第八章车辆结构强度设计与分析

第八章车辆结构强度设计与分析第一页，共四十三页，2022年，8月28日概述

结构强度是车辆实现运行高速、安全、耐久和可靠的保障

车辆强度设计与分析内容：1.分析与确定结构在运用中所受到的各种载荷及其组合作用。2.采用有效的技术对给定结构进行强度设计与分析。3.确定结构在满足车辆运输安全及耐久性的要求下，对结构

强度进行评估的方法。第二页，共四十三页，2022年，8月28日第一节车辆强度设计内涵及其技术进展机械强度安全理论及其进展静强度破坏发展材料强度理论，得出材料力学、弹性力学、塑性力学等。强度理论特点：（1）承受静载荷作用；（2）材料性能均匀、各向同性、连续的；安全系数考虑结构所用材料可能存在缺陷和其它不确定因素时，保证机械零件有足够的安全储备量。设计准则最大工作载荷下的工作应力不超过制造零构件的极限应力。取值n=1~10。一、车辆强度设计的内涵第三页，共四十三页，2022年，8月28日传统的强度理论不适用于含裂纹和缺陷材料及复合材料的零构件；不适用于循环随机载荷作用下的结构。机械史表明：工程中绝大多数机械是在动载荷作用下工作的，疲劳破坏普遍存在于各种机械中。现代机械强度理论除传统弹塑性理论，发展应用动强度理论、疲劳与断裂理论以及材料非线性、几何非线性和接触非线性理论。第一节车辆强度设计内涵及其技术进展一、车辆强度设计的内涵第四页，共四十三页，2022年，8月28日2.轨道车辆结构强度分析内涵功能要求（1）承受使用期间可能出现的各种载荷与变形，并具有良好的工作性能。（2）在正常维修和保养条件下，具有足够的使用耐久性。（3）在偶然事件发生时（如脱轨、撞击等），能保持必须的整体结构稳定性。三点概括：“工作适应性、使用耐久性和事故安全性”。总体来说，轨道车辆的安全性主要体现性能安全和结构安全。结构安全依靠强度设计保证。第一节车辆强度设计内涵及其技术进展一、车辆强度设计的内涵第五页，共四十三页，2022年，8月28日轨道车辆结构强度问题：1）结构静力破坏。2）疲劳失效3）结构动态特性设计不良引起的共振。4）意外事故引发的结构失效。

四个方面构成了现代轨道车辆强度设计所需的四种类型①静强度（刚度）分析②疲劳强度分析③模态分析④耐撞击安全防护设计与分析第一节车辆强度设计内涵及其技术进展一、车辆强度设计的内涵第六页，共四十三页，2022年，8月28日轨道车辆结构分析技术经历了一个随着结构设计技术不断发展的历程。传统的工程结构分析在材料力学和结构力学基础发展。近三十年，结构有限元分析。近些年，非线性有限元突破性进展，几何非线性有限元为薄壳结构的大位移小应变问题和橡胶类材料的大应变问题探索了解决方法。材料非线性问题，结构低周疲劳和蠕变问题有限元，在高温状态，结构的疲劳寿命估算。有限元软件美国国家航空与宇航局研制NASTRAN软件美国Swanson公司开发的ANSYS软件以及ABAQUS、

LS-DINA等软件。第一节车辆强度设计内涵及其技术进展二、轨道车辆结构设计与分析技术的进展第七页，共四十三页，2022年，8月28日第二节轨道车辆工作载荷载荷参考我国《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》。1.垂直载荷1）车体自重车体结构的重量，及安装于车体上其它零件、部件和固定设备重量。2）车辆载重对客车，乘员及行李重量；对货车，货物重量。在评定车体强度时，旅客列车载重按乘客重量计算，载客人数按座席数，在考虑站立人数。货车载重按标记载重，沿地板面积均布。一、作用在车体上的载荷（一）铁道与城市轨道车辆的车体载荷第八页，共四十三页，2022年，8月28日铁路客车载重

