5K 型车加装真空集便器车体钢结构改造研究

摘. . 要：本文介绍的是 25K 型样板车在加装真空集便器过程中车底钢结构改造方面的内容。车底钢结构需根据污物箱尺寸新加横梁、纵梁及吊挂组成，同时铁地板需开新孔及并对废孔进行封堵。为确保集便器吊挂结构的安全性，需对其进行强度分析。同时为使整个车体受力均匀，需在新载荷（污物箱吊挂结构自重、污物箱自重、污物自重）下，进行均衡计算。

关键词：车底钢结构；真空集便器；改造；强度分析；均衡计算根据铁道部运输局运装客车电报《关于安排样板客车实施加装集便器改造的通知》，对软卧、硬卧两辆车结合 A4 厂修，加装真空保持式集便器。车底钢结构改造主要包括横、纵梁及吊座的加装，铁地板的改造等。其中对加装的污物箱吊座进行了 ANASYS 有限元强度计算分析，并对车底新增配件在污物箱空、满两种状态下进行了受力均衡计算。

1 背景介绍

此次改造的车辆分别为软卧客车和硬卧客车。两车原车厕所均为直排结构，列车在运行过程中，大小便直接排在轨道上，会产生诸多不利影响。此次改造加装的集便器系统为 BP-0 型真空保持式集便器系统，该系统的主要特点是：工作状态下，系统在污物箱中始终保持设定的真空度，便盆冲洗时，按下冲洗按钮，系统即可同时进行冲洗和排空动作，利用污物箱中存在的真空直接将粪便污水抽吸到污物箱内；该系统具有原理结构简单、冲洗动作无迟滞、工作可靠、噪音低等优点。据载员数量及使用经验，软卧客车选用两个 400L 污物箱，硬卧客车选用两个 400L 污物箱。

2 车底钢结构改造

车底钢结构改造主要是根据污物箱尺寸对其进行加装。包括横纵梁及吊座的安装以及铁地板的相关改造等。

横梁纵梁及吊座材料的选取。根据污物箱吊挂结构的强度要求，材料选用 Q345GNHL，吊挂结构各零部件与车体钢结构的连接采用焊接连接，焊后为保证焊接质量，需对污物箱吊座组成处焊缝和车底各横梁纵梁与车底钢结构连接焊缝处进行湿法磁粉处探伤，不得有裂纹。

软卧车横纵梁及吊座的安装设计。该车厕所设在一位二位端部，对应车下为枕外位置，根据就近原则并考虑空间因素，污物箱安装位置定在厕所下方枕外位置安装。（1）在一位端底架增焊 4 根横梁 2 根纵梁。（2）在一位端底架增焊 2 个污物箱吊座。（3）在二位端底架增焊 4 根横梁 2 根纵梁。（4）在二位端底架增焊 2 个污物箱吊座。

硬卧车横纵梁及吊座的安装设计。由于该车厕所均在二位端，枕外空间不够，因此两个污物箱一个安装在枕外，一个安装在枕内。（1）在二位端底架枕外增焊 2 根横梁 2 根纵梁。（2）在二位端底架枕外增焊 2 个污物箱吊座。（3）在二位端底架枕内增焊 2 根纵梁。（4）在二位端底架枕内增焊 2 个污物箱吊座。

污物箱安装的空间余量问题。（1）转向架维修方面：两辆车枕外污物箱距转向架轮对距离为 170mm。故不影响转向架的拆卸和维修。硬卧客车枕内污物箱安装空间充足，不影响转向架的拆卸和维修。（2）车钩拆卸方面：污物箱距车端距离为1165mm，车钩尾框距车端距离为 1160mm，故硬卧、软卧污物箱安装不影响车端车钩的拆卸与检修。

车底地板改造。由于原车厕所直排结构取消，铁地板上相应废孔需封堵，同时应增开新孔，用于各管、线路的安装。

3 吊座强度计算分析

3.1 有限元模型

本次分析采用 ANSYS 有限元软件进行计算。分析全部采用 SHELL 单元离散，污物箱集中载荷部位使用杆单元进行施加。在枕内第 3 号与第 4 号梁之间吊挂污物箱时，侧墙窗下立柱与底架边梁连接处出现应力集中现象，应力值较大。因此对侧墙窗下立柱进行了补强，在窗立柱翻边处加一个边长 100mm的等腰三角板，厚度为 4mm，材料为 Q295GNHL，如图 4。

