机车车体强度相关标准综述

阎 锋，龚晓波，栾平景，张维坤，任玉鑫

（中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031）

20 世纪70 年代末80 年代初，我国开始制定有关机车整车及其大部件的标准。由于当时蒸汽牵引技术已经非主流化［1-2］，因此，标准制定工作仅围绕内燃机车和电力机车展开。车体强度作为影响机车安全的重要技术指标，最早出现在1982 年发布的GB 3314-82《内燃机车通用技术条件》和GB 3317-82《电力机车通用技术条件》中，而我国最早的机车车体强度标准则是1995 年发布的TB/T 2541-1995《内燃、电力机车车体静强度试验方法》。文中对历年发布的与机车车体强度相关的标准进行了梳理分析，以期为今后标准的制修订提供一些借鉴。

1 标准介绍与分析

我国迄今发布的与机车车体强度相关的主要标准见表1。

表1 与机车车体强度相关的主要标准

1.1 GB 3314—82 和GB 3317—82 标准

GB 3314-82［3］和GB 3317-82［4］标 准 中 有 关车体强度要求的内容见表2。其实按惯例，像GB 3314-82 和GB 3317-82 这样的整车技术条件，车体强度应直接引用相关车体强度标准，而无需作具体规定。但由于当时并无可以引用的车体强度标准，所以不得已才出现这种情况。GB 3314-82和GB 3317-82 标准的制定参照了UIC 617-5-1977《牵引单元 司机室特殊安全规则》［5］和UIC 625-7-1966《内燃动车或多单元列车运营中承受冲击能力的规定》［6］。其中200 tf 纵向静压力取自UIC 617-5-1977，纵 向 加 速 度3g取 自UIC 617-5-1977 和UIC 625-7-1966，动荷系数1.3 和GB 3317-82 中有关纵向静压力与垂直载荷的组合方式取自UIC 625-7-1966。GB 3314-82 关于纵向静压力与垂直载荷的组合与UIC 625-7-1966 不同，将2 个最恶劣的工况组合在一起，规定更加苛刻。应该引起注意 的 是，UIC 617-5-1977 和UIC 625-7-1966 中 有 关3g加速度的要求是针对设备连接装置强度的，而非设备本身。可能是由于理解上的偏差或者其他原因，导致在GB 3314-82 和GB 3317-82 中成了对设备的要求。从表2 中可以看出，GB 3314-82和GB 3317-82 仅规定了最基本的载荷工况，并不全面。

表2 GB 3314—82 和GB 3317—82 标准中有关车体强度的内容

1.2 GB 3315—82 和GB 3318—82 标准

GB 3315-82［7］中无车体强度试验相关要求，GB 3318-82［8］在2.24 条 款 机 车 强 度 试 验 中 规 定：测量车体底架、转向架构架等各主要部件的动强度是否与设计值相符。这2 个标准均未规定车体静强度试验方法，虽然GB 3318-82 规定要进行动强度试验，但未规定试验方法，标准可操作性不强。

1.3 GB 6770—86、GB 6770—2000 和TB/T 2867—1998 标准

GB 6770-86［9］参 照 采 用UIC 617-5-1977，适用于新造干线电力机车。GB 6770-2000［10］等同采用UIC 617-5-1977，适用于电力机车、内燃机车及其动车组和用于国际联运的新造车，系GB 6770-86 的 修 订 版。TB/T 2867-1998［11］等 同 采 用UIC 617-5-1977，适用于国际铁路联盟所有成员路的机车、动车及动车列车，也适用于各种牵引方式拖动的带司机室的拖车，蒸汽牵引除外。从整体内容来看，TB/T 2867-1998 标准内容与UIC 617-5-1977 完 全 一 致，GB 6770-86 和GB 6770-2000 个 别条款与UIC 617-5-1977 存在差异。虽然GB 6770-86、GB 6770-2000 和TB/T 2867-1998 这3 个标 准的内容不完全相同，但其关于机车车体强度的要求则是完全一致的，主要强度要求如下：

