浅谈碳钢车底架设计

浅谈碳钢车底架设计

陈树娟,王萌,许晓航,曹思农,朱名扬

天津中车唐车轨道车辆有限公司

摘要：根据对碳钢车底架设计和生产配合，浅谈车体钢结构中底架设计基本原则、应注意问题。

关键词：底架；牵引梁；缓冲梁；枕梁；刚度；强度；焊接

一、底架结构组成

底架钢结构分为两种：一种是有中梁结构，例如：行李车、邮政车、发电车都是有中梁结构；另一种是无中梁结构：例如普通的硬座、硬卧车等都是无中梁结构。除中梁以外，底架主要由牵引梁、枕梁、缓冲梁、侧梁、横梁、枕梁间的纵向金属波纹地板及枕外平地板组成。

1、牵引梁   自上心盘中心到缓冲梁间的中梁称为牵引梁。绝大多数车的牵引梁主要由两根槽钢及牵引梁下盖板组焊而成，为了符合在牵引梁腹板间安装车钩缓冲装置的尺寸要求，两槽钢腹板间距不同，两槽钢腹板是平行的，在内侧铆接有前后从板座、焊有磨耗板、防跳板及各种附件；安装密接式车钩时牵引梁端部增高且为喇叭口形式，铆接有车钩安装座。

2、缓冲梁   一般来说缓冲梁是由6mm钢板压制而成的“L”型断面，其面板形状与所用车钩缓冲有关系。在缓冲梁中部开有安装车钩用的缺口。

3、枕梁   通常枕梁由两重向腹板、下盖板和上盖板组焊而成的闭口箱形断面，枕梁靠近侧梁的端为小端，近牵引梁端为大端，它是一个近似等强度的鱼腹梁。在与牵引梁交叉处安装有心盘座，以提高该处的承载作用，提高枕梁与牵引梁的连接强度和刚度。条件允许的话在枕梁端部还焊有供顶车用的防滑垫板。

枕梁、缓冲梁与牵引梁组成的结构被称为牵枕缓结构，是底架中重要组件。牵引梁端部与缓冲梁的中间部分相互组焊，在缓冲梁与端梁间有两根断面为角形的纵向梁，以增加其连接刚度和强度，牵引梁另一端与枕梁连接。牵枕缓的结构根据车辆所使用的转向架的不同而相互区别。

4、侧梁   底架两侧有沿底架两端梁间全长纵向布置的两侧梁，其断面多为槽钢。在横向，底架的枕梁及全部横梁的端部都与侧梁焊接，金属地板也与侧梁的上翼缘表面搭接；侧墙的立柱、侧墙板分别焊在侧梁的上翼缘表面和腹板外表面上，所以侧梁是连接侧墙和底架的重要构件。

5、横梁及地板   在底架缓冲梁和枕梁之间、两枕梁之间都设置有较均布的横梁，一是保证底架有足够的强度和刚度，以承载作用在底架上面的各种载荷，二是成为平地板和纵向波纹地板的支撑，在纵向力作用下防止纵向波纹地板失稳。这些横梁的两端分别与下侧梁和牵引梁或是两端与下侧梁焊接，这样底架的牵枕缓、侧梁和横梁共同形成底架钢骨架，在钢骨架上面焊上金属地板，在缓冲梁与枕梁上盖板之间为平地板，两枕梁间为纵向波纹金属地板。

二、底架设计基本原则：

1、保证车体结构具有足够的强度和刚度：随着铁路运输速度的进一步提高，必须注意车体钢结构具有足够的强度和刚度，底架是重要部件，设计时要符合TB1335-1996《铁道车辆强度设计及实验鉴定规范》的要求以保证车辆运行中的安全性。

2、设计时保证符合车辆限界，如我国车辆设计时应符合机车车辆限界（GB146.1-83）。

3、保证安全和使用寿命的前提下，尽量减轻自重。

4、在设计时，满足使用的前提下尽量要注意产品的标准化、系列化和通用化，所选用的材料、其规格、牌号应力求简化和统一，尽量采用标准件和通用件，提高系列化和通用化程度，而且方便物资采购。

5、有良好的结构工艺性，其主要表现为：

1）尽量采用部件组装和焊接结构（少用铆接），以适应大批量生产，提高劳动生产力和减轻工人繁重劳动的要求，设计时要考虑组装时的工艺性，各个接合面之间要有“立足点”以便于控制公差。

