郭新
地鐵車輛車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)研究
郭新
(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司,江蘇 南京 210031)
車體是連接地鐵車輛各設(shè)備的主要承載部件,車體的強(qiáng)度直接影響地鐵運(yùn)營、維修時的安全性。本文比較分析了國內(nèi)外主要車體靜強(qiáng)度相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的載荷差異,介紹了各個標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍,詳細(xì)闡述了標(biāo)準(zhǔn)中各類工況的實(shí)際意義以及評價方法。以某A型地鐵車體為例,設(shè)立了典型的靜強(qiáng)度試驗(yàn)工況,設(shè)計(jì)了該試驗(yàn)所需的試驗(yàn)工裝,介紹了各工況的試驗(yàn)方法。除利用率最大測點(diǎn)外,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注運(yùn)營工況下的車體結(jié)構(gòu)薄弱部位。某A型地鐵車體的試驗(yàn)結(jié)果表明:該車體運(yùn)營工況下的利用率約為0.6,車體薄弱部位位于門角和窗角,運(yùn)營過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該部位的狀態(tài)。
地鐵車體;靜強(qiáng)度;試驗(yàn)方法
近年來,各大城市都出現(xiàn)了交通擁堵的現(xiàn)象。發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗(yàn)表明,軌道交通仍舊是解決城市擁堵,方便人民出行最佳方案。國內(nèi)各大城市地鐵建設(shè)如火如荼,新開通的地鐵以及改進(jìn)結(jié)構(gòu)的增購地鐵均需進(jìn)行車體的靜強(qiáng)度試驗(yàn),因此有必要形成通用的測試方法助力地鐵車體開通前的強(qiáng)度測試。
地鐵的最大運(yùn)營載荷一般出現(xiàn)在城市上下班高峰。按照GB/T 7928-2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》[1]規(guī)定,高峰期的車廂內(nèi)人數(shù)按8 人/m2計(jì)。單節(jié)A型車車體的最大載客質(zhì)量能夠達(dá)到或超過26 t,同時,車體作為地鐵車輛的主要承載部件,連接了轉(zhuǎn)向架、車鉤、車上車下設(shè)備等一系列零部件,滿載狀態(tài)下,車體承受的總載荷超過50 t,在運(yùn)營時的動態(tài)條件下,車體承受的總載荷更大。地鐵車體結(jié)構(gòu)與動車組車體不同,為滿足乘客頻繁上下車的需求,地鐵車體車門數(shù)量多且開度大,引起車體應(yīng)力集中的部位多,對車體強(qiáng)度影響顯著。
軌道車輛車體的強(qiáng)度試驗(yàn)包括靜強(qiáng)度試驗(yàn)和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn),后者由于試驗(yàn)成本高、試驗(yàn)周期長、試驗(yàn)結(jié)果離散性大等因素限制通常不予進(jìn)行。軌道車輛車體在運(yùn)營過程姿態(tài)相對穩(wěn)定,車體振動與其他形式的交通相比較小。通過結(jié)合動載荷系數(shù)與靜強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果,能夠相對準(zhǔn)確的反應(yīng)車體在實(shí)際運(yùn)營中的受力狀態(tài),因此車體的靜強(qiáng)度試驗(yàn)對于車體運(yùn)營過程中的疲勞問題具備一定的參考價值。對于新造車體以及重大改型車體,在批量生產(chǎn)之前,需進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。
目前地鐵車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)參考的標(biāo)準(zhǔn)主要包括:TB/T 1806-2006《鐵道客車車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)方法》[2]、EN 12663-1:2010+A1:2014《鐵路應(yīng)用-鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)要求-第一部分:機(jī)車和客運(yùn)車輛(以及對貨車的替代方法)》[3]、UIC 566-1990《車體以及車體部件的載荷》[4]、JIS E 7105-2006《鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)的靜載荷試驗(yàn)方法》[5],分別由中國、歐洲、國際鐵路聯(lián)盟和日本制定,以下分別簡稱TB、EN、UIC和JIS。
