第1章　绪论
　　铁路运输在我国现代化综合立体交通网中处于主导地位，是关系国计民生的大动脉和先导性基础设施。按照运输任务区分，铁路车辆可分为客运和货运两类，前者更关注运行平稳、乘坐舒适、方便快捷，后者要求功能齐全、载运量大，并且对运行速度的要求也越来越高。统计数据显示，截至2022年，中国铁路总里程达到了15.5万km，其中高速铁路总里程超过4.2万km，*高运营速度达350km/h，位居世界**。为了继续引领世界高速铁路发展，中国国家铁路集团有限公司（简称“国铁集团”）启动了“CR450科技创新工程”，将研发更安全、更环保、更节能、更智能、持续速度为400km/h的复兴号动车组新产品，为适应未来5G环境运营做准备。
　　众所周知，铁路车辆是指在专门铺设的轨道上运行的交通工具。截至2021年底，全国铁路机车拥有量约2.17万台，全年可发送旅客约26亿人次、货物近48亿t。在不断满足速度更高、寿命更长、载重量更大的服役条件下，铁路车辆部件也面临着越来越严苛的环境条件，这就对车辆结构疲劳强度和动力学性能提出了严峻挑战。自铁路诞生以来，发生了多起车辆部件疲劳破坏引发的灾难性事故。与此同时，由于我国铁路在用规模不断扩大，车辆结构失效频发，严重威胁着铁路运营安全，因此迫切需要研究关键部件的损伤破坏规律，以便及时、准确地开展运维管理和保障工作。本章1.1节*先介绍现代铁路车辆的基本组成及特点，随后在1.2节给出结构完整性的概念与基本内涵，逐步引导理解车辆结构强度及可靠性设计理念，以及开展智能运维的时代背景。
　　？1.1　车辆结构的基本组成
　　现代铁路车辆由众多零部件和子系统组成，具有低运行阻力、可自行导向、成编组运行和严格的尺寸限制等特点。例如，一列高速列车约有50万个零部件，其中50%为焊接件，设计服役寿命长达30年。不同客运车辆结构的形式与功能迥异，概括来说可以分为车体、走行部、制动装置、车端连接装置和车辆内部设备等五个主要部分；而对于货运车辆，其结构组成相对简单一些，主要包括车体和转向架两个部分。这些重要部件构成了一个完整系统，具有管控幅度广、服役周期长、技术细节多、质量要素杂等特点，对当前铁路车辆结构完整性及安全可靠服役提出了严峻挑战。为了更好地理解本书所提出的结构完整性评估这一新概念，需要对现代铁路车辆的基本组成及特点有一定认识，下面对车辆结构各组成分别进行叙述。
　　？1.1.1　车体
　　车体是铁路车辆结构的基本骨架，具有装填货物、容纳旅客和整备物品的重要作用，同时还是安装和连接其他四个组成部分的基础。一般地，车体结构由车顶、端墙、侧墙和底架等部分组成。铁路车辆按照运输对象的不同可分为客运车辆与货运车辆两个大类，所以车体也可分为客车车体和货车车体，图1.1给出了典型货车车体和客车车体的基本结构组成。车体各部分受载情况不同，所以对各位置校核的关注重点也有所不同。车顶在满足强度和刚度要求的同时应通过防漏雨试验，端墙则需要特别关注其抗纵向冲击的能力，容易出现应力集中的门窗开孔位置是侧墙的薄弱区域，承载车辆绝大部分重量的底架是强度校核的关键部件。
　　图1.1　典型车体结构组成
　　图1.1（a）为我国大秦线C80货车的车体结构组成，该车体主要运用于煤矿重载运输线路，设计轴重一般不低于25t，*高运行速度可达120km/h。为了便于货物装填，C80车体一般没有车顶，除底架采用钢焊接结构外，其他均采用铝合金板材和挤压型材的铆接结构，这是国内*次采用铝合金材料制造的货车车体。本书仅以C80为例对货车车体结构进行介绍，实际上货车有多种分类形式，如通用货车可分为敞车、棚车、罐车和平车等，专用货车又可分为漏斗车、自翻车等。这些车型在结构设计上差异较大，限于篇幅这里不再一一介绍。图1.1（b）为某动车组车体结构组成，与C80车体结构相似，均包含了端墙、侧墙和底架结构，其上还设有车顶，侧墙上开有车窗，车厢整体形成了一个相对密闭的环境，可提升旅客的乘坐舒适性。