旅客、乘务人员的重量等，旅客及行李重量按车辆容纳人数算。铁道车辆强度规范规定，座车容纳人数分两种考虑：长途客车，按座位总数+50%超员计算，每一旅客及行李质量之和取80kg。市郊客车，按座位总数加站立人数计算，站立人数=7人/平方米，每一旅客及行李质量之和取65kg。卧车容纳人数按卧铺总数计算，每一旅客及行李质量之和取90kg。第二节轨道车辆工作载荷一、作用在车体上的载荷（一）铁道与城市轨道车辆的车体载荷第九页，共四十三页，2022年，8月28日城市轨道车辆一般额定站立人数按每平方米地板自由面积站立6人计，超员定额可按9人/m2计算，人均质量计为60kg。第二节轨道车辆工作载荷一、作用在车体上的载荷（一）铁道与城市轨道车辆的车体载荷第十页，共四十三页，2022年，8月28日3）客车整备重量指设备的辅助重量。内燃动车组燃油，客车用水以及餐车的餐料和食品等重量。

第二节轨道车辆工作载荷一、作用在车体上的载荷（一）铁道与城市轨道车辆的车体载荷2.垂直动载荷垂直动载荷Pd垂直静载荷乘以动载荷系数，即Pd=KdyPst。垂直动载荷系数Kdy

与车辆运行速度，走行装置悬挂的景挠度有关。第十一页，共四十三页，2022年，8月28日fst—车辆在垂直静载荷下的弹簧静挠度；v—车辆的构造速度；a—系数，簧上部分（包括摇枕）取值为1.50，簧下部分（轮对除外）取值为3.50；b—系数，取值为0.05；c—系数，簧上部分（包括摇枕）取值为0.427，簧下部分（轮对除外）取值为0.569；d—系数，货车取值为1.65，客车取值为3.0。第二节轨道车辆工作载荷一、作用在车体上的载荷（一）铁道与城市轨道车辆的车体载荷第十二页，共四十三页，2022年，8月28日3.纵向力当列车起动、变速、制动和调车作业时，在机车与车辆之间以及车辆与车辆之间所产生的牵引或压缩冲击力。纵向力大小

与机车的功率、列车重量、运行速度、制动机性能、缓冲器特性、车体的纵向刚度、调车时车辆的碰撞速度以及司机的操纵技术等因素有关。按《铁道车辆强度规范》规定考虑两种工况及其组合：第二节轨道车辆工作载荷一、作用在车体上的载荷（一）铁道与城市轨道车辆的车体载荷第十三页，共四十三页，2022年，8月28日1）第一工况

指列车在以较高速度运行中变速或制动时的情况。

车体受力特点是垂直动载荷大而纵向力相对于第二工况小。对于客车，纵向拉伸力为980kN，压缩力为1180kN；对于货车，纵向拉伸力为1125kN，压缩力为1400kN。该力沿自动车钩中心线作用在车体架的前从板座或后从板座上。

该纵向力在车体中所产生的应力必须与垂直静载荷、垂直动载荷、侧向力以及扭转载荷产生的应力相叠加，其和不得大于第一工况的许用应力。第二节轨道车辆工作载荷一、作用在车体上的载荷（一）铁道与城市轨道车辆的车体载荷第十四页，共四十三页，2022年，8月28日2）第二工况指货车载调车作业时的情况。车体受力特点是垂直动载荷小，而纵向力却很大。此时规定：纵向压缩力为2250kN。该力有两种作用方式，一是沿车钩中心线作用于底架两端的后从板座上（即两端对压）；另一是沿车钩中心线作用于底架一端的后从板座上，而为车辆及其所载货物的纵向惯性力Ng所平衡（即单端冲击）Ng是由车体自重产生的惯性力N1，转向架重量所产生的惯性力N2，以及车辆所载货惯性力N3三部分组成。即第二节轨道车辆工作载荷一、作用在车体上的载荷（一）铁道与城市轨道车辆的车体载荷第十五页，共四十三页，2022年，8月28日其合力作用在重在车辆的重心上。由这两种作用方式所产生的应力分别与垂直静载荷产生的应力相叠加，其和不得大于第二工况的许用应力。第二节轨道车辆工作载荷一、作用在车体上的载荷（一）铁道与城市轨道车辆的车体载荷第十六页，共四十三页，2022年，8月28日4.侧向力包括风力和曲线运行时的离心力。风力按风压力乘以车体侧向投影面积计算。风压力取0.55kN/m2，风力合力作用在车体侧向投影面积的形心上。车辆运行在曲线区段时，受到离心力的作用。该力作用在车辆重心上，其方向沿径向指向曲线外侧，图8—1所示。第二节轨道车辆工作载荷一、作用在车体上的载荷（一）铁道与城市轨道车辆的车体载荷第十七页，共四十三页，2022年，8月28日车体离心力H1，第二节轨道车辆工作载荷一、作用在车体上的载荷（一）铁道与城市轨道车辆的车体载荷外轨超高，使车辆内倾，车体垂直静载荷Pst产生一分力H2，考虑外轨超高后，在曲线区段车体仍承受着未抵消的离心力作用。把H1、H2力沿垂直于车体壁方向投影，其两者之差为，由于角度很小，所以第十八页，共四十三页，2022年，8月28日根据我国目前的车辆运行速度和曲线区段的外轨超高情况，上述H力的数值可取垂直载荷的7.5%，即

