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[摘 要]通过对高速动车组地板技术分析，引导出可行的地板设计方案，并对实际应用进行故障评估
[关键词]高速动车组 地板 技术分析 设计方案 故障评估
中图分类号：D221 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）13-0265-03
当前高速动车组发展迅速，对高速动车组的设计也提出了新时代的高标准要求，本文从地板设计的角度，对地板设计进行分析，以便能找出合理的设计方案，并对既有设计进行故障评估，从而寻求设计出能满足当前时代要求的高标准高速动车组地板。
一.技术分析
1.功能需求分析
1.1. 基本功能需求分析
1.1.1. 防火功能分析
（1）防火标准
内装材料阻燃性能应满足TB/T 3237-2010《动车组用内装材料阻燃技术条件》的各项规定，其他非金属材料的阻燃要求应满足TB/T 3138-2006《机车车辆阻燃材料技术条件》或DIN5510-2-2009《铁路车辆的防火保护第2部分-材料、部件的燃烧特性和伴生现象-等级划分、要求和测试方法》（防火等级2级）的要求。
（2）防火性能
1）.当地板防火性能执行标准DIN5510-2：2009-05时指标要求：
燃烧等级（燃烧性、发烟性）、毒性，指标要求：SF3/Toxic：30min（FED≤1）
2）.当地板防火性能执行标准TB/T3237-2010时指标要求：
氧指数≥30，燃烧性A、B级，毒性、烟密度参见TB/T3237-2010中表3、表4
1.1.2. 环保性能分析
（1）环保标准
应符合TB/T3139-2006 《铁路客车内装材料有害物质限量技术条件》的内装材料胶粘剂中有害物质限量的规定。
（2）环保性能
根据TB/T3139-2006标准要求，地板材料的环保性能须满足：游离甲醛含量不超过1.5mg/l；胶粘剂有害物质限量按TB/T3139-2006中3.3项执行；油漆涂料类有害物质限量按TB/T3139-2006中3.4项执行。
1.1.3. 振动性能分析
以某高铁线路实测的车体振动频谱为输入条件，通过对地板系统的模拟线路运行振动试验，分析出地板加速度振幅目标值：
1）20～70Hz，260～320Hz频率范围 ≤0.07m2/S；
2）降低150Hz左右因车体激励导致产生局部振颤的峰值。
1.1.4. 噪声分析
（1）车内噪声标准
车内噪声按GB/T 12816《铁路客车噪声的评定》执行，其中，当列车以 250 km/h 速度在空旷平直线路上运行时车内噪声限值如下：
* 一等车客室：≯65 dB（A）
* 二等车客室（包括餐车餐厅）：≯68 dB（A）
* 司机室：≯78 dB（A）
（2）地板隔音性能
参照上表，根据线路测试数据，不考虑车间连接处、车门、门窗密封性等因素影响的情况下，要满足车内噪声不高于72dB（A）要求，地板断面近场声压级应控制在74dB（A）左右，由此确定地板的隔声量目标值如下表所示：
表1 目标隔声量设定 单位：dB（A）
1.1.5. 轻量化分析
在满足强度、刚度等基本条件下，地板平均面密度低于18.2㎏/㎡。
1.1.6. RAMS分析
（1）基本可靠性指标：
（2） 延误及掉线服务可靠性指标：
1.2. 物理性能分析
1.2.1. 拉伸强度
考虑承受拉伸载荷最大的部位座椅，根据座椅最大载荷计算拉伸强度，并考虑必要的安全余量提出设定拉伸强度参数，测定标准采用GB/T1452-2005（夹层结构平拉强度试验方法）。
1.2.2. 抗压强度
地板承载的压力载荷需要满足人及行李物品对地板的冲击载荷作用，根据动车组允许承载的最大行李物品重量，考虑最大的冲击加速度计算抗压强度，并考虑必要的安全余量提出设定抗压强度参数。测定标准采用GB/T1453-2005（夹层结构或芯子平压性能试验方法）。
