基于俄罗斯车辆计算与设计规范的棚车车体强度分析

张伟杰，谢素明，朱 森

(1.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028;2.包头市北方创业股份有限公司，内蒙古 包头014032)*

0 引言

棚车主要用于运输免受日晒、雨雪侵袭的成件货物、零散货物等包装货物，具有可运输货物范围广、通用性强、利用率高、运输经济等优点，潜在市场需求广阔.面对铁路客货分线运输的新形势，研制和开发适应用户需求的通用和专用棚车成为目前十分迫切的研究课题［1］.目前对棚车的研究主要集中在车体制造、增加载重、提高运输速度以及力学性能等方面.肖颖等运用有限元仿真分析方法研究时速120 km/h的快运活动侧墙棚车，并对其原理、研制过程、基本结构及性能特定等进行了详细阐述［2］.赵天军运用有限元仿真分析方法研究载重70t的通用棚车，在车体静强度、车辆动力学计算的基础上详细介绍了车体静强度试验及车辆动力试验的方法［3］.

本文比较了俄罗斯的交通部1 520 mm轨距铁路(非自行)车辆计算和设计规范［4］(以下简称俄罗斯设计规范)和TB/T 1335-1996标准［5］中棚车的计算载荷工况，并利用俄罗斯设计规范对某棚车车体结构进行静强度分析及结构设计.

1 俄罗斯设计规范与TB标准的比较

俄罗斯设计规范适用于1 520 mm轨距铁路网的俄罗斯和其他国家生产的非自行货车和客车.其他国家的铁路车辆(包括其他轨距，如1435 mm轨距的车辆)，如果它们被规定要运用于交通部1520mm轨距铁路，则应符合该规范.TB/T 1335-1996适用于标准轨距铁路上运用的新设计的一般用途非动力车辆及主要零部件的结构强度.客车构造速度不大于200 km/h，货车构造速度不大于120km/h;列车牵引总重不大于6000 t，运煤专线为10000 t及以上，轴重不大于25 t.

两种标准的垂直静载荷定义为自重与载重的之和，垂向动载荷系数均在0.2以上;TB/T 1335-1996中第Ⅰ工况的纵向拉伸力为1 780 kN，压缩力为1 920 kN.俄罗斯设计规范中第Ⅲ工况中准静态力及冲击力的拉伸和压缩都为1.0 MN;TB/T 1335-1996中第Ⅱ工况的纵向压缩力为2500 kN.俄罗斯设计规范中第I工况中准静态纵向拉伸力为2.0MN，压缩力为2.5 MN;冲击拉伸力为 2.5 MN，压缩力为3.0 MN.

两种标准都考虑了惯性离心力、转向架中心高、风力等引起的侧向力，且大小基本一致.

TB/T 1335-1996规定心盘支重式车体不考虑斜对称载荷，但必须在第一工况中考虑40kN·m的扭转载荷;俄罗斯设计规范中则规定，在计算具有较大的车辆长度(车辆定距大于16m)的货车车体时也应考虑斜对称力，其在运行于线路的曲线区段时可能产生对角旁承的受力接触.

TB/T 1335-1996规定地板应能满足叉车装卸作业的要求.前轮距为760 mm时载荷为40 kN(每20 kN)，作用在地板任何位置所产生的应力不得大于第Ⅱ工况许用应力.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400 mm;俄罗斯设计规范规定，棚车地板任何部位应能承受两个相距1.0 m、数值为0.03 MN、作用面积为 0.15 m ×0.15 m 的集中力载荷.此外，俄罗斯设计规范还规定，客车和货车车顶任何部位应能承受两个1.0 kN、作用面积为0.25 m ×0.25 m、相距为0.5 m 的载荷.

TB/T 1335-1996中规定了对车体垂向弯曲刚度和扭转刚度的要求，而俄罗斯设计规范中对刚度没有要求.

2 棚车结构及分析模型

棚车主体结构是由车体、制动装置、车钩缓冲装置及转向架组成.车体为全钢焊接整体承载结构，主要由底架、侧墙、端墙、车顶、车门、车窗等组成.

底架主要由中梁、下侧梁、枕梁、端梁、大横梁、小横梁、纵向梁等组焊而成.中梁采用屈服强度为450 MPa的热轧乙字型钢;下侧梁为冷弯槽型钢;枕梁为双腹板、单层上下盖板组焊而成的变截面箱形结构;大横梁为工字形组焊结构;在端梁与枕梁、枕梁与枕梁间设有的冷弯纵向槽型梁.在底架钢结构上铺设木地板，用螺栓紧固在侧梁、纵向梁上.侧墙为板柱式结构，由侧板、侧柱、门柱、上侧梁等组焊而成.端墙为板柱式结构，由端板、端柱、角柱、上端梁等组焊而成.车顶采用圆弧形车顶结构，由车顶板、车顶弯梁、车顶侧梁、端弯梁、车顶端板等组焊而成.