2）在不影响结构强度、使用性能及美观的情况下，尽可能使所设计的结构几何形状简单、对称，以便于制造。

3）注意焊接形式，提高焊接质量：例如避免焊缝局部集中，两块厚板焊接须开坡口，焊接薄板时在保证焊缝强度和防止夹锈的前提下，尽量不采用满焊，满焊会使焊接变形增大；

4）考虑工艺装备的继承性，例如在车型不变又不影响强度的情况下，底架结构的各种主要梁断面、外形尺寸保持不变，这样就可以利用已有的胎膜进行生产，从而减少试制费用和周期。

5)在进行设计时，要与木结构、水汽、电器、转向架及制动各设计组相互配合，并为以上各部位的设计、组装和检修创造方便条件，同时克服产品的惯性质量问题，不断提高设计水平。

三、车体设计中应注意的主要问题：

1）防腐问题：钢结构的腐蚀直接影响车辆的维修费用和使用寿命，是车辆报废的主要原因之一。影响钢结构腐蚀的因素很多，除了钢材材质、除锈工艺、防锈涂料的质量，以及是否能正确使用和合理保养车辆等以外，结构设计是否合理（即是否有利于防腐和抵抗腐蚀）也是因素之一，因此，在设计中应注意以下方面：

a、6mm以下钢板及压型件采用耐候钢，型钢及>6mm的板材采用普通碳素钢，所用钢材具有良好的可焊性和耐腐蚀性。卫生间等易腐蚀部位铁地板采用不锈钢板。

b、搭接焊缝采用满焊以减少夹锈的可能。

c、车内易积水的处设计若干排水孔，如行李车拉门滑道处设计有排水孔。

2）、车体枕梁与转向架侧架（构架）之间的间隙问题：底架设计时，应考虑枕梁与转向架侧架（或构架）之间不但在车辆静止时须具有一定的垂直间隙，而且要保证车辆运行时两者也不会相碰，由于枕梁与侧架（或构架）之间安装有弹簧装置，随着车辆运行中弹簧的垂直振动、心盘的磨耗，枕梁与侧架（或构架）之间存在相对运动，故应核对间隙以确保行车安全，无论是在平直线路还是水平曲线上，上下车任何部位不得相碰，应满足空车状态（空气弹簧充气时）下，在转向架横梁以内范围上下车间间隙和转向架横梁以外范围的要求，主要表现在：

a、布置底架横纵梁时，要避免正对车轮，如不能避开，可考虑较小截面，如果不能避开，在横梁上局部开豁；

b、核对转向架与车体的横向移动量，在位移量最大时上下车不能相碰；

c、核对牵引梁变截面尺寸的起点，以避开制动梁与制动吊座。

3）、零件材料及断面的选择：

    a、保证构件在车辆运用过程中不发生断裂或产生过大的永久变形。所以应具备相当的强度、刚度和一定的腐蚀余量。一般采用钢板压型件，断面尺寸变化灵活，重量比型材轻。板厚增加，可提高构件的刚度和稳定性，但重量也成线性增加，所以仅靠增加板厚来提高刚度的做法不可取。一般提高梁柱的刚度可以通过提高断面高度的方法来实现。

b、选取板厚和断面尺寸时，一定要综合考虑，尤其是受压、受扭转载荷的杆件，如果板厚选择很薄，断面尺寸很大，就容易产生失稳变形，丧失承载能力。断面的形状应力求材料用得最少，而截面模量尽可能大，但同时也要考虑工艺性；板厚过薄，焊后也易产生较大的波浪变形，增加调修的工作量。梁柱的断面尺寸过小，也会产生较大的弯曲变形、扭曲变形等等。这样得从工艺上考虑要容易保证构件的平整度、直线度等。

四、设计程序一般分为以下步骤：

1、根据总体技术条件确定底架的外形尺寸；

2、根据车辆所使用的转向架确定枕梁结构；

3、根据车辆载重的要求，确定此车底架为有中梁结构；

4、根据车辆所使用的侧门形式、车钩缓冲装置设计缓冲梁结构；

5、根据总体车下布置确定横梁的截面尺寸和大概位置；

6、将初步排好的底架梁排发布给相关部位；

7、根据各部位的提单数据，设计出结构合理、操作方便的部位图和零件图；

8、核对各部位的部件及开孔是否干涉；

9、对图纸进行自我检查。

10、将图纸提交评审流程。

参考文献： 

1．铁道机车车辆科技手册编委会编.铁路机车车辆科技手册.北京：中国铁道出版社，2000.

    2．中国铁路机车车辆工业五十年编纂委员会.中国机车车辆工业五十年.北京：中国铁道出版社，1999.

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