基于敞车车体静强度分析AAR规范与TB／T 1335－1996标准的差异

黄晓翠，傅茂海，杨亮亮，傅 玲

（1 西南交通大学 机械工程学院，四川成都610031；2 重庆长征重工有限责任公司，重庆400083）

随着我国铁路货运的快速发展，铁路货车的技术水平取得了显著的提高，但是为了解决我国煤炭、矿石等大宗散粒货物的运输问题，发展重载货车技术势在必行。这就使得货运车辆将面临更加恶劣的运行环境，从而对新造车辆的强度提出了更严格的设计与试验要求。

我国铁路货车车体强度设计现行标准TB／T 1335－1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》（以下简称“TB规范”）是在国外铁路货车相关规范的基础上制订的。目前对于轴重大于25t的铁路货车车体结构强度设计还尚未规定。而美国现在所有一级铁路的标准轴重1990年后已确定为33t，有少量35.7t，目前最大轴重已达到40t。

国外的货车车体强度设计和试验标准主要有北美铁路协会AAR C分册《货车设计制造规范》M－1001（以下简称“AAR规范”）、国际铁路联盟规程UIC 577《货车应力》及欧洲EN 12663《铁路车辆车体结构要求》等。其中，国际铁路联盟规程适用于轴重较小、编组较短的情况；欧洲标准仅在欧洲大陆被广泛引用，而且其货车钩缓装置与我国差别较大；AAR规范不仅适用于大轴重铁路货车，而且经过多年修订已经形成了一套在设计、制造、检验等方面比较完整的标准体系，已被包括我国在内的许多国家广泛采用，我国目前铁路货车的主要部件如制动装置、走行装置、钩缓装置等都借鉴了AAR 标准［1］。

由于北美铁路货运车辆在结构设计理念上与我国铁路货运车辆比较相似，并且我国出口的大多数货车车辆均是参考AAR规范进行评定的。所以，有必要系统地比较AAR规范与我国TB规范关于车体结构强度设计与试验的差异。本文通过对某敞车车体的静强度分析结果，对比论述了AAR规范与我国TB标准的差异，并提出相关建议。

1 计算实例

1.1 敞车的基本结构

本文以某敞车车体为研究对象，其结构主要由底架、侧墙和端墙等组成。底架材质为全钢焊接结构，由中梁、侧梁、枕梁、小横梁、纵向梁及钢地板等组成，中梁采用两根310型乙型钢组焊而成。枕梁为箱形变截面结构，其上盖板厚10mm，下盖板厚10mm，腹板厚8mm。端梁用厚6mm钢板压成槽形断面。全车有5根大横梁，采用厚8mm的上、下盖板及厚6mm的腹板组焊成工字形断面；有16根槽形断面的小横梁，厚度为5mm；有2根槽形断面的纵向梁，厚度为5mm。侧墙为板柱式侧壁承载结构，由上侧梁、侧板和槽形断面的侧柱组成，厚度均为5mm。端墙由上端缘、横带及端板组焊而成，厚度均为5mm，横带为槽形断面［2］。

1.2 有限元模型的建立

利用ANSYS有限元分析软件建立模型并离散［3］，整个敞车车体钢结构共划分为115 364个节点，86 650个Shell 63单元和11 872个Solid 45单元。在上心盘处施加边界条件，边界条件采用弹性体边界元处理，其刚度参照转向架的悬挂刚度，整车共有24个边界元。车体的有限元模型如图1所示。

图1 敞车车体有限元模型

2 载荷形式的比较分析

AAR规范和我国TB标准对敞车车体的试验载荷的定义大致相同，其基本载荷分为垂向载荷、纵向载荷、横向载荷和扭转载荷等，但是具体的载荷形式和组合情况却有较大区别。

2.1 垂向载荷

垂向载荷包括自重、载重和整备质量。

TB规范中：垂向载荷均布作用在车内地板上；考虑动载荷系数并通过车辆运行速度和弹簧静挠度计算而得；为了考虑雨雪增载等情况对敞车车体结构强度的影响，取标记载重的1.15倍为载重；为了考虑离心惯性力和风力的影响，并不直接施加侧向力，而是以增加车体垂向静载荷的10%来弥补［4］。

