機車車體強度相關(guān)標準綜述

閻 鋒，龔曉波，欒平景，張維坤，任玉鑫

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031）

20 世紀70 年代末80 年代初，我國開始制定有關(guān)機車整車及其大部件的標準。由于當時蒸汽牽引技術(shù)已經(jīng)非主流化［1-2］，因此，標準制定工作僅圍繞內(nèi)燃機車和電力機車展開。車體強度作為影響機車安全的重要技術(shù)指標，最早出現(xiàn)在1982 年發(fā)布的GB 3314-82《內(nèi)燃機車通用技術(shù)條件》和GB 3317-82《電力機車通用技術(shù)條件》中，而我國最早的機車車體強度標準則是1995 年發(fā)布的TB/T 2541-1995《內(nèi)燃、電力機車車體靜強度試驗方法》。文中對歷年發(fā)布的與機車車體強度相關(guān)的標準進行了梳理分析，以期為今后標準的制修訂提供一些借鑒。

1 標準介紹與分析

我國迄今發(fā)布的與機車車體強度相關(guān)的主要標準見表1。

表1 與機車車體強度相關(guān)的主要標準

1.1 GB 3314—82 和GB 3317—82 標準

GB 3314-82［3］和GB 3317-82［4］標 準 中 有 關(guān)車體強度要求的內(nèi)容見表2。其實按慣例，像GB 3314-82 和GB 3317-82 這樣的整車技術(shù)條件，車體強度應(yīng)直接引用相關(guān)車體強度標準，而無需作具體規(guī)定。但由于當時并無可以引用的車體強度標準，所以不得已才出現(xiàn)這種情況。GB 3314-82和GB 3317-82 標準的制定參照了UIC 617-5-1977《牽引單元 司機室特殊安全規(guī)則》［5］和UIC 625-7-1966《內(nèi)燃動車或多單元列車運營中承受沖擊能力的規(guī)定》［6］。其中200 tf 縱向靜壓力取自UIC 617-5-1977，縱 向 加 速 度3g取 自UIC 617-5-1977 和UIC 625-7-1966，動荷系數(shù)1.3 和GB 3317-82 中有關(guān)縱向靜壓力與垂直載荷的組合方式取自UIC 625-7-1966。GB 3314-82 關(guān)于縱向靜壓力與垂直載荷的組合與UIC 625-7-1966 不同，將2 個最惡劣的工況組合在一起，規(guī)定更加苛刻。應(yīng)該引起注意 的 是，UIC 617-5-1977 和UIC 625-7-1966 中 有 關(guān)3g加速度的要求是針對設(shè)備連接裝置強度的，而非設(shè)備本身?？赡苁怯捎诶斫馍系钠罨蛘咂渌?，導(dǎo)致在GB 3314-82 和GB 3317-82 中成了對設(shè)備的要求。從表2 中可以看出，GB 3314-82和GB 3317-82 僅規(guī)定了最基本的載荷工況，并不全面。

表2 GB 3314—82 和GB 3317—82 標準中有關(guān)車體強度的內(nèi)容

1.2 GB 3315—82 和GB 3318—82 標準

GB 3315-82［7］中無車體強度試驗相關(guān)要求，GB 3318-82［8］在2.24 條 款 機 車 強 度 試 驗 中 規(guī) 定：測量車體底架、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架等各主要部件的動強度是否與設(shè)計值相符。這2 個標準均未規(guī)定車體靜強度試驗方法，雖然GB 3318-82 規(guī)定要進行動強度試驗，但未規(guī)定試驗方法，標準可操作性不強。

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

GB 6770-86［9］參 照 采 用UIC 617-5-1977，適用于新造干線電力機車。GB 6770-2000［10］等同采用UIC 617-5-1977，適用于電力機車、內(nèi)燃機車及其動車組和用于國際聯(lián)運的新造車，系GB 6770-86 的 修 訂 版。TB/T 2867-1998［11］等 同 采 用UIC 617-5-1977，適用于國際鐵路聯(lián)盟所有成員路的機車、動車及動車列車，也適用于各種牽引方式拖動的帶司機室的拖車，蒸汽牽引除外。從整體內(nèi)容來看，TB/T 2867-1998 標準內(nèi)容與UIC 617-5-1977 完 全 一 致，GB 6770-86 和GB 6770-2000 個 別條款與UIC 617-5-1977 存在差異。雖然GB 6770-86、GB 6770-2000 和TB/T 2867-1998 這3 個標 準的內(nèi)容不完全相同，但其關(guān)于機車車體強度的要求則是完全一致的，主要強度要求如下：

