)構(gòu)主要技術(shù)要求見表7。表7 車體鋼結(jié)構(gòu)主要技術(shù)要求順號(hào) 項(xiàng)目 公差與極限偏差 備注1 車體長(zhǎng)度 8mm2 車體內(nèi)寬(分上、中、下三處測(cè)量 5mm3 車體橫斷面對(duì)角線之差 10mm4 枕梁中心以內(nèi)側(cè)梁上撓值 212mm5 一、二位側(cè)在同一橫斷面位置測(cè)量其撓度值差 5mm6 枕梁中心以外牽引梁下垂 5mm10.3車體鋼結(jié)構(gòu)組成后,墻頂板的平面度要求:側(cè)墻板1.5mm/m;端墻板2.5mm/m;側(cè)頂板2mm/m ;中頂板4mm/m;金屬平地板6mm/m并不得有明顯的局部凸凹不平。10.4車頂鋼結(jié)構(gòu)交驗(yàn)和車體落成時(shí)需進(jìn)行漏雨試驗(yàn),不得有滲漏現(xiàn)象。11 車體鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展長(zhǎng)期以來,我國(guó)鐵

20、路客車一直是碳鋼車體,機(jī)車車輛工業(yè)跨越式發(fā)展,高速化和輕量化已成為我們鐵路客車的發(fā)展趨勢(shì)。 近年來,鋁合金車體和不銹鋼車體相繼問世,如CRH2、CRH3、CRH5“和諧號(hào)”動(dòng)車組采用的是鋁合金車體,CRH1型動(dòng)車組采用的是不銹鋼車體。對(duì)于鐵道車輛而言,主要要求是強(qiáng)度高,剛度好,車體輕量化和優(yōu)良的抗腐蝕能力、減免維修以及低的壽命周期成本。我們對(duì)三種車體進(jìn)行了綜合比較,其性能比較見表8。表8 碳鋼、鋁合金和不銹鋼車體材料性能比較序號(hào) 碳鋼車體 鋁合金車體 不銹鋼車體1 耐腐蝕性差 耐腐蝕性良好 耐腐蝕性良好2 輕量化難度大 輕量化有一定效果 輕量化效果高3 材料強(qiáng)度一般 材料強(qiáng)度低 材料強(qiáng)度高4 耐熱性高 耐熱性低 耐熱性高5 焊接性能好 需要高焊接技術(shù) 焊接性能較差6 可塑性加工容易 需要特殊可塑性加工技術(shù) 需要特殊可塑性加工技術(shù)7