（1）司机室结构应能承受表3 中规定的压缩载荷。

表3 司机室结构压缩载荷

（2）司机室窗框和门框应具有足够的刚度。安装设备时应尽可能不开切口。

（3）车内的各种设备应安装牢固，应能承受加速度为±3g的纵向冲击，以免车速突然变化时出现松动和损坏。

1.4 TB/T 2541—1995 标准

TB/T 2541-1995［12］是 我 国 最 早 的 机 车 车 体强度标准，标准适用于最大速度不超过160 km/h的标准轨距铁道内燃机车、电力机车。本标准规定了试验场地与环境、被试车体、试验项目、测点布置、试验设备和仪表、应变片及其粘贴、连线、试验规则、应力数据计算、挠度的测量与换算、强度与刚度评价、试验报告与试验资料，并以附录的形式给出了车体挠度的测量方法（附录A）和许用应力［σ］（附录B）。

TB/T 2541-1995 的制定参考了GB 3314-82、GB 3317-82、GB 6770-86 和TB 1335-78《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》。标准附录A 给出了用细钢丝绳和百分表测量车体挠度的具体方法。对于三向应变花，本标准采用第三强度理论进行评定。TB/T 2541-1995 的实施，规范了我国机车车体的强度设计和试验，但在执行过程中，也发现了标准的一些不足之处，其存在的主要问题有：

（1）扭转载荷试验规定了试验方法，但没有规定施加的扭转载荷值。

（2）许用应力给出了（0.4～0.6）σs的范围，但没有给出具体如何取值的指导。

1.5 GB/T 3314—2006 和GB/T 3317—2006 标准

GB/T 3314-2006［13］参 照 了IEC 61133：1992《电力牵引机车车辆电力机车车辆和电传动热力机车车辆制成后投入使用前的试验方法》中有关内燃机车的内容，本标准代替GB 3314-82。GB/T 3317-2006［14］参 照 了IEC 61133：1992 中 有 关 电力机车的内容，本标准代替GB 3317-82。GB/T 3314-2006 和GB/T 3317-2006 标准中有关车体强度的内容见表4。对比表2 和表4 可以发现，与GB 3314-82 比较，GB/T 3314-2006 去掉了纵向静压力与垂直载荷组合中垂直载荷的动荷系数（1.3）；与GB 3317-82 比 较，GB/T 3317-2006 修 改 了 有关设备加速度的规定，增加了前窗下部300 kN 均布纵向静压力工况。从表4 中还可以看出，GB/T 3314-2006 无前窗下部300 kN 均布纵向静压力工况，这2 个标准针对设备加速度的规定也不相同。

表4 GB/T 3314—2006 和GB/T 3317—2006 标准中有关车体强度的内容

1.6 GB/T 3315—2006 和GB/T 3318—2006 标准

GB/T 3315-2006［15］参照了IEC 61133：1992 中电传动内燃机车部分的内容，本标准代替GB 3315-82。GB/T 3318-2006［16］参照 了IEC 61133：1992 中有关电力机车的内容，本标准代替GB 3318-82。GB/T 3315-2006 和GB/T 3318-2006标准中有关车体强度的内容见表5。与GB 3315-82 比较，GB/T 3315-2006 在线路试验中增加了车体底架、转向架构架动强度检查；与GB 3318-82比较，GB/T 3318-2006 增加了机车的车体应符合GB 6770、TB/T 2541 规定的负荷试验要求这一规定。比较TB/T 2541-1995 与GB/T 3317-2006，两者关于纵向静压力与垂直载荷组合的规定是不同的，前者垂直载荷考虑了动荷系数（1.3），后者则不考虑。因此，GB/T 3318-2006 关于机车车体的强度应符合TB/T 2541 规定的负荷试验要求这一规定没有考虑GB/T 3318-2006 与GB/T 3317-2006 的协调性。

表5 GB/T 3315—2006 和GB/T 3318—2006 标准中有关车体强度的内容

1.7 TB/T 2541—2010 标准

TB/T 2541-2010［17］是TB/T 2541-1995 的 修订版。本标准适用于标准轨距铁路一般用途机车车体静强度和刚度的试验及评定。TB/T 2541-2010 的制定参考了EN 12663：2000《铁路应用—轨道车辆车体结构要求》和UIC 566-2006《客车车体及其零部件的载荷》。本标准与TB/T 2541-1995相比，强度方面的主要技术变化如下：