（1）司機室結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受表3 中規(guī)定的壓縮載荷。

表3 司機室結(jié)構(gòu)壓縮載荷

（2）司機室窗框和門框應(yīng)具有足夠的剛度。安裝設(shè)備時應(yīng)盡可能不開切口。

（3）車內(nèi)的各種設(shè)備應(yīng)安裝牢固，應(yīng)能承受加速度為±3g的縱向沖擊，以免車速突然變化時出現(xiàn)松動和損壞。

1.4 TB/T 2541—1995 標準

TB/T 2541-1995［12］是 我 國 最 早 的 機 車 車 體強度標準，標準適用于最大速度不超過160 km/h的標準軌距鐵道內(nèi)燃機車、電力機車。本標準規(guī)定了試驗場地與環(huán)境、被試車體、試驗項目、測點布置、試驗設(shè)備和儀表、應(yīng)變片及其粘貼、連線、試驗規(guī)則、應(yīng)力數(shù)據(jù)計算、撓度的測量與換算、強度與剛度評價、試驗報告與試驗資料，并以附錄的形式給出了車體撓度的測量方法（附錄A）和許用應(yīng)力［σ］（附錄B）。

TB/T 2541-1995 的制定參考了GB 3314-82、GB 3317-82、GB 6770-86 和TB 1335-78《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》。標準附錄A 給出了用細鋼絲繩和百分表測量車體撓度的具體方法。對于三向應(yīng)變花，本標準采用第三強度理論進行評定。TB/T 2541-1995 的實施，規(guī)范了我國機車車體的強度設(shè)計和試驗，但在執(zhí)行過程中，也發(fā)現(xiàn)了標準的一些不足之處，其存在的主要問題有：

（1）扭轉(zhuǎn)載荷試驗規(guī)定了試驗方法，但沒有規(guī)定施加的扭轉(zhuǎn)載荷值。

（2）許用應(yīng)力給出了（0.4～0.6）σs的范圍，但沒有給出具體如何取值的指導(dǎo)。

1.5 GB/T 3314—2006 和GB/T 3317—2006 標準

GB/T 3314-2006［13］參 照 了IEC 61133：1992《電力牽引機車車輛電力機車車輛和電傳動熱力機車車輛制成后投入使用前的試驗方法》中有關(guān)內(nèi)燃機車的內(nèi)容，本標準代替GB 3314-82。GB/T 3317-2006［14］參 照 了IEC 61133：1992 中 有 關(guān) 電力機車的內(nèi)容，本標準代替GB 3317-82。GB/T 3314-2006 和GB/T 3317-2006 標準中有關(guān)車體強度的內(nèi)容見表4。對比表2 和表4 可以發(fā)現(xiàn)，與GB 3314-82 比較，GB/T 3314-2006 去掉了縱向靜壓力與垂直載荷組合中垂直載荷的動荷系數(shù)（1.3）；與GB 3317-82 比 較，GB/T 3317-2006 修 改 了 有關(guān)設(shè)備加速度的規(guī)定，增加了前窗下部300 kN 均布縱向靜壓力工況。從表4 中還可以看出，GB/T 3314-2006 無前窗下部300 kN 均布縱向靜壓力工況，這2 個標準針對設(shè)備加速度的規(guī)定也不相同。