本文針對上述標(biāo)準(zhǔn),對比分析了其靜強(qiáng)度條款異同,闡述了各工況實(shí)際意義、載荷確定方法及靜強(qiáng)度評價標(biāo)準(zhǔn)。以某A型車車體為例,設(shè)定了典型的車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)工況,結(jié)合地鐵車體結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了靜強(qiáng)度試驗(yàn)工裝,進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(yàn),并驗(yàn)證了該強(qiáng)度試驗(yàn)工裝的適用性。
我國的軌道交通發(fā)展較晚,TB標(biāo)準(zhǔn)的制定參考了其他國際標(biāo)準(zhǔn)并根據(jù)我國的軌道交通運(yùn)營特點(diǎn)進(jìn)行了小部分修改。UIC為國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn),適用于其所有成員國,鑒于各國鐵路狀況差異較大,其載荷要求也最嚴(yán)格。EN標(biāo)準(zhǔn)適用地域范圍僅次于UIC,但其涵蓋車輛范圍最廣,適用性最強(qiáng)[6]。在我國,除CRH2型動車組采用JIS要求外,客運(yùn)專線動車組車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核均采用EN標(biāo)準(zhǔn)[7]。目前,我國地鐵車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)價也主要采用EN標(biāo)準(zhǔn)。
日本是最早發(fā)展高速列車的國家,其發(fā)展的JIS標(biāo)準(zhǔn)對于本國鐵路具備良好適應(yīng)性。JIS E 7105-2006在編制過程中,仍借鑒了EN 12663-2000的相關(guān)內(nèi)容[8]。
EN標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了客車和貨車,其中客車又分為干線客車、鉸接客車、市域快線、地鐵車輛、輕軌以及有軌電車等。按EN標(biāo)準(zhǔn),地鐵屬于P-III類客運(yùn)車輛,表1中僅列出該類車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)下的載荷。
地鐵車輛載荷主要包括:
(1)垂向載荷:因各國情況差異,立席人數(shù)及乘客質(zhì)量均采用不同設(shè)計(jì)參數(shù)。
(2)縱向載荷:縱向載荷受車體縱向剛度、緩沖器特性、加速度等因素影響,難以準(zhǔn)確確定。目前各國大多依據(jù)大量運(yùn)行和試驗(yàn)資料,并應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì)理論定出其數(shù)值[7]。
(3)載荷疊加:EN和JIS標(biāo)準(zhǔn)均認(rèn)為最大垂向載荷與最大縱向載荷不可能同時出現(xiàn)。JIS E 7105-1989早期標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定縱向載荷與1.1倍空車垂向載荷疊加,修訂后在JIS E 7105-2006標(biāo)準(zhǔn)中與EN標(biāo)準(zhǔn)保持一致。
(4)端墻載荷:除JIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定需由當(dāng)事方確定,其余標(biāo)準(zhǔn)腰帶高度載荷均規(guī)定為300 kN。TB標(biāo)準(zhǔn)和UIC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的車鉤中心線以上350 mm處載荷一致。
(5)架車載荷:歐洲車體和轉(zhuǎn)向架一般不能自動分離,需帶轉(zhuǎn)向架架車。EN標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為架車載荷為動態(tài)載荷,動載荷系數(shù)為1.1。
(6)扭轉(zhuǎn)載荷:在車體上一般不單獨(dú)存在,EN和UIC標(biāo)準(zhǔn)雖未規(guī)定,但滿足車體垂向載荷要求則也認(rèn)為滿足扭轉(zhuǎn)載荷要求[7]。日本車車體輕量化程度較高,車身相對較軟,因此對扭轉(zhuǎn)載荷有著明確的規(guī)定。
(7)設(shè)備載荷:除TB外,其余標(biāo)準(zhǔn)均做出明確規(guī)定,JIS標(biāo)準(zhǔn)推薦使用實(shí)測值。
總體而言,TB和UIC標(biāo)準(zhǔn)載荷規(guī)定雖較為嚴(yán)格,但材料性能的冗余導(dǎo)致車輛零部件重量和成本增加,因而采用該標(biāo)準(zhǔn)的車輛較少。JIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的載荷經(jīng)長期運(yùn)用,在車體輕量化方面展現(xiàn)出優(yōu)勢,但我國城市軌道交通在近10年內(nèi)才蓬勃發(fā)展,面臨許多未知的問題,輕量化意味著整車強(qiáng)度的降低,采用JIS標(biāo)準(zhǔn)能否保證車體運(yùn)營壽命滿足設(shè)計(jì)要求還有待考證。EN標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的車輛類型豐富,工況、載荷規(guī)定明確,最新版的TB標(biāo)準(zhǔn)和JIS標(biāo)準(zhǔn)均借鑒了不少EN標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)容,是各個國家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的趨勢。
