铁路客车车体钢结构设计技术.pdf

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1、 客车设计部培训教材 KSJC02-01 1 铁路客车车体钢结构设计技术 铁路客车车体钢结构设计技术 作者 杜彦品 内容提要:本文叙述了铁路客车车体钢结构的特点及分类，重点介绍了 25 型客车碳钢车体钢结构的组成部分、结构 设计及主要技术要求，对铁路客车车体钢结构材料的选用及结构设计将有积极的帮助。 1 概述 1 概述 车体钢结构是铁路客车最基本的结构，为铁路客车走行部、制动装置、连接缓冲装置、车辆内部设 备以及内装提供了安装的空间和基础。新造 25 型客车车体钢结构为碳钢车体全钢焊接结构，由底架、 侧墙、车顶和端墙等四部分焊接而成，俗称薄壁筒形车体结构。目前我国的新造 25 型车有两种承载结

2、 构： 一种是无中梁薄壁筒型整体承载结构， 另一种是有中梁薄壁筒型整体承载结构 （如行李车和邮政车） 。 随着车辆的用途和生产工艺条件的不同，各种 25 型客车的结构不全相同，但其外形尺寸和结构形式则 基本一致。 2 车体结构的分类 2 车体结构的分类 车体结构按车体所用材料分为以下三种： 碳素结构钢车体我国新造 25 型客车车体； 不锈钢车体我公司正在研制的 200km/h 客车车体， CRH1“和谐号”动车组的车体; 铝合金车体部分地铁车体、CRH2、CRH3、CRH5“和谐号”动车组的车体。 3 车体钢结构组成 3 车体钢结构组成 车体钢结构按部位可分为四个大部件：底架钢结构、侧墙钢结构

3、、车顶钢结构、端墙钢结构。车钩 缓冲装置、风挡、脚蹬等安装在大部件上。现就 YZ25G(T)型硬座车（无中梁薄壁筒型整体承载结构） 和 XL25G 型行李车（有中梁薄壁筒型整体承载结构）来详细说明车体钢结构的构造和特点。YZ25G 硬座 车车体钢结构如图 1 所示。 4 底架钢结构 4.1 底架结构组成 4 底架钢结构 4.1 底架结构组成 底架钢结构由端牵枕、枕内横梁、枕外横梁、枕后纵向梁、侧梁、枕外铁地板和枕内波纹地板等 组成，如图 2 所示。 端牵枕分为端梁、牵引梁和枕梁，如图 3 所示。 4.2 底架结构设计 4.2.1 端梁 4.2 底架结构设计 4.2.1 端梁 端梁由 6mm 厚

4、钢板压制而成，断面为“ ” ，YZ25G 型硬座车端梁高 400mm 靠近侧梁处高 180mm，称 为“转角” 。在转角下翼面焊有 3mm 的围板，围板可以在端部遮挡脚蹬，起到美观的作用。在端梁中部 开有安装车钩用的缺口，宽度为 345mm，俗称 “钩门” 。YZ25T 型硬座车端梁高度为 458mm，钩门的宽 客车设计部培训教材 KSJC02-01 2 度尺寸为 790mm，端梁在钩门处与牵引梁相互组焊。 4.2.2 牵引梁 4.2.2 牵引梁 自枕梁到端梁间的中梁称为牵引梁， YZ25G 型硬座车牵引梁由两根 30b 型槽钢及牵引梁上下盖板组 焊而成。其上盖板厚 4mm，宽 464mm，下

5、盖板厚 8mm，宽 490mm。为了符合在牵引梁腹板间安装车钩和缓 冲器的尺寸要求，两槽钢腹板间距为 350mm，并将牵引梁靠近端梁的一端加高到 400。在牵引梁两槽钢 腹板内侧铆接有前后从板座、 焊有磨耗板和防跳板。 YZ25T 型硬座车牵引梁由两根 8mm 的钢板压制而成， 其上盖板厚 4mm，宽 524mm，下盖板厚 6mm，宽 560mm。为了符合在牵引梁腹板间安装车钩和缓冲器的尺 寸要求，两牵引梁腹板间距为 440mm，靠近端梁一端为喇叭状，间距为 790mm，高度为 458mm。在牵引 梁两腹板内侧铆接有车钩安装座。 4.2.3 枕梁 4.2.3 枕梁 YZ25G 型硬座车枕梁由厚

