铁路客车车体外观质量提升研究

铁路客车车体外观质量提升研究

闫春江1，赵文龙1，牛明浩2

1中车唐山机车车辆有限公司、河北 唐山 063300

2中国铁路北京局集团有限公司 北京 100000

摘要：通过对客车制造及服役现状进行分析，分析查找车体外观不平原因。通过焊接残余应力测试、焊接工艺、车体结构、仿真分析等多方面对车体车顶外观质量平整度技术研究，达到明显提升车体外观平整度解决车顶凹坑等外观质量问题的目的，并将其固化形成一整套完整的车体技术资料，拓展应用到现有客车车体领域。

关键词：外观质量  焊接残余应力  焊接工艺  仿真分析

1.引言

在近期的客车检查过程中，客车车体车顶部位存在明显的凹坑。车体不平度具体位置及数据为：车顶侧顶部位容易出现下榻，尤其是通风器附近。调修后容易出现小鼓包，实测6-8mm/m；外端顶部位实测3-10mm/m，急需提升碳钢车外观质量。

近几年，随着发展中国家铁路基础设施建设和客运业务的迅速发展，碳钢车需求也日趋旺盛，国内专家学者也对车体外观质量提升进行了研究，主要有焊接工艺、车体材料及结构，表面处理工艺、涂装工艺等多方面的改进及提升[1-4]。

车体的平整度外观质量历年来为各制造企业重点关注的问题，因为车体外观质量的好坏代表整体制造水平的高低。本文以客车车体结构为基础，对各主机厂制造工艺进行调研及差异对比分析，并对车体大部件进行结构深度统型；通过对客车制造及服役现状进行分析，确定影响车体外观质量及结构性能的主要影响因素，采用优化制造工艺、结构仿真分析等方法，制定车体结构设计及制造工艺提升技术方案。

2.现有客车车体结构及外观现状

2.1车体结构介绍

车体结构采用筒形整体承载结构，由底架、端墙、侧墙、车顶等大部件组成。

材质采用高耐候钢，提升车体防腐性能。

图2-1  车体钢结构组成

侧墙、端墙主要由梁柱、墙板及附件等组成，梁柱为乙型断面，立面开减重孔。车顶弯梁与侧柱交圈设计，车顶不设雨檐（侧门上方设置雨檐）。底架钢结构主要由牵枕缓、横梁、侧梁、地板等组成。

2.2外观质量现状

客车车体阶段累计测量了6辆车平面度数据，侧墙部位共采集测量点980个，平面度平均值为1.16mm/m，整体合格率约79.28%。端墙部位共采集测量点51个，平面度平均值为1.90mm/m，整体合格率约62.75%。车顶部位未采集数据。车体不平度具体位置及数据为：车顶侧顶部位容易出现下榻，尤其是通风器附近。调修后容易出现小鼓包，实测6-8mm/m；外端顶部位实测3-10mm/m，

平面度超差部位主要集中在控制车司机室与侧墙接口位置附近（图2-6），司机室与底架接口位置附近（图2-7），侧墙与端墙接口位置上部（图2-8），侧墙下部靠近边梁位置（图2-9），侧墙弧面位置（图2-10），车顶位置（图2-11）等。

图2-6 控制车司机室与侧墙接口位置图  图2-7 司机室与底架接口位置  图2-8 侧墙与端墙接口位置

图2-9 侧墙下部靠近边梁位置     图2-10 侧墙鼓形弧面位置       图2-11 车顶侧顶位置

3.车体外观质量提升研究

通过对客车车体制造及服役现状进行调查分析，采用优化设计结构以及制造工艺、结构仿真分析等方法，制定车体结构优化设计技术方案。

3.1车体统型

3.1.1车顶部件统型

车顶统型：对车顶总量数量由11根增加到13根，并对车顶骨架弯梁局部跨距较大位置进行了优化，增加了非窗口区域的弯梁密度，弯梁之间最大跨距由原来的730mm调整为690mm。

3.1.2侧墙深度统型

根据生产制造经验以及前期研究数据对侧墙局部增加垂向支撑角铁、侧墙板圆弧角处增加纵向梁、侧门框旁增加了1根支撑立柱、窗下端单立柱统一成双立柱支撑结构、根据不同的墙板拼接工艺确定了两种侧墙纵向梁布置方案，窗间连接梁形式和定位不同。

3.2统型车体结构仿真分析验证

3.2.1车体有限元模型

为了计算的准确性，模型构成以任意四节点薄壳单元为主，三节点薄壳单元为辅，主要 设备用质量单元模拟并悬挂于相应的车体位置。整体车体有限元模 型中单元总数为 1379116，结点总数为 1277981，钢结构模型重为 16.069 t，图 2-1 给出了车体的有限元模型。

图3-63整体视图

3.2.2静强度载荷工况及位移约束

根据计算任务书，按 TB T3550.1-2019 确定本次计算工况共 19 个。

3.2.3评定标准

不同计算工况作用下车体部件的强度评定要求见表 3-13。材料 Q235B 许用应力依据标准 GB/T 700-2006，材料 Q355NE 许用应力依据标准 GB/T 1591-2018，材 料 Q350EWR1、Q350EWL1、Q450NQR1 许用应力依据标准 TB/T 1979-2014。

