鐵路通用敞車裝運35t敞頂箱裝載加固裝置設(shè)計及受力分析

馮自強

[摘要]隨著“公轉(zhuǎn)鐵”進(jìn)一步深化，使用35t敞頂箱裝運散糧成為一種經(jīng)濟快捷的運輸方式。由于70t敞車車內(nèi)尺寸較長，裝載兩個35t敞頂箱后，在縱方向上將會有近1m的空隙，為了確保35t敞頂箱運輸安全，防止運輸過程中敞頂箱發(fā)生碰撞損、偏載等事故，裝車時采取制作木框的方式進(jìn)行加固。通過分析敞頂箱在鐵路運輸過程中的受力對木框各部件的影響，確定木框的每個部件最小規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，以降低裝載加固材料成本，提高裝載加固效率，節(jié)省不必要的裝載加固費用，提升鐵路運輸?shù)氖袌龈偁幜?，最終達(dá)到提高經(jīng)濟效益的目的。

[關(guān)鍵詞]鐵路運輸;敞頂箱;加固裝置;受力分析

[中圖分類號]U294.25[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]1005-152X（2021）12-0112-06

Design and Force Analysis of Loading and Strengthening Device for 35-ton Open-top Container Used on General Railway Gondola Cars

FENGZ iqiang

（China Railway Wuhan Group Co.，Ltd.，Zhumadian Train Depot，Zhumadian 463000，China）

Abstract：With the advancement of the “highway- to- railway transfer”campaign，the 35t open- top box gains popularity as an economical and fast means for bulk grain transportation. Since a 70t gondola can accommodate two 35t open top boxes lengthwise and still leave a nearly 1m gap between the boxes，in order to ensure in- transit safety of the 35t open top boxes and prevent them from collision or skewing，etc.，wooden frames are often used to fix and reinforce the boxes. By analyzing the influence of the force of the open-top boxes on the components of the wooden frame during railway transportation，we determined the minimum specification for each component of the wooden frame for the purpose to reduce the cost of loading and strengthening，improve loading and strengthening efficiency，save unnecessary loading and strengthening expenditures，enhance the market competitiveness of railway transportation，and ultimately achieve better economic benefits.

Keywords：railway transportation;open top box;strengthening device;force analysis

0引言

每年夏季鐵路都會迎來小麥運輸旺季，鐵路裝載小麥運輸?shù)某Ｓ梅绞接腥N：一是將小麥打包使用棚車裝運，按成件包裝貨物運輸;二是使用散糧專用集裝袋敞車裝運，按散堆裝貨物運輸;三是使用敞頂箱裝運，按集裝化運輸。其中，敞頂箱因裝卸方便、作業(yè)快捷、裝卸地點靈活，相比棚車和敞車裝運具有安全性高、裝卸效率高等優(yōu)點，成為貨主最受歡迎的散糧裝載方式。敞頂箱最理想的運輸方式是使用專用平板或兩用平板直接裝運，無需任何加固就能保證運輸安全，且能夠有效地降低貨主運輸成本。但實際裝運過程中，受各地同時裝箱量大，專用平車和兩用平車難以調(diào)配等多種因素影響，促使70t 敞車裝載敞頂箱成為另一種行之有效的方式。但是，這種方式需要設(shè)計一種專用的加固裝置才能保證運輸安全。本文通過現(xiàn)場調(diào)研、理論分析和計算，結(jié)合實際設(shè)計出一種通用裝載加固裝置來保證敞頂箱運輸安全。

1敞頂箱鐵路運輸裝載加固強度計算及裝載加固裝置設(shè)計

以車型C70E為例，計算分析過程中需要用到的參數(shù)如下：自重24t，載重70t，車內(nèi)長13 000mm，內(nèi)寬2 890mm，內(nèi)高2 150mm，轉(zhuǎn)向架中心距9 210mm，地板面至軌面高1 083mm，空車重心高1102mm[1].