6、 8mm、间距为 350mm 的两重向腹板及厚 10mm、宽 600mm 的下盖板，厚 6mm、 宽 600mm 的上盖板组焊而成的闭口箱形断面“” ，枕梁近侧梁端为小端，近牵引梁端为大端，它是一 个近似的等强度鱼腹梁。在枕梁下盖板下面与牵引梁交叉处安装有心盘座，以提高该处的承载作用，提 高枕梁和牵引梁的连接强度和刚度。 在枕梁两端的上旁承安装处焊有上旁承加强板， 枕梁端部还焊有供 顶车用的顶车垫板。YZ25T 型硬座车枕梁腹板厚 8mm，间距为 424mm，下盖板厚 12mm，宽 600mm，上盖 板厚 6mm、宽 600mm。在枕梁两端焊有空气弹簧安装座，枕梁端部也焊有供顶车用的顶车垫板。

7、 4.2.4 地板梁 4.2.4 地板梁 枕内横梁位于两枕梁之间，横梁均布, 间距在 1m 以内，也可根据车下设备的位置进行调整。枕外 横梁位于端梁和枕梁间， 有 2 对， 断面为 “ ” ， 高 180mm、 厚 4mm （有集便器的为 6mm） ， 翼面宽 50mm; （有 集便器的为 60mm） 。 枕内外第一根横梁一般距枕中 17002000mm， 具体还要根据转向架所占据的空间而 定。这些横梁的两端分别与侧梁和牵引梁或是两端与侧梁焊接。这些横梁的作用：一是把牵引梁结构与 侧梁连接起来形成底架钢结构骨架， 从而保证底架有足够的强度和刚度， 以承受作用于底架上的各种载 荷;二是成为平地板

8、和波纹地板的支撑，在纵向力作用下防止波纹地板的失稳。 枕后纵向梁在枕内，靠近枕梁每端四组，第一组为鱼腹形槽形断面，其余三组断面同枕内横梁。 枕后纵向梁主要起传递纵向力的作用。 4.2.5 侧梁 4.2.5 侧梁 底架两侧有通长的侧梁，其断面为 18 型槽钢。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面搭接；侧墙的立柱、侧墙板分别焊在侧梁的上翼面和腹板外表面上，所 以，侧梁是连结侧墙和底架的重要构件。其连接关系如图所示。 底架的牵枕缓、侧梁和横梁共同形成底架钢骨架。 4.2.6 金属地板 4.2.6 金属地板 在底架钢骨架的上面焊上金属地板。在端梁和枕梁上盖板间为平

9、地板，板厚为 2mm;两枕梁间为纵 客车设计部培训教材 KSJC02-01 3 向波纹金属地板，波纹地板断面为（）形状，板厚为 1.5mm。由底架钢结构骨架和金属地板共 同组成底架钢结构。 由于两枕梁间无贯通的中梁， 因而作用于底架上的纵向拉压力均由波纹地板和侧梁 来承担。由车体钢结构静强度试验表明，波纹地板能承受三分之一以上的总纵向拉伸或压缩力，这种结 构的底架称为无中梁底架。 4.3 有中梁底架结构 4.3 有中梁底架结构 另外一种有中梁底架，如行李车，下面以 XL25G 型行李车为例来说明有中梁底架的结构。图 是 XL25G底架钢结构，XL25G 型行李车底架钢结构由端牵枕、中梁、枕内横

10、梁布置、一位枕外横梁 布置、二位枕外横梁布置、主横梁、一位端铁地板、二位端铁地板、枕内铁地板、站铁组成、底架线 管布置、底架配件布置、侧梁组成、侧梁、补强梁等组成。牵枕缓和侧梁结构与 YZ25G 型硬座车类 似，不同之处为枕内均布有四组鱼腹形的主横梁，厚度为 6mm，断面为“” ，下翼面尺寸为 120mm。 在大拉门处有两组补强梁，厚度为 6mm，断面为“” ，高度尺寸为 280mm，下翼面尺寸为 110mm。 XL25G 型行李车无枕后纵向梁，有两根 30b 型槽钢组焊成的中梁，间距为 350mm。枕内外横梁断面 均为“” ，高度尺寸为 110mm，下翼面尺寸为 70mm，厚度为 4 或 6