1.2.3. 弯曲性能
根据最大承载质量和最大跨距，按照剪切应力公式和面板应力计算公式计算确定弯曲强度，并考虑必要的安全余量提出设定弯曲强度参数。地板弯曲性能的测定标准采用GB/T1456-2005（夹层结构弯曲性能试验方法）。
1.2.4. 抗冲击强度
抗冲击强度是校核地板集中承载能力的指标，目前无统一的国家标准。借鉴现有动车组地板及地铁车辆地板抗冲击强度的试验方法，即：在地板上粘贴地板布情况下，质量为500g的Ф50钢球从2m高处落下，测含地板布的蜂窝板的塌陷量。
1.2.5. 剥离强度
剥离强度是考核夹芯结构面板与芯材之间的粘结强度，根据最大残余应力计算剥离强度，并考虑必要的安全余量提出设定参数。剥离强度试验方法采用GB/T1457-2005（夹层结构滚筒剥离强度试验方法）。
1.2.6. 疲劳强度
疲劳强度是评价地板板在长期运营条件下可靠性的重要指标，激振强度和激振次数的确定是根据五级修程来确定，动车组地板的疲劳强度需从两方面进行评价：
（1）地板在车辆满载运营工况下的振动疲劳强度。
振动疲劳强度的振动加速度与振动次数根据地板的寿命及线路测试数据来确定。借鉴现有运行的高铁动车组地板，地板的使用寿命取12年；选取200公里级线路地板测试数据中出现的振动加速度有效值的最大峰值作为激振强度，以线路数据中高于平均加速度的振动峰值平均次数为基础推算整个运营里程的峰值次数。 （2）地板在车辆快速乘降由满载（空载）变空载（满载）过程中疲劳寿命的校核。
根据地板的试验寿命及线路运营站点数量推算处疲劳强度激振次数；根据车辆载客量算出车辆在空、满载工况下的地板载荷，并以此作为疲劳激振强度。
需采用模拟实车安装结构的试验来校核地板在车辆满载运营工况下的振动疲劳强度；地板在车辆快速乘降由满载（空载）变空载（满载）过程中疲劳寿命的校核通过模拟实车安装结构的试验与小部件疲劳强度试验进行，其中小部件疲劳强度试验方法借鉴标准GB/T1456-2005（夹层结构弯曲性能试验方法）中的三点弯曲试验方法（试样宽度：76；试验跨距同实车地板支撑间距）。
2.材料选择分析
2.1. 铝蜂窝铝面地板、铝蜂窝铁面地板、复合隔音地板性能对比
现有车材料性能对比：（见表1）
面密度对比：（见表2）
2.2.材料分析结论
综合以上因素，对于目标隔声量较高的区域选用隔音地板，在各项性能相近的情况下选用轻质的材料，对于目标隔声量较低的区域选用铝蜂窝地板。铝蜂窝铝面板的面密度远远低于其它两种地板材料，从地板轻量化角度上分析，中部地板材料应选用铝蜂窝铝面板。
3.设计接口分析（边界条件分析）
3.1.车体
地板安装需满足与外端、侧拉门之间的过渡连接，考虑侧拉门立柱与地板间考虑避让空间关系。
3.2.车内间壁
间壁在地板上的安装固定，需要在间壁固定部位增加补强，保证间壁的安装强度；
3.3.风道电器走线
地板与风道出风口、电器走线需避让空间关系，需综合考虑进排气风道的分布情况和旅客界面情况，需满足风口和电器走线口不外露；
3.4.座椅
考虑座椅等设备间在地板上的安装固定，座椅作为主要的承载设备间，对安装强度有特殊的要求，因此座椅安装座需满足座椅在极端条件下的承载要求。
3.5.盒子间、配电盘
地板与盒子间、配电盘之间需避让空间关系。
3.6.侧开门、端部门、内部门
侧开门机构处地板需避让空间关系，但同时还应考虑防水性能；
端部门、内部门下滑轨在地板上的安装，地板需要考虑加补强。
二.技术方案
1.材料选型
根据动车组应用材料的隔音性能，端部地板应选择隔声量大的隔音地板或铝蜂窝铁面地板，中部地板选择三种材质均可，但应考虑整车重量因素。
2.结构设计
2.1. 地板分块
2.1.1. 地板分块受座椅位置、回风口位置、地板幅宽、通过台位置等因素影响，同时尽量做到地板规格型号统一，布置有规律。.