AAR规范中：垂向载荷也是均布作用在车内地板上；第1工况载重系数为1.8，第2工况载重系数为1.0［5］。

两个标准对车体结构垂向载荷大小的比较如表1所示。

通过比较可知，由于AAR规范考核的是屈服强度，但在考核前，载荷要乘以一个载荷系数1.8，相当于取了安全系数1.8；而TB规范考核的是许用应力，在屈服强度基础上第1、2工况分别取安全系数为1.6和1.18。假设施加的载荷值与结果应力值近似成线性比例关系，则从安全系数这一层意义来讲，无论第1工况还是第2工况下，TB规范均偏于安全。

表1 AAR规范和TB规范中与货车车体结构有关的垂向载荷

当仅考虑垂向静载荷影响时，由AAR规范和TB规范计算的载荷分别作用在该敞车车体上，得到的车体中梁垂向挠度结果如图2（a）、图2（b）所示，车体应力结果如图3（a）、图3（b）所示。

TB规范下的垂向静载荷值比AAR下规定值小，由图2中可以看出TB规范下的车体中梁最大相对变形量较小。由于AAR规范并未像TB规范中有详细的车体刚度校核指标，所以从车体刚度的角度而言，TB规范更具可靠性和规范性。图3中两者的最大应力发生区域都是中梁中部筋板的圆孔处，符合车体结构的力学原理。另外，TB规范下最大应力与AAR规范下最大应力的比值和两标准下施加的载荷比值基本一致。通过比较最大应力与相应许用应力的比值可知，车体在垂向静载荷单独作用时，TB规范均偏于保守。

图2 车体中梁垂向挠度图（变形放大100倍）

图3 垂向静载荷的应力云图

2.2 纵向载荷

纵向载荷包括拉伸载荷、压缩载荷和冲击载荷。

TB规范中：第1工况纵向拉伸力为1 125kN、压缩力为1 400kN，该力分别沿车钩中心线作用于车辆的前、后从板座上；第2工况纵向压缩，即冲击载荷为2 250kN，该力分别沿车钩中心线作用于车辆的后从板座上。

AAR规范中：牵引载荷为在车辆每端前从板座或后从板座上沿车钩名义中心线作用的350 000磅（约1 557kN）的拉伸或压缩载荷；车端压缩载荷为沿车钩名义中心线作用于车辆两端后从板座上的1 000 000磅（约4 450kN）的柱状压缩载荷；冲击载荷为对于采用车端缓冲装置的车辆，车体应具有承受在其一端作用一定车钩力的结构强度，当缓冲行程长度小于6英寸时，车钩力为1 250 000磅（约5 562kN）；当缓冲行程长度6至9英寸之间时，车钩力为4 540kN；当缓冲行程长度9至14英寸之间时，车钩力为750 000磅（约3 338 kN）；当缓冲行程长度14及14英寸以上时，车钩力为600 000磅（约2 670kN）。

两者的具体比较如表2所示。

如果仅单独考虑纵向载荷作用下的影响，同样先假设施加的载荷值与结果应力值近似成线性比例关系，由表2可知，在第1工况下的拉伸载荷和压缩载荷中，AAR规范下规定的值均为1 557kN，而TB规范下规定的拉伸载荷为1 125kN和压缩载荷为1 400kN，通过折算可以得出，拉伸载荷下TB规范更趋于安全，压缩载荷下AAR规范更趋于安全。在第2工况下的压缩载荷和冲击载荷中，AAR规范下的压缩载荷取值是TB规范下压缩载荷取值的2倍及以上，如果仅从安全系数的意义来讲，显然AAR规范非常保守。但实际的考核内容是组合载荷，仅从单个载荷作用结果来评价标准的优劣是不全面的。图4（a）为根据AAR规范第2工况纵向载荷单独作用时的车体应力云图，图4（b）为根据AAR规范第2工况纵向载荷和垂向载荷共同作用时的车体应力云图。