H=0.075Pst为了简化计算，按《铁道车辆强度规范》通常在评定车体侧壁（包括下侧梁）的强度时，把由垂直静载荷Pst产生的应增大10%，作为考虑侧向力的影响。第二节轨道车辆工作载荷一、作用在车体上的载荷（一）铁道与城市轨道车辆的车体载荷

第十九页，共四十三页，2022年，8月28日5.扭转载荷当轨道车辆通过线路的缓和曲线区段，在前位转向架已进入缓和曲线而后位转向架处于平直道上时，这时前位转向架的外侧下旁承与车体相应的上旁承接触，并造成后位转向架的内侧下旁承与车体相应的上旁承接触。（图解）这样在垂直载荷作用下，车体除了支承在前后转向架的两个心盘上外，还支承在处于对角线上的旁承上。图解计算车体强度时，取40kNm，它们作用在车辆两个枕梁所在的横截面内。第二节轨道车辆工作载荷一、作用在车体上的载荷（一）铁道与城市轨道车辆的车体载荷第二十页，共四十三页，2022年，8月28日构架是轨道车辆走行机构（转向架）最主要承载构件，转向架的载荷主要以构架为主。1.垂直静载荷1）垂直静载荷计算方法轮轨车辆转向架的垂直静载荷Pst数值采用两种方法计算。①根据车体实际重量计算

“自上而下”的计算方法按此方法所得的心盘载荷来设计转向架，可以使各零、部件具有合理的结构强度和自重。缺乏通用性，只适应专用型车②根据最大允许轴重计算

“自上而下”的计算方法作用在转向架心盘上的垂直静载荷Pst是按照该转向架所用轮对压在钢轨上的允许轴重考虑。应用于各型车辆。第二节轨道车辆工作载荷二、作用在轨道车辆走行机构上的载荷（一）轨道车辆的转向架的基本载荷第二十一页，共四十三页，2022年，8月28日2）垂直动载荷计算方法作用在转向架零、部件上的垂直动载荷Pst是由于车辆运行中轮轨之间的冲击和簧上振动所引起的，按照《铁道车辆强度规范》中方法计算，即第二节轨道车辆工作载荷二、作用在轨道车辆走行机构上的载荷（一）轨道车辆的转向架的基本载荷

对于具有二系弹簧装置的装箱架，其构架等零、部件处于摇枕弹簧和轴箱弹簧之间，它既不属于簧上部的零件，也不属于簧下部的零件，其Kdy需根据摇枕及轴箱弹簧的静挠度采用线性插值法，

第二十二页，共四十三页，2022年，8月28日第二节轨道车辆工作载荷式中Kdyx、Kdys——分别为簧下部分和簧上部分零件的垂直动载荷系数。可按式（8-1）计算。fst2、fst1——分别为摇枕弹簧和轴箱弹簧的静挠度（cm）。二、作用在轨道车辆走行机构上的载荷（一）轨道车辆的转向架的基本载荷第二十三页，共四十三页，2022年，8月28日2.纵向力引起的附加垂直载荷第二节轨道车辆工作载荷二、作用在轨道车辆走行机构上的载荷（一）轨道车辆的转向架的基本载荷