11、mm。行李间地板为 4mm 的花 纹钢板，其余部分为 2mm 的平地板。 底架钢结构主要构件断面尺寸见表 1 表 1 底架钢结构主要构件断面尺寸表 1 底架钢结构主要构件断面尺寸 牵引梁 枕梁 牵引梁 枕梁 端梁 枕内横梁 枕后纵向梁 端梁 枕内横梁 枕后纵向梁 （有车下设备时 用括号内尺寸） 枕外横梁 枕外横梁 （有集便器时用括号内尺寸） 侧梁 侧梁 客车设计部培训教材 KSJC02-01 4 波纹地板波纹地板 补强梁 补强梁 （行李车有中梁底架） 横梁 横梁 （行李车有中梁底架） 主横梁 主横梁 （行李车有中梁底架） 中粱 中粱 （行李车有中梁底架） 5 侧墙钢结构 5.1 侧墙结构组成

12、5 侧墙钢结构 5.1 侧墙结构组成 YZ25G（T）型硬座车车体钢结构的侧墙主要由立柱、纵向梁、上侧梁、门柱、门上横梁、门框组 成（YZ25T 型硬座车无） 、侧墙板等组成。侧墙外表面为平板无压筋，在平整的外墙板内侧焊有垂直立 柱和水平纵向梁，形成板梁式平面承载侧墙结构，如图所示。 5.2 侧墙结构设计 5.2 侧墙结构设计 侧墙上侧梁断面为“”形，其尺寸为 45x90 x25x2.5(mm)，长度为侧墙全长。侧墙水平纵向梁共 四根，窗上一根，窗下三根，其断面为“” 形，其尺寸为 140 x22x2.5(mm)。 这四根纵向梁起 到加强侧墙的垂直弯曲强度和刚度的作用， 同时也减少了钢板自由表

13、面的面积。 在侧墙窗口间有一条短 的窗间小纵向梁其断面为“” 形，其尺寸为 140 x22x2.5(mm)，设置目的是增强窗间板的强度与 刚度。 在窗口两侧各有一根垂向的窗边立柱， 也称为侧立柱， 其断面为 “” ， 尺寸为 94x70 x46x2.5(mm)。 在侧门处均有断面为“ ”形的门柱，其尺寸为 25x60 x100 x60 x25x4（mm） ，立柱和门柱与所有纵梁、 上侧梁、底架侧梁连结起来，组成侧墙钢骨架，并与侧墙板焊结形成侧墙钢结构。如果侧门为折页门， 在门柱处还有一整体的门框组成， 断面为 “” 形。 如果是塞拉门， 就无此门框组成。 侧墙板为厚 2.5mm 的耐候钢板（0

14、9CuPCrNi-B） 。侧墙板上开有大窗孔，尺寸为宽 x 高，即 1064x1014(mm)，小窗孔宽 x 高为 614x1014(mm) 。每侧侧墙端部有两个侧门孔。门窗开孔处是侧墙的薄弱区域，通过周边的梁柱予 以加强，选择合适的窗角板的圆角半径来降低其应力集中，设计出合理结构。 5.3 行李车侧墙结构 5.3 行李车侧墙结构 客车设计部培训教材 KSJC02-01 5 XL25G 型行李车侧墙钢结构如图，墙板和梁柱断面与 YZ25G 型硬座车类似，不同之处每侧侧墙 端部有一个侧门孔，中间各有两个大拉门门孔，大拉门处有用方钢管 80 x60 x4 制成的门框，行李间还设 有长圆形的了望窗，