表2 AAR规范和TB规范中与货车车体结构有关的纵向载荷

图4 应力云图

通过图4（a）和图4（b）的比较可知，两种加载方式下，车体的应力云图相似，其中最大应力发生的位置相同，这说明在纵向载荷和垂向载荷共同作用下，由于车体结构受力特点和载荷数值大小的因素，使得纵向载荷对车体应力分布起主导作用。此外，在车体底架的中梁中部和侧墙的上边梁位置，由于纵向载荷所引起的应力与垂向载荷所引起的应力发生相互抵消，从而使得这些区域在纵向载荷和垂向载荷共同作用下应力比纵向载荷单独作用下应力小；最后，叠加载荷下的最大应力比纵向载荷下的最大应力大，说明发生最大应力区域在纵向和垂向发生了应力的矢量叠加。

2.3 横向载荷

横向载荷的作用包括风力、离心惯性力和散装货物侧压力。

TB规范中由于风力和离心惯性力已折算到垂向载荷中，所以横向载荷只包括散装货物侧压力；散装货物侧压力以均布力的形式作用于侧墙、端墙上，如图5（a）所示；第1工况仅考虑侧墙压力，第2工况考虑端墙和侧墙压力；侧墙、端墙压力计算公式主要取决于车体几何形状和货物装载状态等。

AAR规范中横向载荷值的大小考虑了风力、离心惯性力和散装货物侧压力的共同作用影响；散装货物侧压力根据Rankine公式计算，将侧墙、端墙压力由地板面至货物装载顶面线性变化为零，如图5（b）所示；第1工况侧墙、端墙载荷系数为1.5，第2工况侧墙、端墙载荷系数为1.0；同时还对装载倾斜货物和高重心货物进行了详细的特殊加载说明。

两个标准下的横向载荷，除了载荷内容和载荷值不同外，最大的差异在于散装货物侧压力的加载方式，为了更好的比较两者的差异，图6（a）、图6（b）为仅作用第1工况散装货物侧压力时车体侧墙的外胀结果。

尽管第1工况侧墙侧压力在AAR规范下的规定值比TB下的规定值大很多，但是由于AAR规范按照梯度形式加载侧墙压力，所以其外胀值比TB下更小。实践证明，AAR规范的散装货物侧压力的加载方式更加符合实际情况。

图5 侧墙上的散装货物压力作用图

图6 侧墙外胀图（变形放大50倍）

2.4 扭转载荷

当车辆通过缓和曲线区域或不平顺线路时，当第1个转向架驶离曲线段时，后面的转向架仍然处于曲线段，这时车体将会产生扭转。此外，当车体在检修时被不均匀的顶起时，也将产生扭转。所以，扭转载荷下的车体强度也是必须要考核的内容。

TB规范中整车扭矩M为40kN·m，需将扭矩换算为旁承力作用于车体左、右两侧的上旁承上；而且考虑了最大组合情况，即扭转载荷必须与第1工况纵向拉伸或压缩载荷、垂向总载荷和散装货物侧压力组合考虑。

AAR规范并未将扭转载荷加入其他载荷组合中。

图7（a）为TB规范规定的最大拉伸组合工况下的应力结果图，图7（b）为在最大拉伸组合工况基础上去掉扭转载荷的应力结果图。

车体在发生扭转时，枕梁与侧柱连接处应力较大，其次是横梁与侧柱连接处、大横梁下盖板与中梁下翼缘连接处以及大横梁与中梁连接位置的中梁隔板处。通过比较可知，扭转载荷的叠加增大了整车受力，但是从应力的贡献上看不是很大，这是因为该敞车车体的扭转刚度比较大，如果研究带有门、窗开孔的敞车车体时，由于其扭转刚度变小［6］，扭转载荷的叠加影响会较大。