表1 不同標(biāo)準(zhǔn)下地鐵車體靜強(qiáng)度載荷異同
注:=9.81 m/s2;1為整備質(zhì)量,kg;2為轉(zhuǎn)向架質(zhì)量,kg;4在EN 12663-1-2010+A1-2014中為最大有效載重,kg;4在UIC 566-1990中為(坐席數(shù)+站立數(shù))×80 kg(站立數(shù)按每m2站4人計(jì)算);4在JIS E 7105-2006中為55 kg/人,最大裝載量由采購雙方?jīng)Q定;在TB/T 1806-2006中,無緩沖盤不進(jìn)行端墻試驗(yàn);在EN 12663-1-2010+A1-2014中,車體端部處=2,在車輛中心區(qū)下降至0.5;在UIC 566-1990中,車體端部處=3,在車輛中心區(qū)下降至1.5。
以下試驗(yàn)工況均根據(jù)EN標(biāo)準(zhǔn)確定,部分試驗(yàn)載荷考慮國內(nèi)地鐵車體運(yùn)營特點(diǎn)做出調(diào)整。
(1)垂向載荷工況
垂向載荷主要來源于車廂內(nèi)部的乘客質(zhì)量,根據(jù)《地鐵車輛通用技術(shù)條件》[1],額定立席人數(shù)按6 人/m2計(jì),最大立席人數(shù)按8 人/m2計(jì),站立面積為除去座椅及前緣100 mm外的客室面積,人均體重按60 kg計(jì)算。在實(shí)際的使用中,最大立席人數(shù)按9 人/m2計(jì)算。設(shè)備載荷則通過具有相同接口的工裝安裝到實(shí)車吊掛的位置處。
該工況用于模擬車體在搭載乘客以及支撐設(shè)備時車體受力。
(2)縱向載荷工況
《地鐵車輛通用技術(shù)條件》[1]中規(guī)定:A型地鐵車體縱向靜載荷不低于800 kN。A型地鐵車體縱向靜拉伸載荷一般取960 kN,縱向靜壓縮載荷一般取1200 kN。
該工況用于模擬車體在運(yùn)行過程中,車體加速、制動時沿車體縱上的車體受力。
(3)端墻載荷工況
腰帶高度300 kN壓縮載荷,上邊梁高度150 kN壓縮載荷。
該工況用于模擬車體在發(fā)生碰撞事故時車體受力。實(shí)際運(yùn)用中該載荷過于理想,由于難以準(zhǔn)確確定車體碰撞時端墻的載荷,目前國內(nèi)通用的做法是采用EN標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的端墻載荷進(jìn)行加載。
(4)架車載荷工況
架車載荷工況分為單端架車工況、復(fù)軌工況、整車架車工況和三點(diǎn)支撐工況。除復(fù)軌工況外,其他工況按架車位相對枕梁位置分為枕內(nèi)工況和枕外工況。枕外架車工況下,轉(zhuǎn)向架與車體一般處于分離狀態(tài)。
單端架車工況用于模擬轉(zhuǎn)向架與車體在車間分離時車體的受力狀態(tài)。
復(fù)軌工況用于模擬列車脫軌后采用復(fù)軌器進(jìn)行復(fù)軌過程中的車體受力。
整車架車工況和三點(diǎn)支撐工況用于模擬車體架車(起吊)時的車體受力。理想狀態(tài)下,四個架車位應(yīng)同步抬升,但由于架車(起吊)時存在的偏差,其中一架車位不在其他三個架車位組成的平面內(nèi),因此設(shè)定了三點(diǎn)支撐工況。三點(diǎn)支撐工況在臺架試驗(yàn)時,在車體的四個架車位將車體頂起,然后將其中一個架車位緩慢下降10 mm。
EN標(biāo)準(zhǔn)提供了判斷靜強(qiáng)度是否合格的方法。各工況下,當(dāng)測點(diǎn)應(yīng)力的利用率滿足公式(1)時,測點(diǎn)判定為合格。
對于延展性材料產(chǎn)生應(yīng)力集中的測點(diǎn),允許其超過許用應(yīng)力,但需要保證應(yīng)力集中引起的塑性變形應(yīng)足夠小,并且在卸載后無重大永久變形。
延展性材料線彈性區(qū)間內(nèi),應(yīng)力集中測點(diǎn)應(yīng)力范圍需滿足:
式中:max為靜載荷工況最大應(yīng)力,MPa;min為靜載荷工況最小應(yīng)力,MPa;max與min方向相同。
加載卸載時,應(yīng)力應(yīng)變曲線仍為線性,且殘余應(yīng)變滿足下式時,則測點(diǎn)仍是合格的:
焊接成形后的整車車體存在局部的焊接變形,車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)的所有工況均需進(jìn)行預(yù)加載,以釋放材料焊接變形所產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力。
(1)垂向載荷工況
垂向載荷施加時通過在車廂內(nèi)施加均勻布置的砝碼進(jìn)行加載。砝碼沿車體縱向以每米為單位平均分布。車下部分設(shè)備和空調(diào)載荷屬于大質(zhì)量載荷,需在相應(yīng)的安裝位置制作接口工裝進(jìn)行加載。