该客车车体也采用铝合金挤压型材，在减轻自身重量的同时，还具有耐腐蚀、可焊性好和易于加工等诸多优点，但制造价格较高。该型动车组可在改造的既有线和新铺设的高速线路上运行，*高速度为250km/h。除了铝合金材料，常用的车体材料还有不锈钢和耐候钢。不锈钢材料抗拉和屈服强度高，也具有良好的耐腐蚀性能，使用时可以不用涂装防锈油漆，但是其可焊性不如铝合金，容易产生较大的热塑变形，在焊接时需特别注意。国内从瑞典庞巴迪公司引进的CRH1型列车车体采用的正是不锈钢材料，也取得了良好的运用效果。普通客车车体常采用耐候钢材料，如国内第三代25型客车车体，车体零部件在焊接前要进行抛丸处理。对设计人员而言，不论是客车车体还是货车车体，在设计时车体尺寸必须严格地遵循铁路限界的相关要求。
　　？1.1.2　走行部
　　由两个及以上轮对用专门的构架组成的小车即走行部，通常情况下走行部也称为转向架。转向架是铁路车辆*重要的组成部分，往上可以支撑车体承受并传递载荷，往下依靠轮轨关系可自行导向顺利通过*线，还可将车轮的滚动转化为构架和车体向前的平动。转向架类型繁多且结构各异，通常由轮对、轴箱装置、弹性悬挂装置、构架、基础制动装置和牵引装置等组成。根据载运对象的不同，转向架也可分为货车转向架与客车转向架，典型结构如图1.2所示。其中，轮对承载车辆全部重量，车轮踏面需设计具有一定斜度以保证顺利通过*线；轴箱装置是构架与轮对的活动关节，传递两者间各个方向的载荷，同时还具有衰减轮轨力的作用；构架是转向架的骨架，它将转向架各部件组成一个整体，其上布有各种安装座和接口，可承受和传递各个方向的载荷。
　　图1.2　转向架典型结构
　　一般地，货车和客车转向架都会安装弹簧减振装置，用以保障运行安全和乘坐舒适性。由于不考虑旅客的乘坐体验且速度较低，货车转向架一般只安装一系减振悬挂装置。图1.2（a）为典型货车转向架基本结构，注意其弹簧装置安装在侧架和摇枕之间，而有的安装在轴箱位置，这两种安装方式各有优劣，本书不进行比较分析。由于货车轴重较大，所以通常将摇枕和构架都做得比较粗大以保证其具有足够的强度和刚度。货车转向架的制动方式一般采用简单的单侧闸瓦制动，速度较高或制动性能需求高时还可以采用双侧闸瓦制动。客车转向架一般具有两级悬挂装置，一系悬挂安装在轮对与构架之间，包括一系钢簧和一系垂向减振器等；二系悬挂安装在车体（或枕梁）与构架之间，包括空气弹簧、抗蛇行减振器、二系垂向减振器和二系横向减振器等，这些悬挂装置共同协作保障了车辆安全运行及平稳性。高速客车转向架可细分为动力型与非动力型，图1.2（b）展示了非动力转向架基本结构组成。对于动力转向架，其上还安装有驱动装置如电机和齿轮箱等。电机的安装方式对车辆动力学性能影响显著，常见的电机安装方式有轴悬式、架悬式和体悬式等，几种安装方式各有利弊，这里不进行详细分析。客车转向架可采用的制动方式有很多，将在1.1.3节进行介绍。
　　高速客车转向架构架通常采用焊接工艺进行制造，常用材料为符合欧洲标准的S355J2W合金钢，其他轻质材料如钛合金、碳纤维等则被视为构架材料的重要发展方向。国内外一直有关于构架在运用过程中产生开裂现象的报道，裂纹往往从构架焊缝位置起裂，这无疑给车辆的安全运行带来极大隐患，由此对含缺陷构架进行损伤容限评估就变得非常重要，本书将会在后面的章节中进行细致分析。总体来说，货车转向架结构较为简单，在设计时以经济性、可维护性为主要考量。客车转向架，特别是高速客车转向架，结构往往比较复杂，设计时会综合考虑诸多因素，既要考虑乘坐舒适性、运行安全性，当然还要考虑设计成本等。
　　？1.1.3　制动装置