2.1.2. 由于通过台为上下客区域，运用工况恶劣于其他部位，因此将通过台处地板设计为整块地板。
2.1.3. 在满足安装工艺及功能性前提下尽量采用整幅板材（铝板、胶合板等），提高板材利用率。铝板（一般采用卷材）的幅宽为1200（加宽铝板为1500）；胶合板的板幅一般为1220X2440。
2.1.4. 复合隔音地板受复合工艺影响（胶合板不能拼接），整体幅宽不能超过1260mm。
2.1.5. 为保证地板能够被顺利地搬进车内进行安装，地板对角线要小于车体横向对角线长度，需合理地选定地板纵向尺寸，250公里地板纵向最大设计尺寸为1960。
2.1.6. 地板在生产、搬运、安装过程中一般为2人配合工作，为便于地板安装，单块地板重量不能超过80Kg。
3.接口设计（含工艺分析（如何消除误差积累）及可维护性分析）
3.1. 与车体接口
二等车地板与车体间采用刚性连接，断面如下：
一等车地板与车体间采用柔性连接，断面如下：
3.2. 与车外接口
为方便侧拉门检修，地板与侧拉门间闪缝并铺设装饰压条。断面如下：
3.3. 内部接口
（1）地板周边采用型材封边，两地板搭接后采用抽芯铆钉进行固定，断面如下：
（2）地板与电加热器，断面如下：
（3）间壁直接安装在地板上，地板内预留间壁生根用补强。
（4）地板布直接粘接在车内地板上，铺装地板布前要对车内地板进行打磨处理，以增加地板表面的粗糙度，提高地板不的粘结强度；同时提高地板的整体平整度。
三.故障评估
1.出现故障的类型
在车辆的应用过程中，地板部位可能出现的故障类型有：地板布磨损、地板塌陷、座椅用安装座脱出、座椅用丝套脱出、地板鼓泡开胶、拉铆钉脱落、面板腐蚀等。
2.对应的措施
（1）地板布磨损：在设计时将地板布接缝尽量设置于间壁与座椅下部等磨损较小的地方，避免横、纵缝交汇点位于客室可见区域；同时可采用挖补等方式进行地板布磨损部位进行修复；
（2）地板塌陷：设计时合理地选择芯材，合理设置地板支撑间距并尽量均布；
（3）座椅用安装座脱出：根据座椅丝套的向上拉力与向下压力载荷值合理选择地板面板厚度与座椅丝套安装座表面积；
（4）座椅用丝套脱出：丝套旋入安装座时采用螺纹锁固剂进行防松固定；
（5）地板鼓泡开胶（复合隔音地板）：改进复合固化胶水，不使用热敏性胶水；
（6）拉铆钉脱落：明确铆钉钻孔尺寸要求同时增加地板接缝处型材的搭接长度尺寸；
（7）面板腐蚀（铝蜂窝铁面板）：对出现面板腐蚀的地板及时更换，250公里城际动车组不采用铝蜂窝铁面板。
四.下一步工作
对复合隔音地板轻量化改进并进行一系列试验验证：如：隔音试验、弯曲强度试验、小件疲劳性能试验、抗冲击试验、丝套安装座强度试验、防火试验、抗拉强度试验、剥离强度试验、胶合板性能试验、耐沸水煮试验、甲醛释放量试验、打磨试验、模拟实车运营环境的大部件疲劳试验等；
对铝蜂窝板进行相应的实验验证，如小件疲劳试验、弯曲强度试验、隔音试验、剥离试验、抗压强度试验、抗拉强度试验、模拟实车运营环境的大部件疲劳试验等。
[关键词]高速动车组 地板 技术分析 设计方案 故障评估
中图分类号：D221 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）13-0265-03
当前高速动车组发展迅速，对高速动车组的设计也提出了新时代的高标准要求，本文从地板设计的角度，对地板设计进行分析，以便能找出合理的设计方案，并对既有设计进行故障评估，从而寻求设计出能满足当前时代要求的高标准高速动车组地板。