35t敞頂箱參數(shù)：長6 058mm，寬2 550mm，高2 896mm，重35t（含篷布、支撐桿、裝載加固裝置）[2]。

1.1單個敞頂箱裝載加固強度及穩(wěn)定性計算

（1）縱向慣性力（剛性）：

T=t₀×Q=（26.69-0.13Q_總）Q=[26.69-0.13×（24+70）]×35=506.450kN

式中：t₀—每t貨物的縱向慣性力，單位：kN/t;

Q_總—重車總重（即車輛和所裝貨物的總重），單位：t;

Q—貨物重量，單位：t。

（2）橫向慣性力（按最大偏載100mm計算）：

式中：n₀—每t貨物的橫向慣性力，單位：kN/t;

a—貨物重心偏離車輛橫中心線的距離，單位：mm;

1—負(fù)重車轉(zhuǎn)向架中心距，單位：mm。

（3）垂直慣性力（按最大偏載100mm計算）：

（4）風(fēng)力：

W=qF=0.49×6.058×（2.896-2.15）= 2.214kN

式中：q—側(cè)向計算風(fēng)壓;受風(fēng)面為平面時，q=0.49kN/m²，受風(fēng)面為圓球體或圓柱體側(cè)面時，q=0.245kN/m²;

F—側(cè)向迎風(fēng)面的投影面積，單位：m²。

（5）摩擦力：

縱向摩擦力：

F^縱=9.8μ=9.8×0.3×35=102.900kN

橫向摩擦力：

式中：μ——摩擦系數(shù)，取0.3（鋼板與鋼板）。

（6）敞頂箱傾覆的穩(wěn)定系數(shù)：

在縱向：

在橫向：

式中：a—貨物重心所在橫向垂直平面至貨物傾覆點之間的距離，單位：mm;

b—貨物重心所在縱向垂直平面至貨物傾覆點

之間的距離，單位：mm;

h—貨物重心自傾覆點所在水平面起算的高度，單位：mm;

h_風(fēng)—風(fēng)力合力作用點自傾覆點所在水平面起算的高度，單位：mm。

敞頂箱在縱向和橫向兩個方向的傾覆力矩小于穩(wěn)定力矩。因此，在運輸過程中敞頂箱不會發(fā)現(xiàn)傾覆現(xiàn)象。

（7）敞頂箱水平移動的穩(wěn)定性：

縱方向：

橫方向：

敞頂箱在縱向和橫向兩個方向會發(fā)生水平移動，需要對敞頂箱進(jìn)行加固，才能確保運輸安全[1]。

1.2敞頂箱裝載加固裝置設(shè)計原則

為了保障運輸過程的安全性，提高敞頂箱鐵路運輸?shù)母偁幜Γ斚溲b載加固裝置的設(shè)計應(yīng)遵循安全性原則、易操作性原則和經(jīng)濟性原則。

（1）安全性原則。安全可靠是敞頂箱加固裝置設(shè)計的最基本要求，也是決定方案是否可行的關(guān)鍵因素。如果安全性差，在運輸過程中敞頂箱發(fā)生碰撞，造成損傷車輛和箱體、偏載等事故的發(fā)生，不僅影響鐵路正常運輸，也損害貨主利益。涉及運輸安全的主要因素包括加固裝置結(jié)構(gòu)強度、運行過程中的貨物穩(wěn)定性和慣性力大小等?？紤]到運行工況的復(fù)雜性和不確定性，敞頂箱裝載加固裝置的最小應(yīng)力必須符合《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》的要求。

（2）易操作性原則。易操作性不僅是衡量方案是否適應(yīng)現(xiàn)場實際裝載加固作業(yè)的重要指標(biāo)，也會直接影響敞頂箱的裝卸運輸效率。在保證安全可靠的基礎(chǔ)上，還須考慮易操作性，要避免過于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，盡可能簡單化，減少不必要的人工作業(yè)環(huán)節(jié)，從而降低現(xiàn)場實際加固裝置制作難度。因此，在設(shè)計時還必須考慮加固裝置的易操作性，如果只考慮裝載加固強度就會造成裝載加固難度高、裝卸車作業(yè)困難或裝卸效率低下等不利于提升鐵路運輸效率的問題。