表4 GB/T 3314—2006 和GB/T 3317—2006 標準中有關(guān)車體強度的內(nèi)容

1.6 GB/T 3315—2006 和GB/T 3318—2006 標準

GB/T 3315-2006［15］參照了IEC 61133：1992 中電傳動內(nèi)燃機車部分的內(nèi)容，本標準代替GB 3315-82。GB/T 3318-2006［16］參照 了IEC 61133：1992 中有關(guān)電力機車的內(nèi)容，本標準代替GB 3318-82。GB/T 3315-2006 和GB/T 3318-2006標準中有關(guān)車體強度的內(nèi)容見表5。與GB 3315-82 比較，GB/T 3315-2006 在線路試驗中增加了車體底架、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架動強度檢查；與GB 3318-82比較，GB/T 3318-2006 增加了機車的車體應(yīng)符合GB 6770、TB/T 2541 規(guī)定的負荷試驗要求這一規(guī)定。比較TB/T 2541-1995 與GB/T 3317-2006，兩者關(guān)于縱向靜壓力與垂直載荷組合的規(guī)定是不同的，前者垂直載荷考慮了動荷系數(shù)（1.3），后者則不考慮。因此，GB/T 3318-2006 關(guān)于機車車體的強度應(yīng)符合TB/T 2541 規(guī)定的負荷試驗要求這一規(guī)定沒有考慮GB/T 3318-2006 與GB/T 3317-2006 的協(xié)調(diào)性。

表5 GB/T 3315—2006 和GB/T 3318—2006 標準中有關(guān)車體強度的內(nèi)容

1.7 TB/T 2541—2010 標準

TB/T 2541-2010［17］是TB/T 2541-1995 的 修訂版。本標準適用于標準軌距鐵路一般用途機車車體靜強度和剛度的試驗及評定。TB/T 2541-2010 的制定參考了EN 12663：2000《鐵路應(yīng)用—軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》和UIC 566-2006《客車車體及其零部件的載荷》。本標準與TB/T 2541-1995相比，強度方面的主要技術(shù)變化如下：

（1）對縱向壓縮載荷進行了補充，增加了牽引6 000 t 及以上噸位的貨運機車的縱向壓縮載荷取值。

（2）增加了縱向拉伸載荷試驗、司機室防撞結(jié)構(gòu)壓力試驗和排障器壓力試驗。

（4）司機室安全壓力試驗增加了垂直載荷施加要求。

（5）對于三向應(yīng)變花，改為采用第四強度理論進行評定。

（6）許用應(yīng)力不再以范圍的形式給出。

雖然TB/T 2541-2010 規(guī)定了扭轉(zhuǎn)載荷試驗的扭轉(zhuǎn)載荷取值，但卻是以范圍的形式給出，會給標準的執(zhí)行帶來困擾。

1.8 TB/T 2730—96 和TB 1996—87 標準

TB/T 2730-96［18］和TB 1996-87［19］分 別為 內(nèi)燃機車和電力機車車體技術(shù)條件，規(guī)定了機車車體的技術(shù)要求、檢查和驗收。這2 個標準中有關(guān)車體強度要求的內(nèi)容見表6。從表6 中可以看出，TB/T 2730-96 引用了GB 3314 標準，而TB 1996-87則引用了GB 3317-82 和GB 6770-86 標準。

表6 TB/T 2730—96 和TB 1996—87 標準中有關(guān)車體強度的內(nèi)容

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

GB/T 25334《鐵道機車車體技術(shù)條件》分為2 個部 分。GB/T 25334.1-2010［20］是 在TB/T 2730-96基 礎(chǔ) 上 制 定 的，而GB/T 25334.2-2010［21］則 是 在TB 1982-87《電力機車車體焊接技術(shù)條件》基礎(chǔ)上制定的。其實，按理GB/T 25334.2-2010 應(yīng)基于TB 1996-87 標準制定。這2 個標準中有關(guān)車體強度要求的內(nèi)容見表7。從表7 中可以看出，相較于前面介紹的標準，這2 個標準新增了疲勞強度和整備車體一階彎曲自振頻率要求。 雖然GB/T 25334.1-2010 引用了TB/T 2541，但只是引用了其中的許用應(yīng)力，而工況等則沒引用。 GB/T 25334.2-2010 沒有引用TB/T 2541，安全系數(shù)的選取也與TB/T 2541 不一致。這2 個標準關(guān)于整備車體一階彎曲自振頻率的規(guī)定參照了TB/T 3115-2005《機車車輛動力學性能臺架試驗方法》。雖然這2 個標準均規(guī)定了疲勞強度要求，但未規(guī)定疲勞載荷工況，給標準的執(zhí)行帶來了一定困難。