15、尺寸为 960（宽）x310（高） (mm)。 侧墙钢结构主要构件断面尺寸见表 2 表表 2 侧墙钢结构主要构件断面尺寸侧墙钢结构主要构件断面尺寸（侧墙板厚 2.5 ） 立柱 纵向梁 立柱 纵向梁 上侧梁 上侧梁 门柱 门柱 (25T 型车) 门框 门框 (25G 型车) 门框 门框 (行李车) 6 车顶钢结构 6.1 车顶结构组成 6 车顶钢结构 6.1 车顶结构组成 车顶钢结构由弯梁、纵向梁、顶板、一二位端顶、平顶钢结构、中部端顶、车顶边梁等组成，如 图所示。车顶一、二位端（行李车仅一位端）各有一个空调机组安装座平顶钢结构，作为安装空调机 组的基础，是安装单元式空调机组的支撑框架。 6.2

16、 车顶结构设计 6.2 车顶结构设计 端顶上边为 8 型槽钢制成的顶端横梁，其断面尺寸为 80 x43x5(mm)。25G 型行李车二位端无平顶， 其二位端顶上边为端顶弯梁，断面为“”形，其尺寸为 30 x55x62.5x45x2(mm)。在平顶和圆顶相交的 部分为中部端顶，将两部分连接形成整体结构。圆顶的中间部分有很多断面为“”形的车顶弯梁，沿 车体纵向均布，间距一般在 700（mm）左右，其尺寸为 94x46x70 x24x2(mm)。车顶边梁沿车顶两侧全长， 断面为“”形，其尺寸为 45x75x2.5(mm)。车顶纵向还有五根纵向梁，其断面为“”形，尺寸为 50 x50 x3(mm)。车

17、顶吊铁焊在车顶的弯梁或纵梁上，主要吊装设备及内装部件。 车顶板由侧顶板和中顶板两部分组成。侧顶板是冷轧型钢，将雨檐与小圆弧（R458）板及纵向梁 合为一体制造成型，从而提高了侧顶板的平整度，并提高了小圆弧部分的抗弯刚度和强度，还简化了制 造工艺。中顶板为大圆弧板（R2300） ，车顶板厚度均为 2mm。平顶中顶板为不锈钢板，主要因为此处容 易积水，考虑耐腐蚀性能。中顶板沿车顶纵向倾斜 12mm，侧顶向车两侧各倾斜 10mm。 车顶钢结构是由纵横弯梁件组成的空间梁系，其上焊有曲面金属顶板（端顶和平顶为平板）组成 客车设计部培训教材 KSJC02-01 6 的板梁结构，共同承受作用于其上的各种载荷

18、，车顶结构具有足够的强度和刚度，并通过防漏雨试验。 车顶钢结构主要构件断面尺寸见表 3 表 3 表 3 车顶钢结构主要构件断面尺寸 车顶钢结构主要构件断面尺寸（顶板厚 2 ） 车顶弯梁 车顶纵向梁 车顶弯梁 车顶纵向梁 车顶边梁 端顶槽钢 车顶边梁 端顶槽钢 顶端横梁 端顶弯梁 顶端横梁 端顶弯梁 平顶横梁 平顶纵梁 平顶横梁 平顶纵梁 顶板 顶板 t2 7 端墙钢结构 7 1 端墙结构组成 7 端墙钢结构 7 1 端墙结构组成 客车车体钢结构的两外端，通常称为外端墙，它是车体钢结构最外端的部分。 YZ25G 型硬座车端墙钢结构分为风挡框组成、门框组成、端角柱组成、梁柱组成、端墙板组成、端 墙

19、配件。 7 2 端墙结构设计 7 2 端墙结构设计 风挡框折棚柱断面为“ ”形，即 24b 型槽钢，它是保证端墙强度和刚度的重要构件。还有两根断 面为 “” 形， 尺寸为 43x45.5x130 x3(mm)的端角柱和断面为 “ ” 形， 尺寸为 25x60 x100 x60 x25x4(mm) 的侧门柱;两根位于端门两侧断面为“”形，尺寸为 50 x54x50 x28x3(mm)的端门框（端门为折页门时 有） ， 位于端门框和端角柱之间的 “” 形立柱 94x70 x46x2.5(mm)和 “” 形横梁 140 x22x2.5(mm)。 上述所有立柱的上端与车顶的顶端横梁相焊接，下端焊在动力