（3）經(jīng)濟性原則。運輸市場的多元化使得各種運輸方式的競爭日趨激烈，如果在設(shè)計時忽視了經(jīng)濟性原則，往往意味著現(xiàn)有貨源的流失。因此，在保證安全性和易操作性的基礎(chǔ)上，還需從貨主經(jīng)濟效益出發(fā)，盡可能使裝載加固裝置的原料購買方便且用材最省。因此，在設(shè)計、評估加固裝置時不僅要考慮到鐵路自身綜合效益，還要為貨主的利益著想，盡可能設(shè)計綜合費用最低，制作簡單，安全性高的方案，實現(xiàn)鐵路與貨主“共贏”，才能最大程度提升敞頂箱鐵路運輸?shù)氖袌龈偁幜3]。

1.3裝載加固裝置基本結(jié)構(gòu)設(shè)計

敞頂箱在運輸過程中，在縱橫兩個方向都會發(fā)生水平移動，為了方便現(xiàn)場作業(yè)人員裝載加固，采取支撐的方式來防止其發(fā)生水平移動。在保證裝載加固結(jié)構(gòu)強度，滿足安全性、易操作性、經(jīng)濟性前提條件下，結(jié)合本地實際使用木材制作專用的裝載加固裝置是一種經(jīng)濟合理的方式，且能有效減輕裝置重量，降低加固裝載制作難度。

加固裝置基本結(jié)構(gòu)以條型或圓形木料為主，最簡單的設(shè)計方案為在橫向上用方形木塊在重心位置進(jìn)行支撐，縱向上用兩根木條進(jìn)行支撐，同時使用鐵釘兩根定位木條固定，以防止縱墊木在運行過程中轉(zhuǎn)動，從而導(dǎo)致縱支撐失效，如圖1所示。只要保證足夠的結(jié)構(gòu)強度，該設(shè)計方案能夠有效防止敞頂箱在運行和調(diào)車作業(yè)過程中發(fā)生位移。

1.4裝載加固作業(yè)過程中的誤差分析

敞頂箱吊裝入70t敞車后，加固作業(yè)人員在兩側(cè)敞頂箱中心位置放入預(yù)先制作好的橫墊木，然后再打開敞車中門在敞頂箱兩側(cè)放置二根縱墊木，用釘子固定定位木條。在理想狀態(tài)下，只要保證橫墊木、縱墊木、定位木條的應(yīng)力強度能夠滿足列車在運行和調(diào)車過程中所受的力，就能保證敞頂箱運輸安全。

然而，在現(xiàn)場實際裝卸和加固作業(yè)過程中，因作業(yè)人員個體差異導(dǎo)致每次裝載加固與理想情況出現(xiàn)偏差。主要表現(xiàn)在：敞頂箱吊放的位置不可能絕對居中，每次裝載完畢后，敞頂箱左右兩側(cè)空隙距離完全不同;加固材料會因為貨主每次購買的木料不同，其物理性能和應(yīng)力強度不同;在制作過程中對裝載加固裝置尺寸的測量也會因作業(yè)人員不同出現(xiàn)隨機偏差，放置橫墊木位置也會隨機性偏離重心位置，等等。要確保運輸安全，就必須把這些因素考慮進(jìn)來，進(jìn)行綜合分析，設(shè)計裝載加固裝置通用標(biāo)準(zhǔn)，制定每個部件的最低強度標(biāo)準(zhǔn)。在保證安全的同時，也節(jié)省了裝載加固材料費用，方便作業(yè)人員制作和加固[4]。

經(jīng)綜合分析，在作業(yè)過程中影響裝載加固結(jié)構(gòu)強度的主要因素有三點：木材物理性能、橫墊木偏離量、作業(yè)人員的業(yè)務(wù)水平差異。

