铁路客车车体钢结构设计技术(精)

铁路客车车体钢结构设计技术

作者杜彦品

内容提要:本文叙述了铁路客车车体钢结构的特点及分类,重点介绍了25型客车碳钢车体钢结构的组成部分、结构设计及主要技术要求,对铁路客车车体钢结构材料的选用及结构设计将有积极的帮助。

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1概述

车体钢结构是铁路客车最基本的结构,为铁路客车走行部、制动装置、连接缓冲装置、车辆内部设备以及内装提供了安装的空间和基础。新造25型客车车体钢结构为碳钢车体全钢焊接结构,由底架、侧墙、车顶和端墙等四部分焊接而成,俗称薄壁筒形车体结构。目前我国的新造25型车有两种承载结构:一种是无中梁薄壁筒型整体承载结构,另一种是有中梁薄壁筒型整体承载结构(如行李车和邮政车。随着车辆的用途和生产工艺条件的不同,各种25型客车的结构不全相同,但其外形尺寸和结构形式则基本一致。

2 车体结构的分类

车体结构按车体所用材料分为以下三种:

碳素结构钢车体——我国新造25型客车车体;

不锈钢车体——我公司正在研制的200km/h客车车体, CRH1“和谐号”动车组的车体;

铝合金车体——部分地铁车体、CRH2、CRH3、CRH5“和谐号”动车组的车体。

3 车体钢结构组成

车体钢结构按部位可分为四个大部件:底架钢结构、侧墙钢结构、车顶钢结构、端墙钢结构。车钩缓冲装置、风挡、脚蹬等安装在大部件上。现就YZ25G(T 型硬座车(无中梁薄壁筒型整体承载结构和XL25G型行李车(有中梁薄壁筒型整体承载结构来详细说明车体钢结构的构造和特点。YZ25G硬座车车体钢结构如图1所示。

4 底架钢结构

4.1 底架结构组成

底架钢结构由端牵枕、枕内横梁、枕外横梁、枕后纵向梁、侧梁、枕外铁地板和枕内波纹地板等组成,如图2所示。

端牵枕分为端梁、牵引梁和枕梁,如图3所示。

4.2 底架结构设计

4.2.1 端梁

端梁由6mm厚钢板压制而成,断面为“[”,YZ25G型硬座车端梁高400mm靠近侧梁处高180mm,称为“转角”。在转角下翼面焊有3mm的围板,围板可以在端部遮挡脚蹬,起到美观的作用。在端梁中部开有安装车钩用的缺口,宽度为345mm,俗称“钩门”。YZ25T型硬座车端梁高度为458mm,钩门的宽

度尺寸为790mm,端梁在钩门处与牵引梁相互组焊。

4.2.2 牵引梁

自枕梁到端梁间的中梁称为牵引梁,YZ25G型硬座车牵引梁由两根30b型槽钢及牵引梁上下盖板组焊而成。其上盖板厚4mm,宽464mm,下盖板厚8mm,宽

490mm。为了符合在牵引梁腹板间安装车钩和缓冲器的尺寸要求,两槽钢腹板间距为350mm,并将牵引梁靠近端梁的一端加高到400。在牵引梁两槽钢腹板内侧铆接有前后从板座、焊有磨耗板和防跳板。YZ25T型硬座车牵引梁由两根8mm的钢板

压制而成,其上盖板厚4mm,宽524mm,下盖板厚6mm,宽560mm。为了符合在牵引梁腹板间安装车钩和缓冲器的尺寸要求,两牵引梁腹板间距为440mm,靠近端梁一端为喇叭状,间距为790mm,高度为458mm。在牵引梁两腹板内侧铆接有车钩安装座。