一.技术分析
1.功能需求分析
1.1. 基本功能需求分析
1.1.1. 防火功能分析
（1）防火标准
内装材料阻燃性能应满足TB/T 3237-2010《动车组用内装材料阻燃技术条件》的各项规定，其他非金属材料的阻燃要求应满足TB/T 3138-2006《机车车辆阻燃材料技术条件》或DIN5510-2-2009《铁路车辆的防火保护第2部分-材料、部件的燃烧特性和伴生现象-等级划分、要求和测试方法》（防火等级2级）的要求。
（2）防火性能
1）.当地板防火性能执行标准DIN5510-2：2009-05时指标要求：
燃烧等级（燃烧性、发烟性）、毒性，指标要求：SF3/Toxic：30min（FED≤1）
2）.当地板防火性能执行标准TB/T3237-2010时指标要求：
氧指数≥30，燃烧性A、B级，毒性、烟密度参见TB/T3237-2010中表3、表4
1.1.2. 环保性能分析
（1）环保标准
应符合TB/T3139-2006 《铁路客车内装材料有害物质限量技术条件》的内装材料胶粘剂中有害物质限量的规定。
（2）环保性能
根据TB/T3139-2006标准要求，地板材料的环保性能须满足：游离甲醛含量不超过1.5mg/l；胶粘剂有害物质限量按TB/T3139-2006中3.3项执行；油漆涂料类有害物质限量按TB/T3139-2006中3.4项执行。
1.1.3. 振动性能分析
以某高铁线路实测的车体振动频谱为输入条件，通过对地板系统的模拟线路运行振动试验，分析出地板加速度振幅目标值：
1）20～70Hz，260～320Hz频率范围 ≤0.07m2/S；
2）降低150Hz左右因车体激励导致产生局部振颤的峰值。
1.1.4. 噪声分析
（1）车内噪声标准
车内噪声按GB/T 12816《铁路客车噪声的评定》执行，其中，当列车以 250 km/h 速度在空旷平直线路上运行时车内噪声限值如下：
* 一等车客室：≯65 dB（A）
* 二等车客室（包括餐车餐厅）：≯68 dB（A）
* 司机室：≯78 dB（A）
（2）地板隔音性能
参照上表，根据线路测试数据，不考虑车间连接处、车门、门窗密封性等因素影响的情况下，要满足车内噪声不高于72dB（A）要求，地板断面近场声压级应控制在74dB（A）左右，由此确定地板的隔声量目标值如下表所示：
表1 目标隔声量设定 单位：dB（A）
1.1.5. 轻量化分析
在满足强度、刚度等基本条件下，地板平均面密度低于18.2㎏/㎡。
1.1.6. RAMS分析
（1）基本可靠性指标：
（2） 延误及掉线服务可靠性指标：
1.2. 物理性能分析
1.2.1. 拉伸强度
考虑承受拉伸载荷最大的部位座椅，根据座椅最大载荷计算拉伸强度，并考虑必要的安全余量提出设定拉伸强度参数，测定标准采用GB/T1452-2005（夹层结构平拉强度试验方法）。
1.2.2. 抗压强度
地板承载的压力载荷需要满足人及行李物品对地板的冲击载荷作用，根据动车组允许承载的最大行李物品重量，考虑最大的冲击加速度计算抗压强度，并考虑必要的安全余量提出设定抗压强度参数。测定标准采用GB/T1453-2005（夹层结构或芯子平压性能试验方法）。
1.2.3. 弯曲性能
根据最大承载质量和最大跨距，按照剪切应力公式和面板应力计算公式计算确定弯曲强度，并考虑必要的安全余量提出设定弯曲强度参数。地板弯曲性能的测定标准采用GB/T1456-2005（夹层结构弯曲性能试验方法）。
1.2.4. 抗冲击强度