20、连接器座上面的“”形横梁 94x70 x46x2.5 (mm)上。动力连接器座两侧各有一角形小立柱，尺寸为 25x50 x3（mm） 。上述梁柱构成端 墙钢骨架。在骨架外表面焊有 2.5mm 厚的墙板，与钢骨架组成梁板组焊结构。在外端墙板外侧还焊装一 些如电力连接器座、连接器座、风挡缓冲杆座（仅橡胶风挡有） 、扶手等配件。 端墙钢结构应具有足够的强度和刚度，特别是抗纵向冲击的强度。 YZ25T 型硬座车端墙钢结构主要由两根断面为“ ”形，尺寸为 130 x208x6(mm)折棚柱组成的风挡 框组成，无侧门柱，其余结构和 YZ25G 型硬座车类似。 端墙钢结构主要构件断面尺寸见表 4。 表 4

21、表 4 端墙钢结构主要构件断面尺寸端墙钢结构主要构件断面尺寸（端墙板厚 2.5 ） 客车设计部培训教材 KSJC02-01 7 风挡框折棚柱 风挡框折棚柱 (25G 型车) 风挡框折棚柱 风挡框折棚柱 (25T 型车) 端角柱 端角柱 侧门柱 侧门柱 (25G 型车) 端门框 端门框 横梁 横梁 横梁、立柱 横梁、立柱 8 部件接口关系（25G/T 型客车） 8 部件接口关系（25G/T 型客车） 25G/T 型客车各部件接口关系见表 5。 表 5 25G/T 型客车各部件接口关系 表 5 25G/T 型客车各部件接口关系 客车设计部培训教材 KSJC02-01 8 9 车体钢结构材料（25G

22、/T 型客车） 9.1 技术规范规定 9 车体钢结构材料（25G/T 型客车） 9.1 技术规范规定 对于新造 25G/T 型客车，在铁道部招议标技术规范中规定：车体采用碳素结构钢，钢结构中板 材及型材厚度6mm 的采用镍铬系耐候钢，厚度2.5mm 的采用 05CuPCrNi，厚度 36mm 的采用 09CuPCrNi-B（Q295GNHL） ，型钢和厚度6mm 的板材允许使用普通碳素钢。车顶空调机组安装座处的平 顶板、厕所和洗脸室的铁地板等易腐蚀部位采用不锈钢板。 9.2 主要零部件材质 9.2 主要零部件材质 25G/T 型客车钢结构主要零部件材质见表 6。 表 6 25G/T 型客车钢结

23、构主要零部件材质 表 6 25G/T 型客车钢结构主要零部件材质 顺号 板厚(mm) 材质 零部件名称 1 t2.5 05CuPCrNi 铁地板、波纹地板、顶板、侧墙板、端墙板、 弯梁、侧墙和端墙的立柱、横梁、 侧墙上边梁等 2 2.5t6 09CuPCrNi-B （Q295GNHL） 底架横梁和纵梁、端梁、枕梁上盖板、车顶上 边梁和纵梁、门框、端角柱、25T 型车折棚柱等 3 t6 Q235-A 25G 型车牵引梁、枕梁腹板、枕梁下盖板、折棚 柱；端项横梁、侧梁等 4 t6 Q345-B 25T 型车牵引梁和枕梁腹板、枕梁下盖板等 5 t=2 1Cr18Ni9Ti 平顶中顶板、厕所和洗脸室的

24、铁地板等 10 车体钢结构的主要技术要求 10.1 10 车体钢结构的主要技术要求 10.1 车体钢结构的强度和刚度应符合 TB/T1335-1996铁道车辆强度设计及试验鉴定规范 。 10.2 10.2 车体钢结构主要技术要求见表 7。 客车设计部培训教材 KSJC02-01 9 表 7 车体钢结构主要技术要求 表 7 车体钢结构主要技术要求 顺号 项目 公差与极限偏差 备注 1 车体长度 8mm 2 车体内宽（分上、中、下三处测量） 5mm 3 车体横断面对角线之差 10mm 4 枕梁中心以内侧梁上挠值 212mm 5 一、二位侧在同一横断面位置测量其挠度值差 5mm 6 枕梁中心以外牵引