4.2.3 枕梁

YZ25G型硬座车枕梁由厚8mm、间距为350mm的两重向腹板及厚10mm、宽600mm的下盖板,厚6mm、宽600mm的上盖板组焊而成的闭口箱形断面“Ⅱ”,枕梁近侧梁端为小端,近牵引梁端为大端,它是一个近似的等强度鱼腹梁。在枕梁下盖板下面与牵引梁交叉处安装有心盘座,以提高该处的承载作用,提高枕梁和牵引梁的连接强度和刚度。在枕梁两端的上旁承安装处焊有上旁承加强板,枕梁端部还焊有供顶车用的顶车垫板。YZ25T型硬座车枕梁腹板厚8mm,间距为424mm,下盖板厚

12mm,宽600mm,上盖板厚6mm、宽600mm。在枕梁两端焊有空气弹簧安装座,枕梁端部也焊有供顶车用的顶车垫板。

4.2.4 地板梁

枕内横梁位于两枕梁之间,横梁均布, 间距在1m以内,也可根据车下设备的位置进行调整。枕外横梁位于端梁和枕梁间,有2对,断面为“[”,高180mm、厚4mm(有集便器的为6mm,翼面宽50mm; (有集便器的为60mm。枕内外第一根横梁一般距枕中1700~2000mm,具体还要根据转向架所占据的空间而定。这些横梁的两端分别与侧梁和牵引梁或是两端与侧梁焊接。这些横梁的作用:一是把牵引梁结构与侧梁连接起来形成底架钢结构骨架,从而保证底架有足够的强度和刚度,以承受作用于底架上的各种载荷;二是成为平地板和波纹地板的支撑,在纵向力作用下防止波纹地板的失稳。

枕后纵向梁在枕内,靠近枕梁每端四组,第一组为鱼腹形槽形断面,其余三组断面同枕内横梁。枕后纵向梁主要起传递纵向力的作用。

4.2.5 侧梁

底架两侧有通长的侧梁,其断面为18型槽钢。在横向,底架的枕梁及全部横梁的端部都与侧梁焊接,金属地板也与侧梁的上翼面搭接;侧墙的立柱、侧墙板分别焊在侧梁的上翼面和腹板外表面上,所以,侧梁是连结侧墙和底架的重要构件。其连接关系如图1所示。

底架的牵枕缓、侧梁和横梁共同形成底架钢骨架。

4.2.6 金属地板

在底架钢骨架的上面焊上金属地板。在端梁和枕梁上盖板间为平地板,板厚为2mm;两枕梁间为纵

向波纹金属地板,波纹地板断面为( 1.5mm。由底架钢结构骨架和金属地板共同组成底架钢结构。由于两枕梁间无贯通的中梁,因而作用于底架上的纵向拉压力均由波纹地板和侧梁来承担。由车体钢结构静强度试验表明,波纹地板能承受三分之一以上的总纵向拉伸或压缩力,这种结构的底架称为无中梁底架。

4.3 有中梁底架结构

另外一种有中梁底架,如行李车,下面以XL25G型行李车为例来说明有中梁底架的结构。图4是XL25G底架钢结构,XL25G型行李车底架钢结构由端牵枕、中梁、枕内横梁布置、一位枕外横梁布置、二位枕外横梁布置、主横梁、一位端铁地板、二位端铁地板、枕内铁地板、站铁组成、底架线管布置、底架配件布置、侧梁组成、侧梁、补强梁等组成。牵枕缓和侧梁结构与YZ25G型硬座车类似,不同之处为枕内均布有四组鱼腹形的主横梁,厚度为6mm,断面为“”,下翼面尺寸为120mm。

在大拉门处有两组补强梁,厚度为6mm,断面为“”,高度尺寸为280mm,下翼面尺寸为110mm。XL25G型行李车无枕后纵向梁,有两根30b型槽钢组焊成的中梁,间距为350mm。枕内外横梁断面均为“”,高度尺寸为110mm,下翼面尺寸为70mm,厚度为4或6mm。行李间地板为4mm的花纹钢板,其余部分为2mm的平地板。