2敞頂箱在運輸過程中的受力分析及裝載加固裝置結(jié)構(gòu)強度

在實際運輸過程中，除重力外其它的作用力均為變力，大小方向隨著運行條件不斷變化，不同的工況下，加固裝置的各部件受力不同。因此，需要對敞頂箱受力進(jìn)行分析，才能確定裝載加固裝置各個部分的受力強度。在理想狀態(tài)下，使用70t敞車裝運兩個35t敞頂箱即是軸對稱，又是中心對稱。在進(jìn)行力學(xué)分析時，只需要分析一個敞頂箱一側(cè)的受力情況，就能通過對稱分析得出敞頂箱相對另一側(cè)的受力情況。因此，只需對一個敞頂箱運輸途中進(jìn)行力學(xué)分析，就能確定加固裝置的各部件強度。

2.1敞頂箱裝載加固裝置的受力及強度分析

縱墊木受到定位木條的約束，在保證足夠強度條件下無法發(fā)生位移，而橫墊木因作業(yè)空間小難以使用定位木條固定，在運輸過程中有可能會發(fā)生位移。因此，橫墊木的位置是一個變量，會因位置的偏移導(dǎo)致縱橫兩個方向的加固強度發(fā)生變化，從而影響敞頂箱的運輸狀態(tài)。因此，需在適當(dāng)?shù)募俣l件下才能進(jìn)行力學(xué)分析，計算裝載加固裝置各個部分所需的加固強度。為了方便分析，特作以下假設(shè)：

（1）橫墊木在運輸過程中不受摩擦力的影響，僅受到定位木條的約束，可在敞頂箱側(cè)端任意位置?？v墊木受到定位木條的約束，其位置不會發(fā)生變化;

（2）所有木材均為剛體，不計算自重，在分析時將其簡化為薄片，且接觸點能完全與箱體貼合;

（3）當(dāng)敞頂箱受到橫向慣性力時，反方向的一側(cè)橫墊木支撐作用失效，無法產(chǎn)生支撐力;

（4）敞車與敞頂箱在垂直方向的接觸均為光滑接觸，在力學(xué)分析時只考慮敞頂箱與車地板的摩擦力以及敞車與敞頂箱之間的約束力;

（5）因先測量，后制作，導(dǎo)致所有支撐橫、縱墊木與敞頂箱和敞車均有一個細(xì)小的縫隙;

（6）將縱方向定義為左右方向，橫方向定義為上下方向。

2.1.1敞頂箱轉(zhuǎn)動分析。如果無裝載加固裝置及加固措施，敞頂箱在運輸過程中會發(fā)生隨機性位移，在極端情況下，敞頂箱除會出現(xiàn)平移外，還會發(fā)轉(zhuǎn)動（敞頂箱側(cè)墻與敞車側(cè)墻之間的夾角定義為轉(zhuǎn)動角中），可能發(fā)生最大的轉(zhuǎn)動情況如圖2所示。

通過幾何原理求得φ（弧度）的最大值為：

2.1.2橫墊木發(fā)生位移時的受力分析。當(dāng)左側(cè)敞頂箱的下端橫墊木向左發(fā)生位移，且受到向下橫向慣性力時，敞頂箱受到橫墊木的支撐，產(chǎn)生順時針轉(zhuǎn)動的趨勢，同時受到縱墊木的約束。此時，敞頂箱會受到敞車側(cè)墻向右的約束力F₁、下端橫墊木向上的支撐力F₂、縱墊木向左的支撐力F₃，以及自身向下的慣性力ΔN。在裝載加固裝置絕對結(jié)構(gòu)強度條件下，敞頂箱處于平衡狀態(tài)。如圖3所示。

根據(jù)力的可傳性，約束力F₁與橫墊木支撐力F₂的作用線交點視為一個固定鉸鏈支座，約束合力F。根據(jù)三力平衡匯交定理，約束合力F、慣性力ΔN、縱墊木支撐力F₃的作用線必匯交于點O，且保持平衡。因此，F(xiàn)₁與F₃，F(xiàn)₂與ΔN大小相同，方向相反。

設(shè)橫墊木距敞車端墻距離為a，敞頂箱幾何中心（重心）到約束力F₁的作用點距離為L，可以利用力偶平衡原理，建立力的平衡方程如下：

同理，當(dāng)左側(cè)敞頂箱的下端橫墊木向右發(fā)生位移，且受到向下橫向慣性力時，也會發(fā)生類似的轉(zhuǎn)動現(xiàn)象。如圖4所示。