（1）对纵向压缩载荷进行了补充，增加了牵引6 000 t 及以上吨位的货运机车的纵向压缩载荷取值。

（2）增加了纵向拉伸载荷试验、司机室防撞结构压力试验和排障器压力试验。

（4）司机室安全压力试验增加了垂直载荷施加要求。

（5）对于三向应变花，改为采用第四强度理论进行评定。

（6）许用应力不再以范围的形式给出。

虽然TB/T 2541-2010 规定了扭转载荷试验的扭转载荷取值，但却是以范围的形式给出，会给标准的执行带来困扰。

1.8 TB/T 2730—96 和TB 1996—87 标准

TB/T 2730-96［18］和TB 1996-87［19］分 别为 内燃机车和电力机车车体技术条件，规定了机车车体的技术要求、检查和验收。这2 个标准中有关车体强度要求的内容见表6。从表6 中可以看出，TB/T 2730-96 引用了GB 3314 标准，而TB 1996-87则引用了GB 3317-82 和GB 6770-86 标准。

表6 TB/T 2730—96 和TB 1996—87 标准中有关车体强度的内容

1.9 GB/T 25334.1—2010和GB/T 25334.2—2010标准

GB/T 25334《铁道机车车体技术条件》分为2 个部 分。GB/T 25334.1-2010［20］是 在TB/T 2730-96基 础 上 制 定 的，而GB/T 25334.2-2010［21］则 是 在TB 1982-87《电力机车车体焊接技术条件》基础上制定的。其实，按理GB/T 25334.2-2010 应基于TB 1996-87 标准制定。这2 个标准中有关车体强度要求的内容见表7。从表7 中可以看出，相较于前面介绍的标准，这2 个标准新增了疲劳强度和整备车体一阶弯曲自振频率要求。 虽然GB/T 25334.1-2010 引用了TB/T 2541，但只是引用了其中的许用应力，而工况等则没引用。 GB/T 25334.2-2010 没有引用TB/T 2541，安全系数的选取也与TB/T 2541 不一致。这2 个标准关于整备车体一阶弯曲自振频率的规定参照了TB/T 3115-2005《机车车辆动力学性能台架试验方法》。虽然这2 个标准均规定了疲劳强度要求，但未规定疲劳载荷工况，给标准的执行带来了一定困难。

表7 GB/T 25334.1—2010 和GB/T 25334.2—2010 标准中有关车体强度的内容

1.10 GB/T 33194—2016 标准

GB/T 33194-2016［22］标 准 整 体 架 构 和 主 要 条款与EN 12663-1：2010《铁路应用—轨道车辆车体结构要求 第1 部分：机车和客车》基本一致。本标准部分条款参考了TB/T 2541-2010 和TB/T 1335-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》。本标准规定了铁道机车车辆车体的结构要求、设计载荷工况、材料许用应力、强度分析和试验验证的原则。本标准适用于一般用途铁道机车、客车、货车的车体设计。本标准规定的设计载荷工况涵盖车体静载荷工况、接口处的静态验证载荷工况、车体一般疲劳载荷工况、接口处的疲劳载荷工况和振动模态。相较于TB/T 2541-2010，本标准新增了很多内容。本标准与TB/T 2541-2010 相比，除了工况有差异外，最重要的是垂直载荷试验的评定准则不同，TB/T 2541-2010 更苛刻。此外，对于刚度的评定，TB/T 2541-2010 采用挠度评定，而GB/T 33194-2016 则采用车体一阶垂向弯曲自振频率评定。由于GB/T 33194-2016 有关机车车体、客车车体和货车车体的规定与TB/T 2541-2010 和TB/T 1335-1996 存 在 较 大 冲 突，因此实际上并没有得以采用。

1.11 TB/T 3548—2019 标准

TB/T 3548《机车车辆强度设计及试验鉴定规范总则》是机车车辆强度设计及试验鉴定规范系列标准之一。本系列标准结构如下：

资源库元数据管理系统功能架构如下图2所示，系统提供元数据采集入库、元数据存储维护、元数据查询访问等元数据管理功能。

（1）TB/T 3548《机车车辆强度设计及试验鉴定规范 总则》。

（2）TB/T 3549《机车车辆强度设计及试验鉴定规范 转向架》。

（3）TB/T 3550《机车车辆强度设计及试验鉴定规范 车体》。

而TB/T 3550《机车车辆强度设计及试验鉴定规范 车体》又分为以下4 个部分：

第1 部分：客车车体；

第2 部分：货车车体；

第3 部分：机车车体；

第4 部分：动车组车体。

TB/T 3548-2019［23］规 定 了 机 车 车 辆 强 度 设计及试验的术语和定义、坐标系和单位制、分类、结构强度要求、材料特性、验证程序和测试仪器设备及测点布置。制定本标准的目的主要是规范机车车辆强度设计及试验鉴定的通用要求，针对车体部件，则直接指向具体的车体标准。TB/T 3548-2019 标准中有关机车车体强度的主要内容见表8。从表8 中可以看出，TB/T 3548-2019 除了引用机车对应的车体强度标准（TB/T 2541），还规定了线路动强度试验、设计寿命、车体设备连接装置超常载荷工况和运营载荷工况。