表7 GB/T 25334.1—2010 和GB/T 25334.2—2010 標準中有關(guān)車體強度的內(nèi)容

1.10 GB/T 33194—2016 標準

GB/T 33194-2016［22］標 準 整 體 架 構(gòu) 和 主 要 條款與EN 12663-1：2010《鐵路應(yīng)用—軌道車輛車體結(jié)構(gòu)要求 第1 部分：機車和客車》基本一致。本標準部分條款參考了TB/T 2541-2010 和TB/T 1335-1996《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》。本標準規(guī)定了鐵道機車車輛車體的結(jié)構(gòu)要求、設(shè)計載荷工況、材料許用應(yīng)力、強度分析和試驗驗證的原則。本標準適用于一般用途鐵道機車、客車、貨車的車體設(shè)計。本標準規(guī)定的設(shè)計載荷工況涵蓋車體靜載荷工況、接口處的靜態(tài)驗證載荷工況、車體一般疲勞載荷工況、接口處的疲勞載荷工況和振動模態(tài)。相較于TB/T 2541-2010，本標準新增了很多內(nèi)容。本標準與TB/T 2541-2010 相比，除了工況有差異外，最重要的是垂直載荷試驗的評定準則不同，TB/T 2541-2010 更苛刻。此外，對于剛度的評定，TB/T 2541-2010 采用撓度評定，而GB/T 33194-2016 則采用車體一階垂向彎曲自振頻率評定。由于GB/T 33194-2016 有關(guān)機車車體、客車車體和貨車車體的規(guī)定與TB/T 2541-2010 和TB/T 1335-1996 存 在 較 大 沖 突，因此實際上并沒有得以采用。

1.11 TB/T 3548—2019 標準

TB/T 3548《機車車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范總則》是機車車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范系列標準之一。本系列標準結(jié)構(gòu)如下：

資源庫元數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)功能架構(gòu)如下圖2所示，系統(tǒng)提供元數(shù)據(jù)采集入庫、元數(shù)據(jù)存儲維護、元數(shù)據(jù)查詢訪問等元數(shù)據(jù)管理功能。

（1）TB/T 3548《機車車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范 總則》。

（2）TB/T 3549《機車車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范 轉(zhuǎn)向架》。

（3）TB/T 3550《機車車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范 車體》。

而TB/T 3550《機車車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范 車體》又分為以下4 個部分：

第1 部分：客車車體；

第2 部分：貨車車體；

第3 部分：機車車體；

第4 部分：動車組車體。

TB/T 3548-2019［23］規(guī) 定 了 機 車 車 輛 強 度 設(shè)計及試驗的術(shù)語和定義、坐標系和單位制、分類、結(jié)構(gòu)強度要求、材料特性、驗證程序和測試儀器設(shè)備及測點布置。制定本標準的目的主要是規(guī)范機車車輛強度設(shè)計及試驗鑒定的通用要求，針對車體部件，則直接指向具體的車體標準。TB/T 3548-2019 標準中有關(guān)機車車體強度的主要內(nèi)容見表8。從表8 中可以看出，TB/T 3548-2019 除了引用機車對應(yīng)的車體強度標準（TB/T 2541），還規(guī)定了線路動強度試驗、設(shè)計壽命、車體設(shè)備連接裝置超常載荷工況和運營載荷工況。

表8 TB/T 3548—2019 標準中有關(guān)機車車體強度的主要內(nèi)容

2 總結(jié)與展望

從20 世紀80 年代以來，我國發(fā)布了一系列與機車車體強度相關(guān)的標準，包括整車通用技術(shù)條件、整車組裝后的檢查與試驗規(guī)則、車體技術(shù)條件、司機室特殊安全規(guī)則、車體靜強度試驗方法和整車強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范等標準。在各標準的制定過程中，先后參照了UIC 617-5-1977、