　　制动盘和闸片是轨道车辆减速和停车的关键制动元件，它们在服役过程中受到摩擦力、制动压力、热应力、离心力以及温度、湿度急剧变化和腐蚀环境的联合作用，这种非常苛刻的服役条件致使摩擦材料发生组织结构的演变、性能衰退，特别是在极端气候环境（极寒、高温等）和异常摩擦（材料质量波动及演变、外来硬质点镶嵌、盘片贴合率低等）条件下，极易导致摩擦材料磨耗过快、偏磨、闸片掉块以及制动盘翘变、划伤、疲劳开裂等问题，从而将显著影响摩擦副的摩阻性能，增加运营成本，危及车辆运行的安全可靠性。根据车辆类型或使用方法，制动方式有不同的分类形式。按照制动力来源可分为空气制动、电制动、机械制动等；根据制动装置的作用对象又可以分为闸瓦制动、盘型制动等；高速客车可将牵引电机转变为发电机进行再生制动或电阻制动，有的还发展了电磁制动作为列车制动方式的补充；按照操作用途还可将制动方式分为常用制动、紧急制动和停车制动等，常用制动用于调节列车的运行速度或者列车进站停车，紧急制动是发生危急情况下使列车尽快停车而采用的制动方式，停车制动是列车停放时使用的制动方式。除了列车处于静止状态施加的停车制动，列车不能长时间处于制动状态，否则会造成制动闸片或闸瓦的温度升高从而降低制动性能。解除或减弱制动作用的操作称为缓解，运行中的列车总是处于制动或缓解状态。无论是长编组列车还是短编组列车，每节车辆都必须安装制动装置。速度较低的城轨车辆和重载货运车辆，一般采用踏面制动就能满足制动需求，而对于高速客运车辆，往往会采取多种制动方式以保障列车制动性能。闸瓦制动和盘型制动是目前*为常见的列车制动方式，下面将对这两种制动方式进行简要介绍，图1.3为两种制动装置的基本结构组成。
　　图1.3　典型制动装置
　　图1.3（a）给出了闸瓦单元制动器的结构组成，在进行制动时，该装置会将来自制动气缸的压力进行一定倍数的放大，由配套的推杆推动闸瓦向前运动与车轮踏面摩擦从而产生制动效果，由于制动力作用于车轮踏面，故也称闸瓦制动为踏面制动。闸瓦产生的制动力大小不仅与踏面闸瓦间的摩擦系数相关，还受到闸瓦材料的影响。根据材质可将闸瓦分为铸铁闸瓦、合成闸瓦和粉末冶金闸瓦，其中铸铁闸瓦根据含磷量的不同又可分为普通铸铁闸瓦、中磷铸铁闸瓦、高磷铸铁闸瓦和合金铸铁闸瓦。一般地，提高闸瓦材料的含磷量可以显著改善制动性能，但含磷量过高的闸瓦容易脆断，从而危及行车安全。尽管采用闸瓦制动产生的噪声较大，还会加速车轮踏面的磨耗，但是其结构简单，维护方便，制造和维护成本也较低，所以货运车辆、地铁车辆和低速客车常采用该制动方式。对高速列车而言，闸瓦制动不再满足制动需求，*常采用的制动方式为盘型制动。盘型单元制动器结构如图1.3（b）所示，该制动装置的工作原理与闸瓦制动相似，只不过将制动力作用于制动盘上，制动盘通常安装在车轮或车轴上，通过制动闸片压紧制动盘，将动能转化为热能从而产生制动效果。盘型制动可有效减少闸瓦对车轮的磨耗，在一定程度上延长了车轮的使用寿命，通常情况下制动闸片的面积要大于闸瓦面积，所以盘型制动的磨耗率小于闸瓦制动。
　　当前，在高速列车制动系统中，闸瓦材料已从普通铸铁、特种铸铁发展到合成材料和粉末冶金材料；制动盘材料已从铸铁、铸钢、铸铁-铸钢复层和锻钢材料，发展到碳/碳纤维、铝合金基和陶瓷基复合材料；闸片材料已经有了合成材料、粉末冶金材料和复合材料。国内目前*常用的制动盘材料为铜基粉末冶金（P/M），该材料导热性好，抗腐蚀能力强，制动性能不受雨雪天气等影响。陶瓷基P/M材料密度低、强度高、耐高温、制动噪声小、无火花、耐磨性好、抗氧化能力强，被认为是未来高速制动盘材料的有益选择。车辆制动方式众多，限于篇幅这里不再赘述。近年来，在国铁集团推行铁路车辆部件修程修制改革的背景下，高速动车组制动盘的国产化工作及增寿延寿也成为重要的研究课题，本书也将在后面的章节中进行相关的讨论。
　　？1.1.4　车端连接装置
　　车端连接装置的正确安装是列车成功连挂编组运行的基本保障，其主要由车钩、缓冲器、电气装置和风挡等部分组成，具有传递牵引制动力、减小车辆间纵向冲动的重要作用。其中车钩缓冲器是车端连接装置中*为重要的组成部分，下面将着重介绍车钩的结构特点。