根據(jù)力偶平衡原理，得出縱墊木支撐力F₃：

通過以上分析，可以得出一個結(jié)論，當(dāng)橫墊木的位置發(fā)生變化時，其本身所需的加固強度只與橫向慣性力ΔN大小不變，而縱墊木除了受到縱向慣性力外，還需承受克服敞頂箱轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的支撐力F₃，且該力的大小與慣性力ΔN的大小、橫墊木偏離距離a有關(guān)和轉(zhuǎn)動角φ有關(guān)。

利用成熟的數(shù)學(xué)軟件對該函數(shù)進(jìn)行分析，在受到最大橫向慣性力的情況下，來確定距離a和轉(zhuǎn)動角φ對縱墊木的影響，以確認(rèn)縱墊木最大支撐力，如圖5 所示。并通過該軟件求得F3最大值為：125.589kN。

2.1.3定位木條的受力分析。在保證橫縱墊木的加固強度的前提下，定位木條所受的力主要來自于敞頂箱同時受到縱橫兩個方向的慣性力時，縱墊木與敞頂箱產(chǎn)生摩擦力，用以克服縱墊木發(fā)生上下移動。在進(jìn)行受力分析時，借鑒“傾覆的穩(wěn)定系數(shù)”來分析敞頂箱平在水平方向的穩(wěn)定系數(shù)。

假設(shè)敞頂箱受到縱方向的慣性力ΔT時，要使敞頂箱在水平方向上不發(fā)生轉(zhuǎn)動，其“水平傾覆的穩(wěn)定系數(shù)”必須大于1.25，即：

當(dāng)ΔN取最大值61.889kN時求得：

ΔT≥183.786kN

當(dāng)ΔT大于183.786kN時，敞頂箱在縱方向的穩(wěn)定力矩大于橫方向傾覆力矩的1.25倍，敞頂箱不會發(fā)生水平方向的轉(zhuǎn)動，橫墊木失效，未起支撐作用，此時敞頂箱與縱墊木之的摩擦力將會克服橫向慣性力，防止敞頂箱發(fā)生橫向位移。敞頂箱與縱墊木之間的最小摩擦力（鋼與木的摩擦系統(tǒng)為0.4）：

F_摩=183.786×0.4=73.514kN>ΔN

因此，定位木條的應(yīng)力強度只需大于橫向慣性力ΔN，就能防止縱墊木發(fā)生上下偏移，定位木條的最小應(yīng)力強度為61.889kN。

2.1.4綜合受力分析。根據(jù)以上分析，敞頂箱在運輸過程中的受力分析分成兩部分，一部分是縱向慣性力大于等于187.79kN，小于最大縱向慣性力403.55kN;另一部分是縱向慣性力大于0kN，小于187.79kN。如圖6（a）所示。

當(dāng)縱向慣性力在187.79kN至403.55kN時，敞頂箱的“水平傾覆的穩(wěn)定系數(shù)”大于等于1.25，敞頂箱不會發(fā)生轉(zhuǎn)動（即φ=0），兩根縱墊木同時受力共同克服縱向慣性力。假設(shè)不存在定位木條，此時，當(dāng)敞頂箱受到橫向慣性力時，縱墊木會發(fā)生沿橫向慣性力方向位移。

求得F₃的最大值為：

兩側(cè)的縱墊木同時克服縱向慣性力ΔT和橫向慣性力ΔN，則單根縱墊木所需克服的力為：

即單側(cè)縱墊木所需的應(yīng)力強度為：252.075kN。

當(dāng)縱向慣性力在0kN到187.79kN之間時，由于敞頂箱發(fā)生轉(zhuǎn)動，一側(cè)縱墊木失效。此時，橫墊木與另一側(cè)縱墊木共同克服縱向慣性力ΔT和橫向慣性力ΔN，且慣性力的合力與縱橫墊木的支撐力（F₂，F(xiàn)₃）處于平衡狀態(tài)，如圖6（b）所示。