UIC 625-7-1966、UIC 566-2006、EN 12663：2000、EN 12663-1：2010 等國際國外標準。通過對我國歷年發(fā)布標準的梳理分析，發(fā)現(xiàn)存在以下主要問題：

（1）我國機車車體強度標準制定得較晚，導(dǎo)致早期制定整車通用技術(shù)條件和車體技術(shù)條件時無車體強度標準可引用，從而出現(xiàn)了在這些標準中直接規(guī)定車體強度要求的現(xiàn)象。而這些標準中僅規(guī)定了最基本的載荷工況，并不全面。

（2）內(nèi)燃機車和電力機車車體強度要求本應(yīng)相同，而我國發(fā)布的無論是整車通用技術(shù)條件，還是車體技術(shù)條件，在載荷工況、評定準則方面對兩者的要求存在差異，不盡相同。

（3）GB 3314-82、GB 3317-82、GB/T 3314-2006 標準中錯誤地將對設(shè)備連接裝置的強度要求用于設(shè)備本身。

（4）GB 3318-82、GB/T 3315-2006、GB/T 3318-2006 雖然規(guī)定了要進行動強度試驗，但未規(guī)定試驗方法，標準可操作性不強。

（5）GB/T 3318-2006 引 用TB/T 2541 沒 有 考慮GB/T 3318-2006 與GB/T 3317-2006 的協(xié)調(diào)性。

（6）TB/T 2541-1995 和TB/T 2541-2010 為車體靜強度方面的標準，僅規(guī)定了機車車體靜強度要求、試驗方法和評定準則等內(nèi)容，無法單獨支撐起機車車體強度設(shè)計及試驗鑒定。

（7）GB/T 25334.1-2010 和GB/T 25334.2-2010 雖然規(guī)定了疲勞強度要求，但未規(guī)定具體的疲勞載荷工況，標準可執(zhí)行性不強。

（8）GB/T 33194-2016 中有關(guān)機車車體、客車車體和貨車車體的規(guī)定與TB/T 2541-2010 和TB/T 1335-1996 存在較大沖突。

（9）機車行業(yè)已習慣于在各類技術(shù)條件中規(guī)定具體的車體強度要求，即使在TB/T 2541 發(fā)布實施后，甚至是近幾年，這種現(xiàn)象依然存在，并沒有得到改觀。

（10）TB/T 3548-2019 規(guī)定機車車體結(jié)構(gòu)應(yīng)符合TB/T 2541 的要求。即使TB/T 3548-2019 與TB/T 2541 組合應(yīng)用，由于缺少具體的車體疲勞載荷工況、疲勞強度評定準則等內(nèi)容，也無法完全支撐起機車車體強度設(shè)計及試驗鑒定。

雖然存在以上問題，不可否認，經(jīng)過一代又一代機車人的共同努力，機車車體強度標準取得了長足的進步，成績有目共睹。盡管如此，但距標準完善還有一定差距，今后還需要對TB/T 2541 進行進一步修訂，標準范圍應(yīng)包括機車車體結(jié)構(gòu)和各種連接裝置，內(nèi)容應(yīng)涵蓋靜載荷工況、疲勞載荷工況、振動模態(tài)及其試驗方法、評定準則等內(nèi)容。待TB/T 2541 修訂完善后，今后在制修訂整車通用技術(shù)條件、車體技術(shù)條件等標準時，有關(guān)機車車體強度方面的要求可直接引用TB/T 2541，從而徹底避免各標準間出現(xiàn)載荷工況、評定準則不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象。

3 結(jié)束語

機車車體強度標準是指導(dǎo)機車車體強度設(shè)計的基礎(chǔ)類標準。雖然經(jīng)過幾代機車人的共同努力，制定了一系列標準，標準內(nèi)容也日趨完善，但還存在標準間不協(xié)調(diào)，各自為政的現(xiàn)象。因此，機車行業(yè)應(yīng)該以機車車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范標準框架體系的建立為契機，協(xié)調(diào)各方，消除分歧，統(tǒng)一意見，對機車車體強度標準進行進一步修訂完善，為今后制定各類技術(shù)條件時直接引用車體強度標準打下基礎(chǔ)。