鐵路客車地板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

陸 鵬

（中國北車集團(tuán)長春軌道客車股份有限公司,長春 130000）

1 前言

隨著國內(nèi)高速鐵路的不斷發(fā)展，旅客、客運(yùn)服務(wù)公司勢必會對旅客的乘車感受提出更高的要求，包括客室噪聲、振動、視野、溫濕度等因素的控制和優(yōu)化成為軌道車輛制造商必須研究解決的重要課題。而地板作為旅客的直接承載部位，其振動性能和隔音指標(biāo)對乘坐舒適性有直接影響。目前，國內(nèi)鐵路客車的地板隔音指標(biāo)及測試辦法已較完備，而其振動性能僅給出UIC標(biāo)準(zhǔn)的舒適度指標(biāo)，缺乏達(dá)到這一指標(biāo)所需的設(shè)計指導(dǎo)理論，僅處于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計和試驗(yàn)測試并修正的階段，急需投入進(jìn)行理論研發(fā)。

2 地板典型結(jié)構(gòu)

中國鐵路客車經(jīng)歷了由22型客車、25型客車到技術(shù)引進(jìn)基礎(chǔ)上研制的CRH和諧號動車組的發(fā)展歷程，鐵路客車地板的材料及結(jié)構(gòu)也與時俱進(jìn)不斷發(fā)展。

2.1 普通鐵路客車地板

傳統(tǒng)的22型、25型客車地板以膠合板為主要材料。地板底部使用硬木骨支撐，地板、木骨、車體底架之間使用機(jī)械連接，結(jié)構(gòu)簡單、裝配工藝成熟、結(jié)實(shí)耐用。但是，隨著國內(nèi)鐵路進(jìn)入高速動車組時代，這種地板結(jié)構(gòu)遭遇了兩項(xiàng)技術(shù)難題無法突破：一是地板減振性能差，由于該結(jié)構(gòu)為機(jī)械連接，雖在地板與木梁間增加橡膠墊，但是輪軌作用產(chǎn)生的振動仍能傳遞至地板表面，造成旅客乘坐不舒適。二是地板隔音效果差，底架高頻振動極易傳遞至地板。

2.2 時速250公里動車組地板

針對傳統(tǒng)地板結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，國內(nèi)時速250公里動車組地板開發(fā)了一種彈性支撐和復(fù)合地板組合的動車組地板。該地板本身為上下兩層1.5mm厚鋁板與中部的PVC泡沫復(fù)合在一起而成，由于PVC泡沫內(nèi)部存在大量的泡孔，可以有效的阻隔車下輪軌噪音、和設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的噪音，隔音性能優(yōu)越。地板底部使用彈性支撐作為支撐元件，該彈性支撐由上部型材、下部型材和中部的硫化橡膠組成，由于使用了橡膠柔性連接，地板的振動性能有大幅度的提高，基本滿足了時速250公里動車組的舒適性要求。彈性支撐的主要性能參數(shù)如下：

垂向壓縮剛度：650 N/mm±10%;拉伸剛度：≥185 N/mm;縱向剪切剛度：≥200 N/mm;橫向剪切剛度：≥200 N/mm;縱向剪切力（開始出現(xiàn)破壞時）：≥4500 N;縱向剪切力（開始出現(xiàn)破壞時）：≥2500 N

在1.0-2.5kN，4Hz載荷下，經(jīng)100萬次疲勞試驗(yàn)后：產(chǎn)品高度變化≤0.5%;垂向靜剛度變化±10%,耐高低溫濕熱循環(huán)試驗(yàn)，PH=5的HCL溶液中進(jìn)行耐酸試驗(yàn)后后：產(chǎn)品高度變化≤0.5%;產(chǎn)品重量變化≤0.2%;垂向壓縮剛度變化≤5%,在PH=12的NaOH溶液溶液中進(jìn)行耐堿試驗(yàn)后：產(chǎn)品高度變化≤0.5%;產(chǎn)品重量變化≤0.2%;垂向壓縮剛度變化≤10%。