(2)縱向載荷工況
縱向載荷施加前需預(yù)先在車體內(nèi)施加相應(yīng)工況的垂向均布載荷。車鉤接口處按100kN的步長逐步施加拉伸(壓縮)載荷,直至達(dá)到目標(biāo)載荷,卸載時同理。
鑒于車鉤拉伸(壓縮)載荷較大,預(yù)加載到一半時,需將半載時的數(shù)據(jù)線性疊加預(yù)估全載時的應(yīng)力,如果預(yù)估的利用率不超過1則繼續(xù)加載,否則停止試驗(yàn),避免載荷過大導(dǎo)致車體的永久變形。
(3)端墻載荷工況
端墻載荷施加前需預(yù)先在車體內(nèi)施加相應(yīng)工況的垂向均布載荷。在車體端墻兩側(cè)用千斤頂同步施加縱向載荷,然后同步卸載,避免車體產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。
加載時,端墻承受面載荷,需在千斤頂與車體之間加設(shè)一條鋼梁。千斤頂中心線與側(cè)墻在同一面內(nèi)。預(yù)加載到一半時,需將半載數(shù)據(jù)線性疊加預(yù)估全載時的應(yīng)力,避免載荷過大導(dǎo)致端墻永久變形。
(4)架車載荷工況
需預(yù)先在車體內(nèi)施加相應(yīng)垂向均布載荷,根據(jù)各工況要求施加轉(zhuǎn)向架載荷。在架車位(復(fù)軌位)將車頂起,過程中需保持各架車位同步頂起或下落,避免車體產(chǎn)生永久變形。
根據(jù)試驗(yàn)工況,地鐵車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)所需工裝包括:車鉤接口工裝、轉(zhuǎn)向架接口工裝和端墻載荷施加工裝,如圖1~3所示。
其中,車鉤工裝需根據(jù)車鉤座尺寸單獨(dú)設(shè)計(jì),國內(nèi)各主機(jī)廠的自身的車鉤面板尺寸基本通用。轉(zhuǎn)向架工裝T形槽滑板以下為固定高度。支撐座可在橫向調(diào)節(jié)位置,由墊板、方墩和空簧座組成,均備有不同規(guī)格,可組裝成目標(biāo)高度。轉(zhuǎn)向架工裝的配轉(zhuǎn)向架工裝T形槽滑板以下為固定高度。支撐座可在橫向調(diào)節(jié)位置,由墊板、方墩和空簧座組成,均備有不同規(guī)格,可組裝成目標(biāo)高度。轉(zhuǎn)向架工裝的配重箱可根據(jù)實(shí)車轉(zhuǎn)向架質(zhì)量增減配重砝碼,直至與實(shí)車轉(zhuǎn)向架質(zhì)量一致。轉(zhuǎn)向架拉板的鉆孔尺寸與實(shí)車枕梁下表面中心銷安裝孔尺寸一致,由于國內(nèi)各主機(jī)廠的自身的中心銷尺寸基本通用,因此在轉(zhuǎn)向架拉板上預(yù)先根據(jù)各廠中心銷孔尺寸進(jìn)行了鉆孔。
圖1 車鉤工裝
1.小半徑輪對;2.轉(zhuǎn)向架工裝構(gòu)架;3.配重箱;4.T形槽滑板;5.轉(zhuǎn)向架拉板;6.空氣彈簧支撐座。
端墻工裝包括承載梁(圖3a)和加載梁(圖3b),承載梁將點(diǎn)載荷轉(zhuǎn)化為面載荷,加載梁的高度可調(diào),以適應(yīng)加載位置。
為驗(yàn)證該工裝能夠適用于按EN標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的車體的靜強(qiáng)度試驗(yàn)工況進(jìn)行試驗(yàn),被試驗(yàn)車體為某A型地鐵中間車車體,如圖4所示。
表2列出了普通地鐵車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)所包含的典型工況。試驗(yàn)得到的各工況下車體安全系數(shù)最小點(diǎn)如表3所示。
圖3 端墻工裝
圖4 地鐵車體
由表3可知,該試驗(yàn)車體復(fù)軌工況材料利用率最大,達(dá)到0.80,因此該車體的靜強(qiáng)度滿足按標(biāo)準(zhǔn)EN12663-1:2010+A1:2014設(shè)計(jì)的要求。復(fù)軌工況雖然利用率最大,但T4~T7均為事故工況,在車體運(yùn)營過程中發(fā)生概率極低,且T4和T5的載荷的準(zhǔn)確性還有待考證,因此還需重點(diǎn)關(guān)注其他工況的結(jié)果。
表2 試驗(yàn)工況表
表3 各工況安全系數(shù)最小測點(diǎn)
T8~T11均為在廠內(nèi)架大修工況,發(fā)生頻率較低。T1~T3與運(yùn)營時列車車體的安全性有關(guān),應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。T1~T3的材料利用率均在0.6左右,因而該地鐵車體在運(yùn)營狀態(tài)下材料性能具備較充足的安全冗余。T1~T3表明,在列車運(yùn)營過程中需重點(diǎn)關(guān)注窗角和門角的狀態(tài),預(yù)防車體運(yùn)營過程疲勞產(chǎn)生的破壞。
該地鐵車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)表明,車鉤工裝、轉(zhuǎn)向架工裝以及端墻加載工裝符合車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)的要求。