表8 TB/T 3548—2019 标准中有关机车车体强度的主要内容

2 总结与展望

从20 世纪80 年代以来，我国发布了一系列与机车车体强度相关的标准，包括整车通用技术条件、整车组装后的检查与试验规则、车体技术条件、司机室特殊安全规则、车体静强度试验方法和整车强度设计及试验鉴定规范等标准。在各标准的制定过程中，先后参照了UIC 617-5-1977、

UIC 625-7-1966、UIC 566-2006、EN 12663：2000、EN 12663-1：2010 等国际国外标准。通过对我国历年发布标准的梳理分析，发现存在以下主要问题：

（1）我国机车车体强度标准制定得较晚，导致早期制定整车通用技术条件和车体技术条件时无车体强度标准可引用，从而出现了在这些标准中直接规定车体强度要求的现象。而这些标准中仅规定了最基本的载荷工况，并不全面。

（2）内燃机车和电力机车车体强度要求本应相同，而我国发布的无论是整车通用技术条件，还是车体技术条件，在载荷工况、评定准则方面对两者的要求存在差异，不尽相同。

（3）GB 3314-82、GB 3317-82、GB/T 3314-2006 标准中错误地将对设备连接装置的强度要求用于设备本身。

（4）GB 3318-82、GB/T 3315-2006、GB/T 3318-2006 虽然规定了要进行动强度试验，但未规定试验方法，标准可操作性不强。

（5）GB/T 3318-2006 引 用TB/T 2541 没 有 考虑GB/T 3318-2006 与GB/T 3317-2006 的协调性。

（6）TB/T 2541-1995 和TB/T 2541-2010 为车体静强度方面的标准，仅规定了机车车体静强度要求、试验方法和评定准则等内容，无法单独支撑起机车车体强度设计及试验鉴定。

（7）GB/T 25334.1-2010 和GB/T 25334.2-2010 虽然规定了疲劳强度要求，但未规定具体的疲劳载荷工况，标准可执行性不强。

（8）GB/T 33194-2016 中有关机车车体、客车车体和货车车体的规定与TB/T 2541-2010 和TB/T 1335-1996 存在较大冲突。

（9）机车行业已习惯于在各类技术条件中规定具体的车体强度要求，即使在TB/T 2541 发布实施后，甚至是近几年，这种现象依然存在，并没有得到改观。

（10）TB/T 3548-2019 规定机车车体结构应符合TB/T 2541 的要求。即使TB/T 3548-2019 与TB/T 2541 组合应用，由于缺少具体的车体疲劳载荷工况、疲劳强度评定准则等内容，也无法完全支撑起机车车体强度设计及试验鉴定。

虽然存在以上问题，不可否认，经过一代又一代机车人的共同努力，机车车体强度标准取得了长足的进步，成绩有目共睹。尽管如此，但距标准完善还有一定差距，今后还需要对TB/T 2541 进行进一步修订，标准范围应包括机车车体结构和各种连接装置，内容应涵盖静载荷工况、疲劳载荷工况、振动模态及其试验方法、评定准则等内容。待TB/T 2541 修订完善后，今后在制修订整车通用技术条件、车体技术条件等标准时，有关机车车体强度方面的要求可直接引用TB/T 2541，从而彻底避免各标准间出现载荷工况、评定准则不协调的现象。

3 结束语

机车车体强度标准是指导机车车体强度设计的基础类标准。虽然经过几代机车人的共同努力，制定了一系列标准，标准内容也日趋完善，但还存在标准间不协调，各自为政的现象。因此，机车行业应该以机车车辆强度设计及试验鉴定规范标准框架体系的建立为契机，协调各方，消除分歧，统一意见，对机车车体强度标准进行进一步修订完善，为今后制定各类技术条件时直接引用车体强度标准打下基础。