棚车车体部件主要离散为四节点等参薄壳单元shell181(该单元考虑了结构单元中间面上的平面刚度、弯曲刚度及曲率效应，计算精度高)，采用刚性单元模拟车体部件之间的焊接关系.考虑到棚车车体底架与木地板之间传力关系，将棚车木地板离散为实体单元solid185，并采用位移耦合来模拟车体底架中梁、枕梁、纵向梁、横梁与木地板之间的传力关系;采用beam188模拟螺栓连接关系.棚车车体有限元模型的单元总数为1532502，结点总数为1444314，如图1所示.

图1 棚车车体有限元分析模型

车体主结构钢材料的弹性模量为2.06×105MPa，铸钢的为1.72 ×105MPa，泊松比为 0.3，密度7 850 kg/m3.车内木地板的材料为落叶松，其性能参数为:弹性模量顺纹为16 272 MPa，径向为1 103 MPa，弦向为573 MPa;剪切模量顺纹-弦面为676 MPa，顺纹-径面为1 172 MPa，水平面为66 MPa;泊松比弦径向为 0.51，顺径向为 0.42，顺弦向为0.68;材料密度为550 kg/m3.车体部件所用材料的许用应力见表1.

表1 棚车车体部件所用材料的许用应力 MPa

3 车体计算载荷工况

依据俄罗斯设计规范，棚车车体计算载荷包括:①车辆结构自身和货物的垂直静载荷、考虑运行时垂向振动引起的垂直动载荷以及车体纵向惯性力引起的垂向附加载荷;②车辆运行时的车钩纵向压缩和拉伸载荷(静态和冲击);③车辆运行时由惯性离心力引起的侧向力以及车辆相互间作用引起的曲线横向力;④车辆在装卸作业和修理作业时的叉车载荷、顶车载荷以及车顶构件载荷.

棚车车体的计算工况汇总见表2，表中力的单位为kN.棚车车体的货物重量均布于木地板上;纵向载荷和曲线横向力作用于两端从板座处;离心力均布于一侧侧墙上.车顶工况的两个1 kN的力均布于车顶三个位置:位置1为两个车顶弯梁之间的车顶板上(车体纵向);位置2为两个车顶弯梁之间的车顶板上(沿圆周方向);位置3为中间车顶弯梁两侧的车顶板上(车体纵向).叉车工况的两个0.03 MN的力均布于地板上四个位置:位置1为中间大横梁两侧，下侧梁上的木地板;位置2为中间大横梁两侧，中间长纵向梁上的木地板;位置3为中间大横梁两侧，前两个长纵向梁中间的木地板;作用位置4为中梁两侧，中间大横梁与小横梁之间的木地板.

表2 棚车车体计算工况汇总 kN

4 车体结构强度分析

基于车体初始方案的有限元分析结果，对棚车车体进行了结构改进设计(参见图2)及数次仿真分析，最终确定了棚车车体结构.改进后棚车车体静强度分析的部分结果如图3所示.

图2 车体底架结构改进部位示意图

图3 棚车车体静强度分析部分结果

结合图2和图3可以看出:棚车车体侧门附近的底架是车体强度的薄弱部位，车体设计时不仅要保证侧门门立柱位置有底架大横梁，还应在对应侧门中部位置铺设大横梁.此外，也应重点关注底架中梁与大横梁的联接部位的结构设计.

5 结论

在总结出的基于俄罗斯规范的棚车车体强度分析的五类计算载荷工况的作用下，对某棚车车体进行静强度分析.结果表明:棚车车体侧门附近的底架是车体强度的薄弱部位，即车体设计时应重点关注侧门附近的底架大横梁的位置、数量及与中梁的联接结构.

［1］张超德，潘树平，傅茂海，等.我国铁路棚车的现状与发展探讨［J］.铁道车辆，2001，30(4):15-17.

［2］肖颖，肖乾佑，李芾，等.国内外棚车的发展及120km/h快运活动侧墙棚车研制［J］.铁道车辆，2003，41(2):9-13.

［3］赵天军.70t级新型通用棚车的设计研究［D］.大连:大连交通大学，2006.

［4］俄罗斯交通部.1520mm轨距铁路(非自行)车辆计算和设计规范［S］.俄罗斯:［s.n.］，1996.

［5］中国人民共和国铁道部.TB/T 1335-1996.铁道车辆强度设计及试验鉴定规范［S］.北京:中国铁道出版社，1996.