底架钢结构主要构件断面尺寸见表1

表1 底架钢结构主要构件断面尺寸

5 侧墙钢结构

5.1侧墙结构组成

YZ25G(T型硬座车车体钢结构的侧墙主要由立柱、纵向梁、上侧梁、门柱、门上横梁、门框组成(YZ25T型硬座车无、侧墙板等组成。侧墙外表面为平板无压筋,在平整的外墙板内侧焊有垂直立柱和水平纵向梁,形成板梁式平面承载侧墙结构,如图5所示。

5.2 侧墙结构设计

侧墙上侧梁断面为“”形,其尺寸为45x90x25x2.5(mm,长度为侧墙全长。侧墙水平纵向梁共四根,窗上一根,窗下三根,其断面为“形,其尺寸为140x22x2.5(mm。这四根纵向梁起到加强侧墙的垂直弯曲强度和刚度的作用,同时也减少了钢板自由表面的面积。在侧墙窗口间有一条短的窗间小纵向梁其断面为“”形,其尺寸为

140x22x2.5(mm,设置目的是增强窗间板的强度与刚度。在窗口两侧各有一根垂向的窗边立柱,也称为侧立柱,其断面为“”,尺寸为94x70x46x2.5(mm。在侧门处均有断面为“”形的门柱,其尺寸为25x60x100x60x25x4(mm,立柱和门柱与所有纵梁、上侧梁、底架侧梁连结起来,组成侧墙钢骨架,并与侧墙板焊结形成侧墙钢结构。如果侧门为折页门,在门柱处还有一整体的门框组成,断面为“”形。如果是塞拉门,就无此门框组成。侧墙板为厚2.5mm 的耐候钢板(09CuPCrNi-B。侧墙板上开有大窗孔,尺寸为宽x高,即1064x1014(mm,小窗孔宽x 高为614x1014(mm 。每侧侧墙端部有两个侧门孔。门窗开孔处是侧墙的薄弱区域,通过周边的梁柱予以加强,选择合适的窗角板的圆角半径来降低其应力集中,设计出合理结构。

5.3 行李车侧墙结构

XL25G型行李车侧墙钢结构如图6,墙板和梁柱断面与YZ25G型硬座车类似,不同之处每侧侧墙端部有一个侧门孔,中间各有两个大拉门门孔,大拉门处有用方钢管80x60x4制成的门框,行李间还设有长圆形的了望窗,尺寸为960(宽x310(高(mm。

侧墙钢结构主要构件断面尺寸见表2

表2 侧墙钢结构主要构件断面尺寸(侧墙板厚2.5㎜

6 车顶钢结构

6.1 车顶结构组成

车顶钢结构由弯梁、纵向梁、顶板、一二位端顶、平顶钢结构、中部端顶、车顶边梁等组成,如图7所示。车顶一、二位端(行李车仅一位端各有一个空调机组安装座平顶钢结构,作为安装空调机组的基础,是安装单元式空调机组的支撑框架。

6.2 车顶结构设计

端顶上边为8型槽钢制成的顶端横梁,其断面尺寸为80x43x5(mm。25G型行李车二位端无平顶,其二位端顶上边为端顶弯梁,断面为“”形,其尺寸为

30x55x62.5x45x2(mm。在平顶和圆顶相交的部分为中部端顶,将两部分连接形成整体结构。圆顶的中间部分有很多断面为“

车体纵向均布,间距一般在700(mm左右,其尺寸为94x46x70x24x2(mm。车顶边梁沿车顶两侧全长,断面为“”形,其尺寸为45x75x2.5(mm。车顶纵向还有五根纵向梁,其断面为“┐”形,尺寸为 50x50x3(mm。车顶吊铁焊在车顶的弯梁或纵梁上,主要吊装设备及内装部件。

车顶板由侧顶板和中顶板两部分组成。侧顶板是冷轧型钢,将雨檐与小圆弧(R458板及纵向梁合为一体制造成型,从而提高了侧顶板的平整度,并提高了小圆弧部分的抗弯刚度和强度,还简化了制造工艺。中顶板为大圆弧板(R2300,车顶板厚度均为2mm。平顶中顶板为不锈钢板,主要因为此处容易积水,考虑耐腐蚀性能。中顶板沿车顶纵向倾斜12mm,侧顶向车两侧各倾斜10mm。