25、梁下垂 5mm 10.310.3 车体钢结构组成后，墙顶板的平面度要求： 侧墙板1.5mm/m；端墙板2.5mm/m； 侧顶板2mm/m ；中顶板4mm/m； 金属平地板mm/m 并不得有明显的局部凸凹不平。 10.410.4 车顶钢结构交验和车体落成时需进行漏雨试验，不得有渗漏现象。 11 车体钢结构的发展 11 车体钢结构的发展 长期以来，我国铁路客车一直是碳钢车体，机车车辆工业跨越式发展，高速化和轻量化已成为我们 铁路客车的发展趋势。 近年来，铝合金车体和不锈钢车体相继问世，如 CRH2、CRH3、CRH5“和谐号” 动车组采用的是铝合金车体，CRH1 型动车组采用的是不锈钢车体。对于铁

26、道车辆而言，主要要求是强 度高，刚度好，车体轻量化和优良的抗腐蚀能力、减免维修以及低的寿命周期成本。我们对三种车体进 行了综合比较，其性能比较见表 8。 表 8 碳钢、铝合金和不锈钢车体材料性能比较 表 8 碳钢、铝合金和不锈钢车体材料性能比较 序号 碳钢车体 铝合金车体 不锈钢车体 1 耐腐蚀性差 耐腐蚀性良好 耐腐蚀性良好 2 轻量化难度大 轻量化有一定效果 轻量化效果高 3 材料强度一般 材料强度低 材料强度高 4 耐热性高 耐热性低 耐热性高 5 焊接性能好 需要高焊接技术 焊接性能较差 6 可塑性加工容易 需要特殊可塑性加工技术 需要特殊可塑性加工技术 7 原材料价格低 原材料价格高

27、 原材料价格高 8 制造价格低 制造价格高 制造价格低 9 保养维护难 可免保养维护 可免保养维护 经过比较，不锈钢车体在车体轻量化、耐腐蚀、低维修量，寿命周期成本低、环保等方面有很大优 客车设计部培训教材 KSJC02-01 10 越性，但其密封性较差，所以适合速度在 160km/h200km/h 情况下运行。在今后一段时间内我国铁路 仍要以 200km/h 以下的列车为主要运输手段，因此不锈钢车体的发展有广阔的前景。 1底架钢结构；侧墙钢结构；车顶钢结构；端墙钢结构； 橡胶风挡；15 号高强度车钩；脚蹬安装 图 1 YZ25G 型硬座车车体钢结构 图 1 YZ25G 型硬座车车体钢结构 客

28、车设计部培训教材 KSJC02-01 11 牵枕缓；枕内横梁；枕后纵向梁；枕外横梁；侧梁； 枕外铁地；枕内波纹地板 图 YZ25G 硬座车底架钢结构 图 YZ25G 硬座车底架钢结构 端梁组成； 缓冲梁下盖板； 牵引梁组成； 枕梁组成； 冲击座； 上心盘 图 YZ25G 硬座车端牵枕组成图 YZ25G 硬座车端牵枕组成 客车设计部培训教材 KSJC02-01 12 牵枕缓；中梁；枕内横梁；枕外横梁；主横梁；侧梁；补强梁；金属平地板 图 XL25G 行李车底架钢结构 图 XL25G 行李车底架钢结构 客车设计部培训教材 KSJC02-01 13 立柱；纵向梁；上侧梁；门柱；门上横梁；门框组成；侧墙板；大拉门门框 图 XL25G 行李车侧墙钢结构 图 XL25G 行李车侧墙钢结构 立柱；纵向梁；上侧梁；门柱；门上横梁；门框组成；侧墙板 图 YZ25G 硬座车侧墙钢结构 图 YZ25G 硬座车侧墙钢结构 客车设计部培训教材 KSJC02-01 14 弯梁；纵向梁；顶板；端顶；平顶；中部端顶；车顶边梁 图 YZ25G 硬座车车顶钢结构 图 YZ25G 硬座车车顶钢结构 客车设计部培训教材 KSJC02-01 15 风挡框；端角柱；侧门柱；端门框；立柱； 横梁；端墙板；连接器座；风挡缓冲杆座；扶手 图 YZ25G 硬座车端墙钢结构 图 YZ25G 硬座车端墙钢结构