抗冲击强度是校核地板集中承载能力的指标，目前无统一的国家标准。借鉴现有动车组地板及地铁车辆地板抗冲击强度的试验方法，即：在地板上粘贴地板布情况下，质量为500g的Ф50钢球从2m高处落下，测含地板布的蜂窝板的塌陷量。
1.2.5. 剥离强度
剥离强度是考核夹芯结构面板与芯材之间的粘结强度，根据最大残余应力计算剥离强度，并考虑必要的安全余量提出设定参数。剥离强度试验方法采用GB/T1457-2005（夹层结构滚筒剥离强度试验方法）。
1.2.6. 疲劳强度
疲劳强度是评价地板板在长期运营条件下可靠性的重要指标，激振强度和激振次数的确定是根据五级修程来确定，动车组地板的疲劳强度需从两方面进行评价：
（1）地板在车辆满载运营工况下的振动疲劳强度。
振动疲劳强度的振动加速度与振动次数根据地板的寿命及线路测试数据来确定。借鉴现有运行的高铁动车组地板，地板的使用寿命取12年；选取200公里级线路地板测试数据中出现的振动加速度有效值的最大峰值作为激振强度，以线路数据中高于平均加速度的振动峰值平均次数为基础推算整个运营里程的峰值次数。 （2）地板在车辆快速乘降由满载（空载）变空载（满载）过程中疲劳寿命的校核。
根据地板的试验寿命及线路运营站点数量推算处疲劳强度激振次数；根据车辆载客量算出车辆在空、满载工况下的地板载荷，并以此作为疲劳激振强度。
需采用模拟实车安装结构的试验来校核地板在车辆满载运营工况下的振动疲劳强度；地板在车辆快速乘降由满载（空载）变空载（满载）过程中疲劳寿命的校核通过模拟实车安装结构的试验与小部件疲劳强度试验进行，其中小部件疲劳强度试验方法借鉴标准GB/T1456-2005（夹层结构弯曲性能试验方法）中的三点弯曲试验方法（试样宽度：76；试验跨距同实车地板支撑间距）。
2.材料选择分析
2.1. 铝蜂窝铝面地板、铝蜂窝铁面地板、复合隔音地板性能对比
现有车材料性能对比：（见表1）
面密度对比：（见表2）
2.2.材料分析结论
综合以上因素，对于目标隔声量较高的区域选用隔音地板，在各项性能相近的情况下选用轻质的材料，对于目标隔声量较低的区域选用铝蜂窝地板。铝蜂窝铝面板的面密度远远低于其它两种地板材料，从地板轻量化角度上分析，中部地板材料应选用铝蜂窝铝面板。
3.设计接口分析（边界条件分析）
3.1.车体
地板安装需满足与外端、侧拉门之间的过渡连接，考虑侧拉门立柱与地板间考虑避让空间关系。
3.2.车内间壁
间壁在地板上的安装固定，需要在间壁固定部位增加补强，保证间壁的安装强度；
3.3.风道电器走线
地板与风道出风口、电器走线需避让空间关系，需综合考虑进排气风道的分布情况和旅客界面情况，需满足风口和电器走线口不外露；
3.4.座椅
考虑座椅等设备间在地板上的安装固定，座椅作为主要的承载设备间，对安装强度有特殊的要求，因此座椅安装座需满足座椅在极端条件下的承载要求。
3.5.盒子间、配电盘
地板与盒子间、配电盘之间需避让空间关系。
3.6.侧开门、端部门、内部门
侧开门机构处地板需避让空间关系，但同时还应考虑防水性能；
端部门、内部门下滑轨在地板上的安装，地板需要考虑加补强。
二.技术方案
1.材料选型
根据动车组应用材料的隔音性能，端部地板应选择隔声量大的隔音地板或铝蜂窝铁面地板，中部地板选择三种材质均可，但应考虑整车重量因素。
2.结构设计
2.1. 地板分块
2.1.1. 地板分块受座椅位置、回风口位置、地板幅宽、通过台位置等因素影响，同时尽量做到地板规格型号统一，布置有规律。.