车顶钢结构是由纵横弯梁件组成的空间梁系,其上焊有曲面金属顶板(端顶和平顶为平板组成

的板梁结构,共同承受作用于其上的各种载荷,车顶结构具有足够的强度和刚度,并通过防漏雨试验。

车顶钢结构主要构件断面尺寸见表3

7 端墙钢结构

7 1 端墙结构组成

客车车体钢结构的两外端,通常称为外端墙,它是车体钢结构最外端的部分。

YZ25G型硬座车端墙钢结构分为风挡框组成、门框组成、端角柱组成、梁柱组成、端墙板组成、端墙配件。

7 2 端墙结构设计

风挡框折棚柱断面为“[”形,即24b型槽钢,它是保证端墙强度和刚度的重要构件。还有两根断面为“形,尺寸为43x45.5x130x3(mm的端角柱和断面为“”形,尺寸为25x60x100x60x25x4(mm的侧门柱;两根位于端门两侧断面为“”形,尺寸为

50x54x50x28x3(mm的端门框(端门为折页门时有,位于端门框和端角柱之间的“”形立柱94x70x46x2.5(mm和“”形横梁140x22x2.5(mm。上述所有立柱的上端与车顶的顶端横梁相焊接,下端焊在动力连接器座上面的“”形横梁94x70x46x2.5 (mm上。动力连接器座两侧各有一角形小立柱,尺寸为25x50x3(mm。上述梁柱构成端墙钢骨架。在骨架外表面焊有2.5mm厚的墙板,与钢骨架组成梁板组焊结构。在外端墙板外侧还焊装一些如电力连接器座、连接器座、风挡缓冲杆座(仅橡胶风挡有、扶手等配件。

端墙钢结构应具有足够的强度和刚度,特别是抗纵向冲击的强度。

YZ25T型硬座车端墙钢结构主要由两根断面为“”形,尺寸为130x208x6(mm折棚柱组成的风挡框组成,无侧门柱,其余结构和YZ25G型硬座车类似。

端墙钢结构主要构件断面尺寸见表4。

表4 端墙钢结构主要构件断面尺寸(端墙板厚2.5㎜

8 部件接口关系(25G/T型客车

25G/T型客车各部件接口关系见表5。表5 25G/T型客车各部件接口关系

9车体钢结构材料(25G/T型客车9.1技术规范规定

对于新造25G/T型客车,在铁道部招议标《技术规范》中规定:车体采用碳素结构钢,钢结构中板材及型材厚度≤6mm的采用镍铬系耐候钢,厚度≤2.5mm的采用

05CuPCrNi,厚度3~6mm的采用09CuPCrNi-B(Q295GNHL,型钢和厚度>6mm的板材允许使用普通碳素钢。车顶空调机组安装座处的平顶板、厕所和洗脸室的铁地板等易腐蚀部位采用不锈钢板。

9.2主要零部件材质

25G/T型客车钢结构主要零部件材质见表6。

表6 25G/T型客车钢结构主要零部件材质

顺号板厚(mm 材质零部件名称

1 t≤2.5 05CuPCrNi 铁地板、波纹地板、顶板、侧墙板、端墙板、

弯梁、侧墙和端墙的立柱、横梁、

侧墙上边梁等

2 2.5﹤t≤6 09CuPCrNi-B

(Q295GNHL 底架横梁和纵梁、端梁、枕梁上盖板、车顶上边梁和纵梁、门框、端角柱、25T型车折棚柱等

3 t﹥6 Q235-A 25G型车牵引梁、枕梁腹板、枕梁下盖板、折棚

柱;端项横梁、侧梁等

4 t﹥6 Q345-B 25T型车牵引梁和枕梁腹板、枕梁下盖板等

5 t=2 1Cr18Ni9Ti 平顶中顶板、厕所和洗脸室的铁地板等

10 车体钢结构的主要技术要求

10.1 车体钢结构的强度和刚度应符合TB/T1335-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》。