图 1 一位端端部有限元模型 图 2 二位端端部有限元模型图 3 枕内横梁间吊挂有限元模型

图 4 侧墙窗立柱补强有限元模型

3.2 材料及评定标准

吊挂横纵梁及吊挂安装座的材料均为 Q345GNHL，屈服极限为 345MPa。底架横梁及侧墙窗立柱的材料为 Q295GNHL，屈服极限为 295MPa。依据 TB/T1335-1996 标准中对车体固结设备的强度要求，客车车体内外部设备及其紧固零件按下列加速度的惯性力进行强度核算：纵向 3g，横向 1g，垂向 3g。此时所产生三个方向的合成应力应小于材料的屈服极限。

3.3 计算载荷工况及约束设置

计算载荷：污物箱重 800kg，在污物箱的重心处施加集中载荷，纵向 24000N，垂向 24000N，横向 8000N。约束设置：

在空气簧部位施加全约束。

3.4 车体静强度计算结果及分析

图 5 安装座厚度为 8mm 一位端应力分布云图

图 6 安装座厚度为 8mm 二位端应力分布云图

图 8 安装座厚度为 10mm 二位端应力分布云图

3.5 结论

本次分析依据 TB/T1335-1996 的规定，对吊挂污物箱的横纵梁及吊挂安装座进行了强度分析计算。分析结果表明：（1）安装座厚度为 8mm：一位端及二位端端部吊挂污物箱的横纵梁及吊挂安装座的最大等效应力值为 158MPa，小于材料的屈服极限 345MPa，满足强度要求。（2）安装座厚度为 10mm：一位端及二位端端部吊挂污物箱的横纵梁及吊挂安装座的最大等效应力值为 110MPa，小于材料的屈服极限 345MPa，并且安全系数较大，满足强度要求。（3）枕内横梁间吊挂污物箱：安装座最大应力为 179MPa,小于材料的屈服极限 345MPa；侧墙窗立柱部位最大应力为 126MPa，小于材料的屈服极限 295MPa。

4 新增配件均衡计算

污物箱装车后，为使整个车体受力均匀，需进行均衡计算（污物箱在空、满状态下）。

4.1 软卧新增配件均衡计算

4.1.1 软卧两心盘支点反力

P 空=1150.8kg L 空=12.427-3.750=8.677m

P 重=2050.8kg L 重=12.909-3.750=9.159m

（1）空车 L1=18.000m

二 位 端 ： PB=(P 空 *L 空 )/L1=554.8kg 一 位 端 ： P 空-PB=596.0kg

（2）重车

二位端：PB=(P 重*L 重)/L1=1043.5kg 一位端：PA=P 重-PB=1007.2kg

4.1.2 软卧摇枕弹簧支点反力

LX=0.628m L2=1.850m

L 空=1.454-0.628=0.826m L 重=1.457-0.628=0.830m（1）空车

一位端：P1=(PA*L 空）/L2=266.0kg P2=PA-P1=330.0kg二位端：P3=(PB*L 空）/L2=247.6kg P4=PB-P3=307.1kg（2）重车

一位端：P1=(PA*L 重）/L2=451.8kg P2=PA-P1=555.4kg二位端：P3=(PB*L 重）/L2=468.1kg P4=PB-P3=575.4kg4.1.3 软卧均衡计算结果

心盘以上

各项

质量

（kg）

力臂 X

（m）

力臂 Y

（m）

重心高度

（至轨面 m）

空车 1150.8 12.427 1.454 0.667

重车 2050.8 12.909 1.457 0.558

一二位端心盘及一、二位侧摇枕支点反力计算结果

状态 PA P1 P2 PB P3 P4

空车 596.0 266.0 330.0 554.8 247.6 307.1

重车 1007.2 451.8 555.4 1043.5 468.1 575.4

4.2 硬卧新增配件均衡计算

4.2.1 硬卧两心盘支点反力

P 空=958.7kg L 空=21.292-3.750=17.542m

P 重=1858.7kg L 重=21.596-3.750=17.846m

4.2.2 硬卧均衡计算结果

一二位端心盘及一二位侧摇枕支点反力计算结果

心盘以上

各项

质量

（kg）

力臂 X

（m）

力臂 Y

（m）

重心高度

（至轨面 m）

空车 958.7 21.292 1.445 0.602

重车 1858.7 21.593 1.453 0.503

状态

PA P1 P2 PB P3 P4

空车 24.4 10.8 13.6 934.3 412.7 521.7

重车 15.9 7.1 8.8 1842.8 822.3 1020.5

5 结论

通过对25K型样车加装真空集便器系统车底钢结构改造的研究分析，强度满足要求，方案可行，为后续铁路客车批量加装真空集便器系统提供了理论和经验。

参考文献：

[1]钱立新.世界高速铁路技术[M].北京：中国铁道出版社.2003[2]缪炳荣,肖守讷.机车车体结构模态的有限元分析[J].电力机车技术.2002.07

[3]严隽耄.车辆工程[M].中国铁道出版社.1998