图7 应力结果图

2.5 其他载荷

TB规范中规定了车辆在机械化装卸时的载荷。车辆总质量84t的厂车，装散装货物时，车体需承受的每个翻车机压头垂向载荷为118kN，作用在上侧梁上平面，均布于200mm长度上；侧墙立柱根部总内倾弯矩为235kN·m，均匀分摊给各立柱。

AAR规范中规定了车钩载荷。敞车车体承受作用在钩舌内侧面处的223kN（50 000磅）向上和向下的垂向载荷；并且在车辆一端靠近冲击座处作用一个足够大的向上的垂向载荷，使车体脱离靠近起吊端的转向架。

3 组合工况的比较分析

3.1 载荷工况的组合与评定

按照TB规范和AAR规范的技术要求，对该敞车车体钢结构进行有限元静强度分析计算时考虑如表3和表4所示的几种载荷组合情况。

敞车车体钢结构为板材拼装的焊接结构。板材或型材均采用Q450低合金高强度结构钢。冲击座的材质为C级铸钢。根据AAR规范和TB规范的技术条件规定，敞车车体应在各个加载的载荷综合作用下，当量应力应不大于材料的许用应力。当量应力按下式计算：

表3 TB规范所规定的载荷工况组合

表4 AAR标准所规定的载荷工况组合

式中σe为当量应力，MPa；σi为主应力（i＝1，2，3），MPa。

3.2 计算结果对比与分析

车体在各工况载荷作用下的结构最大von＿Mises应力值及出现的位置见表5。

表5 最大等效von＿Mises应力及其位置

通过比较各组合工况下结构最大应力与许用应力的比值可以得出，在车体结构静强度的评定中，TB规范比AAR规范保守得多。

4 结论

（1）在对某敞车车体静强度的分析中，无论是单独作用某个载荷，还是组合作用叠加载荷，TB规范较AAR规范都比较保守，可能是因为我国铁道车辆试验与工艺水平与国外比还有一定差距，多采用增加安全余量来弥补技术不足；另一方面，AAR规范从载荷量的规定到组合形式的设置比TB规范都要更详细，当然TB规范里也有一些我国具体国情的考虑，毕竟AAR规范并不完全适用于我国的铁道车辆。

（2）此外，两个标准有不用的使用环境，TB规范适用于货车轴重不大于25t、列车牵引质量不大于6 000t（运煤专线10 000t及以上），调车作业速度不得高于5 km／h的情况；AAR规范适用于大轴重铁路货车，即轴重不超过29.8t的车辆均可以在联运中使用，允许连挂速度为8km／h。

（3）总之，在使用两个标准评定车体结构强度时，首先确定车辆使用要求，如轴重、连挂速度、冲击速度和编组长短等；然后根据具体车辆服役情况，选择载荷组合情况最贴合实际的标准作为主要评定依据，并将另一个标准作为参考和补充。

［1］田葆栓.国内外铁路货车车体强度设计与试验标准的分析与研讨［J］.铁道车辆，2009，47（5）：26－30.

［2］严隽耄，傅茂海.车辆工程（第3版）［M］.北京：中国铁道出版社，2008.

［3］傅茂海，安琪，杨亮亮，等.CQH47型敞车车体结构静强度分析报告［R］.重庆长征重工有限责任公司，2011.

［4］TB／T 1335－1996.铁道车辆强度设计及试验鉴定规范［S］.

［5］M－1001，北美铁路协会AAR C分册.货车设计制造规范［S］.

［6］任启麟.关于客车车体扭转载荷问题的探讨［J］.铁道车辆，1997，35（3）：5－8.