根據(jù)三力匯交平衡原理，求得單側(cè)縱墊木需單獨克服縱向慣性力大小為187.79kN。

綜合上所述，在極端條件下，單根縱墊木所需的應(yīng)力強度至少為252.075kN。

2.2裝載加固裝置各部件規(guī)格以及在實際運輸過程中的工況分析

通過以上分析，可以得出以下結(jié)論：橫墊木的應(yīng)力強度最小值為61.89kN，縱墊木的應(yīng)力強度最小值為252.075kN，定位木條的應(yīng)力強度最小值為61.89kN。

2.2.1裝載加固裝置各部件規(guī)格。為了使該設(shè)計方案的裝載加固裝置規(guī)格具有通用性，特選定“常用木材的物理性能”（《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》附件5附錄1）中常見木材最小順紋抗壓強度為317×10⁵Pa，最小橫紋抗壓公定強度極限為19×10⁵Pa作為計算依據(jù)。根據(jù)裝載加固裝置設(shè)計，縱墊木和定位木條一般為順紋，橫墊木在加固過程中無法確定是否順紋或者橫紋，在計算時以橫紋為準(zhǔn)。

通過計算得出，加固裝置各部位的最小橫截面分別為：橫墊木為0.032 574m²（方形木料時18.1cm×18.1cm，圓形木料直徑20.4cm），縱墊木為0.007 952m²（方形木料時8.9cm×8.9cm，圓形木料直徑10cm），定位木條為0.001 952m²（方形木料時4.4cm×4.4cm，圓形木料直徑4.9cm）。

由于在設(shè)計時選定最小應(yīng)力強度的的木材作為計算標(biāo)準(zhǔn)，因此，在實際運輸過程中，所采用的木材其抗壓強度往往大于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，按該規(guī)格制作的裝載加固裝置其結(jié)構(gòu)強度大于《加規(guī)》中規(guī)定的要結(jié)構(gòu)強度。

2.2.2裝載加固裝置實際運輸過程中的工況分析。在橫向方向，由于敞頂箱底部兩側(cè)存在鏤空設(shè)計部分，在實際運輸過程中必須考慮橫墊木偏移到鏤空位置導(dǎo)致加固失效，從而導(dǎo)致偏載事故的發(fā)生。根據(jù)敞車設(shè)計，兩側(cè)中間有一個中門，中門兩側(cè)對稱各有3個下側(cè)門，每個下側(cè)門內(nèi)部兩側(cè)均向內(nèi)突出的加強設(shè)計會擋住橫墊木過度偏移，剛好中門的下側(cè)門處對應(yīng)的敞頂箱底部不存在鏤空設(shè)計，在運輸過程中橫墊木不會過多地偏移重心位置，能有效地防止敞頂箱橫向位移。

在縱向方向，使用兩定位木條固定縱墊木的位置，定位木條與縱墊木形成一個平行四邊形，而定位木條受到敞車約束不會發(fā)生橫向移動，縱墊木受到定位木條約束，不會偏離其加固位置，能夠有效地防止敞頂箱發(fā)生縱向位移。同時，在設(shè)計時將敞頂箱發(fā)生轉(zhuǎn)動的情況納入到裝載加固強度分析，縱墊木與橫墊木相互作用能夠有效防止敞頂箱發(fā)生轉(zhuǎn)動。

綜上所述，該設(shè)計方案能夠適應(yīng)現(xiàn)場裝載加固實際情況。

3結(jié)語

本文的設(shè)計方案在近兩年的敞頂箱裝載散糧運輸過程中，未發(fā)生任何一起因裝載加固不良而造成的超偏載、箱體損壞等運輸事故，證明該設(shè)計方案能夠保證敞頂箱鐵路運輸安全，其裝載加固結(jié)構(gòu)強度相關(guān)技術(shù)指標(biāo)符合《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》等安全要求。由于該方案裝載加固裝置具有良好的結(jié)構(gòu)強度、受加固作業(yè)人員影響小、可以就地取材、易于現(xiàn)場制作、費用低、加固作業(yè)效率高、材料通用性強等優(yōu)點，有利于散堆裝貨物集裝化運輸，具有一定的推廣和試用條件。

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