但在時速超過230km時該地板會出現(xiàn)異常振動。針對此異常振動進(jìn)行了分析。經(jīng)測試，車上地板振動在0-2Hz,20-60Hz均有較大的振動主頻成分，針對振動可能產(chǎn)生此頻段的振動傳遞和振源再次進(jìn)行測試分析，沿輪軌、構(gòu)架、車下設(shè)備、車體底架的振動傳遞順序進(jìn)行了測試。結(jié)果為：走行部、車下設(shè)備的最大傳遞率均小于1，處于0-2Hz的剛體模態(tài)頻段。而對車體底架和地板表面的振動傳遞特性對比則發(fā)現(xiàn)，通過地板結(jié)構(gòu)之后，車體底架的振動被放大，即地板結(jié)構(gòu)本身造成了此異常振動。同時，從地板彈性支撐到逐漸遠(yuǎn)離彈性支撐，地板的振動是逐漸放大,即地板發(fā)生局部模態(tài)振動。由此可見，造成該地板異常振動的原因?yàn)椋?/p>

（1）地板彈性支撐振動傳遞時將振動放大，需要選擇合適的地板支撐；

（2）地板本身發(fā)生了局部模態(tài)振動，需要優(yōu)化地板的局部模態(tài)。

2.3 時速350公里動車組地板

時速250公里動車組地板結(jié)構(gòu)對振動性能影響最大的部分是彈性部分（即硫化橡膠），為了消除這一振動使地板結(jié)構(gòu)適應(yīng)高于250公里并達(dá)到更高的時速350公里，必須研究改進(jìn)彈性部分的自振頻率及影響因素。

自振頻率f與橡膠的剛度k成正比，與在彈性體上附加的載荷M成反比。根據(jù)彈性體振動頻率計算公式，消除柔性連接地板結(jié)構(gòu)異常振動必須設(shè)法減小這種結(jié)構(gòu)的自振頻率，而減小自振頻率的方法有兩種：一是減小橡膠的剛度，由于減小剛度不利于承載，可操作空間較?。?/p>

所以我們采用第二種辦法，即在地板上增加載荷，實(shí)際的動車組設(shè)計時很多載荷，比如座椅、間壁、茶桌等部件可以在地板和車體底架之間合理分配載荷，使地板具有適當(dāng)?shù)妮d荷。

同時根據(jù)實(shí)際運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，時速350公里動車組地板與底部支撐之間取消了固結(jié)式的機(jī)械連接而采用浮筑結(jié)構(gòu)，即地板與底部支撐件沒有硬性連接，僅在地板的某些部位增加部分間隙連接，減小底部支撐件與地板之間的振動關(guān)聯(lián)。底部支撐也由上下型材改為振動性能較優(yōu)越的木骨，彈性部分直接粘接在木骨上表面。

通過測試選型，浮筑結(jié)構(gòu)地板的減振墊振動峰值對應(yīng)的頻率約為13HZ,在20-40HZ的振動頻段振動衰減，避開了0-2Hz,20-60Hz的振動主頻區(qū)間。另外，浮筑結(jié)構(gòu)地板結(jié)構(gòu)不再使用普通鐵路客車、時速250公里動車組的座椅結(jié)構(gòu)（座椅硬性連接在車體底架上，以增加連接可靠性，座椅負(fù)載也直接加在車體底架上），而是通過座椅和底架之間的間隙連接，使得地板的附重不僅包括地板本身的重量，同時也包括地板上方的座椅重量，使地板重量滿足了對應(yīng)的附重要求，減振墊振動頻率達(dá)到減振要求區(qū)間。

3 結(jié)束語

實(shí)際的動車組地板設(shè)計結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要考慮的載荷及部件布置極為繁復(fù)。目前國內(nèi)尚無成熟的地板結(jié)構(gòu)設(shè)計指導(dǎo)理論，本文僅通過分析提出一種可行的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，其實(shí)際效果仍然有待進(jìn)一步提高和優(yōu)化。同時由于新材料的不斷出現(xiàn)，本身自振頻率低、負(fù)載性能好的減振材料也陸續(xù)涌現(xiàn)，減震墊的測試選型提供了很好的支撐。

[1]嚴(yán)雋耄，車輛工程[M].中國鐵道出版社,1999.

[2]徐秉業(yè)，彈性力學(xué)[S].清華大學(xué)出版社,2007.

[3]機(jī)車車輛橡膠彈性元件通用技術(shù)條件[S].TB/T 2843-2007.