根据 TB/T3550.1-2019 标准，给出垂向相当弯曲刚度的计算公式：

式中：

EJ ——垂向相当弯曲刚度,单位为牛二次方米( N•m2 );

W ——垂向均布试验载荷下单位长度载荷,单位为牛每米( N/m );

L11 ——一位端底架悬臂部分长度,单位为米( m );

L12 ——二位端底架悬臂部分长度,单位为米( m );

L2 ——车辆定距,单位为米( m ) ;

f——垂向均布试验载荷下中梁或侧梁相应的挠度,单位为米(m)。

车体相当扭转刚度的计算公式：

式中：

——车体相对扭转角，单位为弧度(rad);

1——枕梁一位挠度测点垂向位移值,单位为毫米(mm);

2——枕梁二位挠度测点垂向位移值,单位为毫米(mm);

3——枕梁三位挠度测点垂向位移值,单位为毫米(mm);

4——枕梁四位挠度测点垂向位移值,单位为毫米(mm);

b2——同一枕梁两挠度测点间距离,单位为毫米(mm)；

GJ ——相当扭转刚度,单位为牛二次方米每弧度( N·m2/ rad );

L ——相对扭转截面间距离,单位为米( m )。

根据 TB/T 1335-1996 标准，在垂向载荷工况作用下，整体承载的车体相当弯曲刚度 EJ 不 小于 1.8×109 N·m2，在扭转载荷工况作用下，整体承载的车体相当扭转刚度 GJ 不小于 5.5×108 N·m2/rad。

3.2.4计算结果

3.2.4.1刚度计算结果

在计算工况 2 作用下，车体及底架边梁垂向位移云图见图 3-64。车体底架边梁中央位置 垂向静挠度值为 4.658mm，带入公式(3-1)，得到车体相当弯曲刚度为 4.891×109 N·m

图3-64 垂向载荷工况作用下车体位移云图

在扭转载荷工况作用下，车体枕梁端部支撑点垂向位移云图见图3-65。车体枕梁端部四 个支撑点的相对扭转角为1.1584×10-4rad，将其代入式（3-3），得到车体相当扭转刚度GJ=6.2155×109N·m2/rad。

图 3-65扭转载荷工况下车体枕梁端部四个支撑点垂向位移云图

3.2.4.2静强度计算结果

在19 个静强度载荷工况作用下，车体各部件的Von. Mises应力均小于它们的许用应力， 且车体结构静强度计算结果的最小安全系数为1.00。车体的Von.Mises应力的计算结果如表3-14 所示。

表3-14车体静强度计算结果汇总表

3.2.4.3结论

（1）在垂向静载荷工况作用下，车体底架边梁中央位置垂向静挠度值为4.658mm，车体相当弯曲刚度EJ=4.891×109N·m2，大于相关规范中规定的1.8×109N·m2；在扭转载荷40KN·m 作用下，车体等效扭转刚度GJ=6.2155×109N·m2/rad，大于相关规范中的推荐最小值5.5×108N·m2/rad；

（2）在19 个工况作用下，车体的Von.Mises应力的计算结果如表5-1 所示，评估位 置屈服强度与其Von.Mises应力的比值定义为安全系

数，各评估点的安全系数均≥1.0，车 体各部件静强度计算结果均合格。

3.3.统型车体平面度检测

车体从设计结构、生产工艺、涂装等方面均进行了大量优化和提升，车体的平面度已能满足GB/T12817《铁路客车通用技术条件》标准要求。

以侧墙为例，图4-1为侧墙优化前外观质量测量结果，图4-2为侧墙优化后外观质量测量结果，车体平面度有了很大提升。

图4-1 侧墙统型前外观质量测量结果

图4-2侧墙统型后外观质量测量结果

4.结论

车顶统型：对车顶总量数量由11根增加到13根，并对车顶骨架弯梁局部跨距较大位置进行了优化，增加了非窗口区域的弯梁密度，弯梁之间最大跨距由原来的730mm调整为690mm。

侧墙统型：侧墙局部增加垂向支撑角铁、侧墙板圆弧角处增加纵向梁、侧门框旁增加了1根支撑立柱、窗下端单立柱统一成双立柱支撑结构、根据不同的墙板拼接工艺确定了两种侧墙纵向梁布置方案，窗间连接梁形式和定位不同。

车体统型结构仿真分析计算结果表明车体结构弯曲刚度和扭转刚度满足标准要求，且各评估点的安全系数均≥1.0，车体各部件静强度计算结果均合格。

车体从设计结构、生产工艺、涂装和质量管控等方面均进行了大量优化和提升，车体的平面度满足GB/T12817《铁路客车通用技术条件》标准要求，提高了车体外观质量。

参考文献：

[1] 戴惠新等.城轨车辆提升外观质量的研究[C].第14届环保车用涂料与涂装技术研讨会，2016.7

[2]刘海全.不锈钢地铁车体外观质量提升工艺[J].机车车辆工艺，2017.4

[3]林红等.新型碳钢车体结构研究简析[J].中国机械，2020.7

[4]范钦磊.某铁路客车侧墙结构平面度提升研究[J].科学与信息化，2019.10