车体承受的纵向力在第二工况中的第二种作用方式（单端冲击情况）引起转向架的受力，如图8—2所示。车体承受的纵向力有两种工况，其中第一工况及第二工况中的第一种作用方式规定在底架两端承受对拉或对压的纵向力。作用在车体上的这种纵向力并不引起转向架的受力。第二十四页，共四十三页，2022年，8月28日作用在车体上的这种纵向力将引起转向架的附加载荷。图中Pc为转向架对车体的垂直反力，其反方向即为纵向力引起的作用在转向架心盘上的附加垂直载荷。前位转向架增载，后位转向架减载。纵向力引起转向架心盘上的附加垂直载荷Pc，按下式计算，第二节轨道车辆工作载荷二、作用在轨道车辆走行机构上的载荷（一）轨道车辆的转向架的基本载荷第二十五页，共四十三页，2022年，8月28日式中h1——重载车体的重心至自动车钩中心线的垂直距离（m）；h2——自动车钩中心线与心盘面之间的距离（m）；L——车辆定距，即两心盘中心之间的距离（m）；N1、N2、N3——分别为车体自重、转向架自重以及车辆所在货物所产生的惯性力。注意：附加垂直载荷Pc是发生在调车作业时，它引起转向架构件的应力不应与垂直动载荷所引起的应力相叠加。调车时一般不载客，故N3=0第二节轨道车辆工作载荷二、作用在轨道车辆走行机构上的载荷（一）轨道车辆的转向架的基本载荷第二十六页，共四十三页，2022年，8月28日3.动车转向架的牵引力1）牵引力的产生与传递牵引力是使列车进行的动力，大小可由司机根据需要控制。城市轨道车辆由电网受电，牵引电机产生电磁力矩，该力矩经传动装置放大传递到轮对上，再通过轮轨间的黏着作用产生使车轮向前的滚动外力——牵引力。一般传动装置中的主动齿轮与牵引电机同轴，从动齿轮与车轴同轴，主、从动齿轮彼此相互啮合。当牵引电机受电产生电磁力矩Md时，即主动齿轮轴上产生力矩Md=P1·（d/2）,传递到从动齿轮轴上的力矩Mk=P1(D/2)。第二节轨道车辆工作载荷二、作用在轨道车辆走行机构上的载荷（一）轨道车辆的转向架的基本载荷第二十七页，共四十三页，2022年，8月28日作用在轮对上使车轮沿钢轨运动的力矩（见图8—3）。第二节轨道车辆工作载荷二、作用在轨道车辆走行机构上的载荷（一）轨道车辆的转向架的基本载荷作用在轮对上的力矩Mk可以用一对力偶来代替，F1作用在轮轨接触点上，作用在轴箱上。式中Mk——轮对所受的力矩；Md——牵引电机的转矩；d、D——主从动齿轮的分度圆直径；P1——齿轮啮合点的推力；μ—齿轮传动比。第二十八页，共四十三页，2022年，8月28日粘着力F2

由于轮对在重力作用下，轮轨间形成“黏着”状态，产生了一个与F1大小相等、方向相反的反作用力。每个轮对产生牵引力第二节轨道车辆工作载荷二、作用在轨道车辆走行机构上的载荷（一）轨道车辆的转向架的基本载荷全列车的牵引力为K—全列车动轮对数四种牵引力牵引电机牵引力、黏着牵引力、指示牵引力、轮周牵引力。在Mk和轮轨间“黏着”状态共同作用下，产生牵引力第二十九页，共四十三页，2022年，8月28日几种牵引力

牵引电动机牵引力按牵引电机容量所得到的牵引力。黏着牵引力受黏着条件限制而能得到的牵引力。指示牵引力动轮转动一周所作的功等于牵引电机轴上的机械公的条件下，计算得到的牵引力。即不计传动装置损失。轮周牵引力在动轮转动一周内所作的功等于牵引电机轴上的机械功减去动轮同一周内传动装置的阻力功的条件下，所得到的牵引力。显然轮周牵引力等于指示牵引力与传动装置效率的乘积。第二节轨道车辆工作载荷二、作用在轨道车辆走行机构上的载荷（一）轨道车辆的转向架的基本载荷

第三十页，共四十三页，2022年，8月28日2）黏着力及黏着系数牵引力受粘着力限制，即而物体间最大粘着力由正压力和黏着系数决定，即第二节轨道车辆工作载荷二、作用在轨道车辆走行机构上的载荷（一）轨道车辆的转向架的基本载荷影响黏着系数的主要因素：轮、轨的材料，列车速度，轮轨接触面的状态，牵引力和轴重的分配情况等。黏着系数的经验公式