(1)我國TB標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展較晚,發(fā)展過程中借鑒了很多其他國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),但對于鋁合金地鐵車體的靜強(qiáng)度試驗(yàn),由于EN標(biāo)準(zhǔn)工況全面、載荷明確,國內(nèi)目前主要采用該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)與評估。
(2)鋁合金地鐵車體的工況根據(jù)應(yīng)用情況主要分為運(yùn)營工況和架大修工況,架大修工況在列車壽命周期內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)較低且不會影響乘客安全,因此最應(yīng)關(guān)注運(yùn)營工況下利用率最高部位的應(yīng)力狀態(tài)。本文被試車體的窗角和門角在服役過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。維修過程中發(fā)現(xiàn)車鉤安裝座和緩沖梁焊縫處相對容易產(chǎn)生疲勞裂紋[10],在試驗(yàn)時也應(yīng)盡可能在該部位布置測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測。
(3)依據(jù)試驗(yàn)工況及其評價標(biāo)準(zhǔn),可基本確定各型普通地鐵車體的靜強(qiáng)度工況,地鐵車體的靜強(qiáng)度試驗(yàn)經(jīng)過長足的發(fā)展無論試驗(yàn)設(shè)備還是試驗(yàn)方法都已非常成熟。但如何確定合適的試驗(yàn)載荷、實(shí)現(xiàn)軌道車輛車體的輕量化設(shè)計(jì),仍然存在很多未知問題。目前的試驗(yàn)載荷基本都是由國外標(biāo)準(zhǔn)引進(jìn),載荷的來源以及載荷與我國實(shí)際的運(yùn)營維修條件的匹配仍需很多實(shí)測數(shù)據(jù)作為支撐。
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Research on Static Strength Test of Metro Carbody
GUO Xin
( CRRC Nanjing Puzhen Co., Ltd., Nanjing 210031, China )
The carbody is the main bearing component connecting the equipments of metro vehicles, and the strength of the carbody directly affects the safety of metro operation and maintenance. This paper compares and analyzes the load difference of the main static strength standards at home and abroad, introduces the characteristics and application scope of each standard, and elaborates the practical significance and evaluation methods of various load cases in the standard. Taking an A-type metro carbody as an example, the typical static strength test conditions are set up, the test equipment required for the test is designed, and the test method for each case is introduced. In addition to the measured point with the maximum utilization rate, the weak parts of the vehicle body under operating conditions should be paid attention to. The test results show that the utilization rate of the car body is about 0.6 under operating conditions. The weak parts of the car body are located at the door corners and window corners, and the state of these parts should be paid attention to during operation.
metro carbody;static strength;test methods
U271.91
A
10.3969/j.issn.1006-0316.2021.10.007
1006-0316 (2021) 10-0046-07
2021-01-15
郭新(1976-),男,浙江湖州人,教授級高級工程師,主要研究方向?yàn)檐壍澜煌ㄜ囕v工藝,E-mail:770695290@qq.com。