10.2 车体钢结构主要技术要求见表7。

表7 车体钢结构主要技术要求

顺号项目公差与极限偏差备注

1 车体长度 ±8mm

2 车体内宽(分上、中、下三处测量 ±5mm

3 车体横断面对角线之差 10mm

4 枕梁中心以内侧梁上挠值 2~12mm

5 一、二位侧在同一横断面位置测量其挠度值差≤5mm

6 枕梁中心以外牵引梁下垂≤5mm

10.3车体钢结构组成后,墙顶板的平面度要求:

侧墙板≤1.5mm/m;端墙板≤2.5mm/m;

侧顶板≤2mm/m ;中顶板≤4mm/m;

金属平地板≤6mm/m

并不得有明显的局部凸凹不平。

10.4车顶钢结构交验和车体落成时需进行漏雨试验,不得有渗漏现象。

11 车体钢结构的发展

长期以来,我国铁路客车一直是碳钢车体,机车车辆工业跨越式发展,高速化和轻量化已成为我们铁路客车的发展趋势。近年来,铝合金车体和不锈钢车体相继问世,如CRH2、CRH3、CRH5“和谐号”动车组采用的是铝合金车体,CRH1型动车组采用的是不锈钢车体。对于铁道车辆而言,主要要求是强度高,刚度好,车体轻量化和优良的抗腐蚀能力、减免维修以及低的寿命周期成本。我们对三种车体进行了综合比较,其性能比较见表8。

表8 碳钢、铝合金和不锈钢车体材料性能比较

序号碳钢车体铝合金车体不锈钢车体

1 耐腐蚀性差耐腐蚀性良好耐腐蚀性良好

2 轻量化难度大轻量化有一定效果轻量化效果高

3 材料强度一般材料强度低材料强度高

4 耐热性高耐热性低耐热性高

5 焊接性能好需要高焊接技术焊接性能较差

6 可塑性加工容易需要特殊可塑性加工技术需要特殊可塑性加工技术

7 原材料价格低原材料价格高原材料价格高

8 制造价格低制造价格高制造价格低

9 保养维护难可免保养维护可免保养维护

经过比较,不锈钢车体在车体轻量化、耐腐蚀、低维修量,寿命周期成本低、环保等方面有很大优

越性,但其密封性较差,所以适合速度在160km/h~200km/h情况下运行。在今后一段时间内我国铁路仍要以200km/h以下的列车为主要运输手段,因此不锈钢车体的发展有广阔的前景。

1—底架钢结构;2-侧墙钢结构;3-车顶钢结构;4-端墙钢结构;

5-橡胶风挡;6-15号高强度车钩;7-脚蹬安装

图1 YZ25G型硬座车车体钢结构

1-牵枕缓;2-枕内横梁;3-枕后纵向梁;4-枕外横梁;5-侧梁; 6-枕外铁地;7-枕内波纹地板

图2 Y Z 25G 硬座车底架钢结构

1-端梁组成;

2-缓冲梁下盖板;

3-牵引梁组成;

4-枕梁组成;

5-冲击座;

6-上心盘

图3 Y Z 25G 硬座车端牵枕组成

1-牵枕缓;2-中梁;3-枕内横梁;4-枕外横梁;5-主横梁;6-侧梁;6-补强梁;7-金属平地板

图4 X L 25G 行李车底架钢结构

1-立柱;2-纵向梁;3-上侧梁;4-门柱;5-门上横梁;6-门框组成;7-侧墙板;8-大拉门门框

图6 X L 25G 行李车侧墙钢结构

1-立柱;2-纵向梁;3-上侧梁;4-门柱;5-门上横梁;6-门框组成;7-侧墙板

图5 Y Z 25G 硬座车侧墙钢结构

1-风挡框;2-端角柱;3-侧门柱;4-端门框;5-立柱;