F2max——在一定黏着条件下的最大黏着力；

φk

——黏着系数。第三十一页，共四十三页，2022年，8月28日当车速v=0~45km/h，弯道半径R>450m时，有第二节轨道车辆工作载荷二、作用在轨道车辆走行机构上的载荷（一）轨道车辆的转向架的基本载荷当车速不变，而弯道半径R<350~300m时，有当车速v>45km/h，弯道半径R>450m时，有第三十二页，共四十三页，2022年，8月28日空转现象由于某种原因，使得轮轨间的黏着系数下降，最大黏着力减小，导致一定电机转矩下的时，轮轨接触点的作用力不能平衡，车轮开始沿钢轨向后滑动，在Fk的作用下车轮又再向前滚动，这就使车轮连续或断续地在钢轨上原地滚动一空转现象。空转危险性不能充分发挥牵引力，晚点，电机环火，钢轨报废，车轮踏面擦伤。措施保持轨面清洁，除去轨面杂物，在轨面撒砂。第二节轨道车辆工作载荷二、作用在轨道车辆走行机构上的载荷（一）轨道车辆的转向架的基本载荷第三十三页，共四十三页，2022年，8月28日4.侧向力引起的附加垂直载荷列车通过曲线时，在离心力以及风力的作用下，车体将产生微量倾斜，车体靠近曲线外侧的上旁承与转向架上同一侧的下旁承接触，这样就会引起转向架的附加垂直载荷。如图8—5表示车辆受侧向力的情况。第二节轨道车辆工作载荷二、作用在轨道车辆走行机构上的载荷（一）轨道车辆的转向架的基本载荷图中Hk表示作用在车体上的侧向力（风力与离心力之和）；2Hz表示两台转向架的离心力。第三十四页，共四十三页，2022年，8月28日假定车体在侧向力作用下不发生倾斜，先研究1）车辆内、外侧轴箱的附加垂直载荷取车体连同中央弹簧装置以及构架（或侧架）、轴箱为分离体，如图8—5所示。每一个轴箱的垂直反力为Pf，根据平衡条件，得第二节轨道车辆工作载荷二、作用在轨道车辆走行机构上的载荷（一）轨道车辆的转向架的基本载荷第三十五页，共四十三页，2022年，8月28日式中h——车体侧向力至车轴中心线所在水平面之间的垂直距离（m）；2b2——轮对两轴颈中心线间的水平距离（m）；m0——车辆一侧轴箱数（即车辆的轴数）。第二节轨道车辆工作载荷二、作用在轨道车辆走行机构上的载荷（一）轨道车辆的转向架的基本载荷第三十六页，共四十三页，2022年，8月28日2）构架受力构架在侧向力引起的附加垂直载荷作用下的受力情况如图8—6所示。与垂直静载荷下的受力不同，处于曲线外侧的四个轴箱弹簧对构架的作用力向上，而内侧的则向下，每一弹簧作用力的数值等于Pf/2。第二节轨道车辆工作载荷二、作用在轨道车辆走行机构上的载荷（一）轨道车辆的转向架的基本载荷轴箱弹簧对构架的作用力系由作用在瑶台吊杆销孔处的Pn力系平衡，得式中—t为瑶动台吊杆销孔间的横向水平距离，t=2b2，为中心悬挂转向架的结构情况。第三十七页，共四十三页，2022年，8月28日5.侧向力及轮轨间作用力所引起的水平载荷侧向力引起的作用力在转向架上的水平载荷，不能简单地由静力学平衡求得，而须研究转向架在曲线所处的位置，以及轮轨间相互作用力的实际情况，才能正确地解决。第二节轨道车辆工作载荷二、作用在轨道车辆走行机构上的载荷（一）轨道车辆的转向架的基本载荷

第三十八页，共四十三页，2022年，8月28日6.垂直斜对称载荷垂直斜对称载荷是一组作用在构架轴箱部位的自相平衡的力系，此力系对于构架的纵向和横向中心平面均呈现反对称分布，如图8—7所示。造成构架4个轴箱反力不等的原因：1）由构架、轴箱弹簧、车轮直径、轴颈直径等制造误差以及线路不平顺和出入缓和曲线所造成各支承点的高度不等；2）由于轴箱弹簧刚度误差引起各支承点的刚度不等。第二节轨道车辆工作载荷二、作用在轨道车辆走行机构上的载荷（一）轨道车辆的转向架的基本载荷