2.1.2. 由于通过台为上下客区域，运用工况恶劣于其他部位，因此将通过台处地板设计为整块地板。
2.1.3. 在满足安装工艺及功能性前提下尽量采用整幅板材（铝板、胶合板等），提高板材利用率。铝板（一般采用卷材）的幅宽为1200（加宽铝板为1500）；胶合板的板幅一般为1220X2440。
2.1.4. 复合隔音地板受复合工艺影响（胶合板不能拼接），整体幅宽不能超过1260mm。
2.1.5. 为保证地板能够被顺利地搬进车内进行安装，地板对角线要小于车体横向对角线长度，需合理地选定地板纵向尺寸，250公里地板纵向最大设计尺寸为1960。
2.1.6. 地板在生产、搬运、安装过程中一般为2人配合工作，为便于地板安装，单块地板重量不能超过80Kg。
3.接口设计（含工艺分析（如何消除误差积累）及可维护性分析）
3.1. 与车体接口
二等车地板与车体间采用刚性连接，断面如下：
一等车地板与车体间采用柔性连接，断面如下：
3.2. 与车外接口
为方便侧拉门检修，地板与侧拉门间闪缝并铺设装饰压条。断面如下：
3.3. 内部接口
（1）地板周边采用型材封边，两地板搭接后采用抽芯铆钉进行固定，断面如下：
（2）地板与电加热器，断面如下：
（3）间壁直接安装在地板上，地板内预留间壁生根用补强。
（4）地板布直接粘接在车内地板上，铺装地板布前要对车内地板进行打磨处理，以增加地板表面的粗糙度，提高地板不的粘结强度；同时提高地板的整体平整度。
三.故障评估
1.出现故障的类型
在车辆的应用过程中，地板部位可能出现的故障类型有：地板布磨损、地板塌陷、座椅用安装座脱出、座椅用丝套脱出、地板鼓泡开胶、拉铆钉脱落、面板腐蚀等。
2.对应的措施
（1）地板布磨损：在设计时将地板布接缝尽量设置于间壁与座椅下部等磨损较小的地方，避免横、纵缝交汇点位于客室可见区域；同时可采用挖补等方式进行地板布磨损部位进行修复；
（2）地板塌陷：设计时合理地选择芯材，合理设置地板支撑间距并尽量均布；
（3）座椅用安装座脱出：根据座椅丝套的向上拉力与向下压力载荷值合理选择地板面板厚度与座椅丝套安装座表面积；
（4）座椅用丝套脱出：丝套旋入安装座时采用螺纹锁固剂进行防松固定；
（5）地板鼓泡开胶（复合隔音地板）：改进复合固化胶水，不使用热敏性胶水；
（6）拉铆钉脱落：明确铆钉钻孔尺寸要求同时增加地板接缝处型材的搭接长度尺寸；
（7）面板腐蚀（铝蜂窝铁面板）：对出现面板腐蚀的地板及时更换，250公里城际动车组不采用铝蜂窝铁面板。
四.下一步工作
对复合隔音地板轻量化改进并进行一系列试验验证：如：隔音试验、弯曲强度试验、小件疲劳性能试验、抗冲击试验、丝套安装座强度试验、防火试验、抗拉强度试验、剥离强度试验、胶合板性能试验、耐沸水煮试验、甲醛释放量试验、打磨试验、模拟实车运营环境的大部件疲劳试验等；
对铝蜂窝板进行相应的实验验证，如小件疲劳试验、弯曲强度试验、隔音试验、剥离试验、抗压强度试验、抗拉强度试验、模拟实车运营环境的大部件疲劳试验等。