铁路客车地板结构优化设计

陆 鹏

（中国北车集团长春轨道客车股份有限公司,长春 130000）

1 前言

随着国内高速铁路的不断发展，旅客、客运服务公司势必会对旅客的乘车感受提出更高的要求，包括客室噪声、振动、视野、温湿度等因素的控制和优化成为轨道车辆制造商必须研究解决的重要课题。而地板作为旅客的直接承载部位，其振动性能和隔音指标对乘坐舒适性有直接影响。目前，国内铁路客车的地板隔音指标及测试办法已较完备，而其振动性能仅给出UIC标准的舒适度指标，缺乏达到这一指标所需的设计指导理论，仅处于经验设计和试验测试并修正的阶段，急需投入进行理论研发。

2 地板典型结构

中国铁路客车经历了由22型客车、25型客车到技术引进基础上研制的CRH和谐号动车组的发展历程，铁路客车地板的材料及结构也与时俱进不断发展。

2.1 普通铁路客车地板

传统的22型、25型客车地板以胶合板为主要材料。地板底部使用硬木骨支撑，地板、木骨、车体底架之间使用机械连接，结构简单、装配工艺成熟、结实耐用。但是，随着国内铁路进入高速动车组时代，这种地板结构遭遇了两项技术难题无法突破：一是地板减振性能差，由于该结构为机械连接，虽在地板与木梁间增加橡胶垫，但是轮轨作用产生的振动仍能传递至地板表面，造成旅客乘坐不舒适。二是地板隔音效果差，底架高频振动极易传递至地板。

2.2 时速250公里动车组地板

针对传统地板结构的缺点，国内时速250公里动车组地板开发了一种弹性支撑和复合地板组合的动车组地板。该地板本身为上下两层1.5mm厚铝板与中部的PVC泡沫复合在一起而成，由于PVC泡沫内部存在大量的泡孔，可以有效的阻隔车下轮轨噪音、和设备运行产生的噪音，隔音性能优越。地板底部使用弹性支撑作为支撑元件，该弹性支撑由上部型材、下部型材和中部的硫化橡胶组成，由于使用了橡胶柔性连接，地板的振动性能有大幅度的提高，基本满足了时速250公里动车组的舒适性要求。弹性支撑的主要性能参数如下：

垂向压缩刚度：650 N/mm±10%;拉伸刚度：≥185 N/mm;纵向剪切刚度：≥200 N/mm;横向剪切刚度：≥200 N/mm;纵向剪切力（开始出现破坏时）：≥4500 N;纵向剪切力（开始出现破坏时）：≥2500 N

在1.0-2.5kN，4Hz载荷下，经100万次疲劳试验后：产品高度变化≤0.5%;垂向静刚度变化±10%,耐高低温湿热循环试验，PH=5的HCL溶液中进行耐酸试验后后：产品高度变化≤0.5%;产品重量变化≤0.2%;垂向压缩刚度变化≤5%,在PH=12的NaOH溶液溶液中进行耐碱试验后：产品高度变化≤0.5%;产品重量变化≤0.2%;垂向压缩刚度变化≤10%。

但在时速超过230km时该地板会出现异常振动。针对此异常振动进行了分析。经测试，车上地板振动在0-2Hz,20-60Hz均有较大的振动主频成分，针对振动可能产生此频段的振动传递和振源再次进行测试分析，沿轮轨、构架、车下设备、车体底架的振动传递顺序进行了测试。结果为：走行部、车下设备的最大传递率均小于1，处于0-2Hz的刚体模态频段。而对车体底架和地板表面的振动传递特性对比则发现，通过地板结构之后，车体底架的振动被放大，即地板结构本身造成了此异常振动。同时，从地板弹性支撑到逐渐远离弹性支撑，地板的振动是逐渐放大,即地板发生局部模态振动。由此可见，造成该地板异常振动的原因为：

（1）地板弹性支撑振动传递时将振动放大，需要选择合适的地板支撑；

（2）地板本身发生了局部模态振动，需要优化地板的局部模态。

2.3 时速350公里动车组地板

时速250公里动车组地板结构对振动性能影响最大的部分是弹性部分（即硫化橡胶），为了消除这一振动使地板结构适应高于250公里并达到更高的时速350公里，必须研究改进弹性部分的自振频率及影响因素。

自振频率f与橡胶的刚度k成正比，与在弹性体上附加的载荷M成反比。根据弹性体振动频率计算公式，消除柔性连接地板结构异常振动必须设法减小这种结构的自振频率，而减小自振频率的方法有两种：一是减小橡胶的刚度，由于减小刚度不利于承载，可操作空间较小；

所以我们采用第二种办法，即在地板上增加载荷，实际的动车组设计时很多载荷，比如座椅、间壁、茶桌等部件可以在地板和车体底架之间合理分配载荷，使地板具有适当的载荷。

同时根据实际运营经验，时速350公里动车组地板与底部支撑之间取消了固结式的机械连接而采用浮筑结构，即地板与底部支撑件没有硬性连接，仅在地板的某些部位增加部分间隙连接，减小底部支撑件与地板之间的振动关联。底部支撑也由上下型材改为振动性能较优越的木骨，弹性部分直接粘接在木骨上表面。

通过测试选型，浮筑结构地板的减振垫振动峰值对应的频率约为13HZ,在20-40HZ的振动频段振动衰减，避开了0-2Hz,20-60Hz的振动主频区间。另外，浮筑结构地板结构不再使用普通铁路客车、时速250公里动车组的座椅结构（座椅硬性连接在车体底架上，以增加连接可靠性，座椅负载也直接加在车体底架上），而是通过座椅和底架之间的间隙连接，使得地板的附重不仅包括地板本身的重量，同时也包括地板上方的座椅重量，使地板重量满足了对应的附重要求，减振垫振动频率达到减振要求区间。

3 结束语

实际的动车组地板设计结构较为复杂，需要考虑的载荷及部件布置极为繁复。目前国内尚无成熟的地板结构设计指导理论，本文仅通过分析提出一种可行的设计经验，其实际效果仍然有待进一步提高和优化。同时由于新材料的不断出现，本身自振频率低、负载性能好的减振材料也陆续涌现，减震垫的测试选型提供了很好的支撑。

[1]严隽耄，车辆工程[M].中国铁道出版社,1999.

[2]徐秉业，弹性力学[S].清华大学出版社,2007.

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