鐵路平車裝載加固用關(guān)鍵部件的安全可靠性研究

王武建

（中國(guó)南車集團(tuán) 二七車輛有限公司，北京100072）

平車是鐵路貨車4大車型之一，截至2010年底，我國(guó)鐵路平車約有3.8萬(wàn)輛（不包括集裝箱專用平車），占貨車總數(shù)的6%，其中以N17、N17A系列為主型的普通平車保有量為14 223輛，占平車總量的38%，這些普通平車主要運(yùn)輸鋼材、汽車、拖拉機(jī)、成箱貨物、大型混凝土橋梁及軍用裝備等貨物。自1998年開(kāi)始兼有普通平車和集裝箱車的共用平車開(kāi)始批量生產(chǎn)，主要車型有NX17系列、NX17B、NX70系列，其保有量為23 080輛，占平車總量的62%，這些共用平車除了具有普通平車的功能外，車體上設(shè)置有可翻轉(zhuǎn)的集裝箱鎖閉裝置，還可以運(yùn)輸集裝箱。隨著多功能、高性能車型的不斷投入，一些性能較低、制造年代較長(zhǎng)的載重60t級(jí)的車輛，尤其是普通平車的運(yùn)用率有所減少，有的站段和貨運(yùn)港口出現(xiàn)平車積壓現(xiàn)象。為充分運(yùn)用閑置車輛，并在不改變車輛結(jié)構(gòu)的前提下，平車貨物運(yùn)輸?shù)陌踩胧┮虻刂埔说剡\(yùn)用車輛的部件和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研發(fā)出了多種平車運(yùn)輸產(chǎn)品，使平車的適載范圍不斷擴(kuò)展，車輛運(yùn)用率不斷提高。這些運(yùn)輸產(chǎn)品的裝載加固安全依存于鐵路平車的裝載加固用關(guān)鍵部件的可靠性，直接影響車輛及貨物在運(yùn)行過(guò)程中的安全，所以這些關(guān)鍵部件與裝載加固方案一樣，其安全可靠性成為了運(yùn)用部門(mén)和用戶關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 鐵路平車運(yùn)輸安全措施及其裝載加固用關(guān)鍵部件的作用

目前，鐵路平車的運(yùn)輸產(chǎn)品主要有木材裝載架、鋼卷加載架、長(zhǎng)鋼軌運(yùn)輸架、散粒貨物箱（如圖1～圖6），這些產(chǎn)品采用剛性為主、柔性為輔的運(yùn)輸安全措施實(shí)現(xiàn)其在鐵路平車上的定位和傳載，使得普通平車具有了敞車、特種車的功能。運(yùn)輸安全措施因地制宜地運(yùn)用了鐵路平車的部件和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按與其依存的平車車輛部件和結(jié)構(gòu)劃分，可分為柱插類、繩栓類、側(cè)梁類、端梁類、集裝箱鎖閉類、地板類6種。

圖1 普通平車用木材裝載架

圖2 共用平車用鋼卷裝載架

圖3 普通平車礦石裝載箱

圖4 平車長(zhǎng)鋼軌運(yùn)輸架

圖5 普通平車用散粒貨物箱

圖6 共用平車用散粒貨物箱

1.1 柱插類

柱插類安全措施是利用鐵路平車的柱插來(lái)定位或緊固衍生產(chǎn)品的，分柱插夾緊、柱插止擋和柱插捆綁3種，不同的方式產(chǎn)生的作用力也不同。柱插夾緊（如圖7）是通過(guò)螺紋緊固產(chǎn)生垂直于車體地板的緊固力，垂向緊固力除克服運(yùn)輸產(chǎn)品在運(yùn)輸中的垂向力、防止運(yùn)輸產(chǎn)品的傾覆，與地板形成的摩擦還可克服運(yùn)輸中的縱向力和橫向力。結(jié)構(gòu)上，柱插夾緊裝置主要是采用焊固在運(yùn)輸產(chǎn)品上的螺柱自上而下穿過(guò)柱插，通過(guò)螺母將設(shè)置在柱插底部的擋板、柱插和運(yùn)輸產(chǎn)品三者緊固為一體。柱插止擋是通過(guò)結(jié)構(gòu)配合產(chǎn)生縱向、橫向阻擋力保證運(yùn)輸產(chǎn)品的定位和承載，其中柱插縱向止擋（如圖8）是柱插在車輛縱向方向受力阻止貨物及加固防止縱向移動(dòng)，而柱插橫向止擋是柱插在車輛橫向方向受力阻止貨物及加固防止橫向外漲。柱插捆綁屬柔性定位。

圖7 柱插緊固

圖8 柱插止擋

1.2 繩栓類

繩栓捆綁是利用鐵路平車的繩栓來(lái)定位或緊固衍生產(chǎn)品的，屬柔性緊固。

1.3 側(cè)梁類

側(cè)梁緊固（圖9）與柱插夾緊作用一樣，只是結(jié)構(gòu)及其作用力點(diǎn)不一樣。側(cè)梁緊固采用焊固在運(yùn)輸產(chǎn)品上但可旋轉(zhuǎn)的弓形夾具以及夾具上的螺柱夾緊運(yùn)輸產(chǎn)品和鐵路平車的側(cè)梁。螺柱與側(cè)梁的接觸點(diǎn)處設(shè)置有調(diào)整板以適應(yīng)平車工字鋼或H型鋼不同結(jié)構(gòu)的側(cè)梁，保證側(cè)梁作用點(diǎn)處的面接觸，改善作用力分布。

圖9 側(cè)梁緊固

1.4 端梁類

端梁緊固（如圖10）是采用螺紋緊固裝置實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸產(chǎn)品與鐵路平車端梁的定位和承載，螺紋緊固力直接克服運(yùn)輸產(chǎn)品運(yùn)輸中產(chǎn)生的縱向力，與緊固力轉(zhuǎn)換成摩擦力來(lái)克服縱向、橫向力的方式相比，其作用效果最顯著。但是，適應(yīng)于鐵路平車的端梁緊固類安全措施因平車端渡板、端渡板支架、手制動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)空間和作業(yè)空間的限制，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間非常狹小，制造難度較大。

圖10 端梁緊固類

1.5 集裝箱鎖閉類

集裝箱鎖閉鎖固（如圖11）是利用共用平車上的集裝箱鎖頭定位、承載運(yùn)輸產(chǎn)品。為與集裝箱鎖閉裝置配合，運(yùn)輸產(chǎn)品對(duì)應(yīng)位置需設(shè)置集裝箱角件，與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的運(yùn)輸安全措施方式一樣。

圖11 集裝箱鎖閉鎖固

1.6 地板類

地板緊固（如圖12）是運(yùn)輸產(chǎn)品底部設(shè)置的棗核釘釘入鐵路平車木地板中來(lái)克服運(yùn)輸產(chǎn)品的運(yùn)輸縱向力、橫向力的裝置，棗核釘在木地板中的握釘力具有防傾覆的功效。

圖12 地板棗核釘緊固圖

2 裝載加固用關(guān)鍵部件的可靠性研究

鐵路平車運(yùn)輸產(chǎn)品依存平車車輛部件和結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)其安全保障，平車車輛部件和結(jié)構(gòu)的可靠性直接影響安全措施的設(shè)計(jì)、應(yīng)用安全。

2.1 柱插強(qiáng)度分析

柱插原設(shè)計(jì)目的主要是用于在平車側(cè)梁上安裝木側(cè)柱，用作裝運(yùn)原木時(shí)的橫擋，即柱插止擋，尤其是橫向止擋為原設(shè)計(jì)目的，有時(shí)也用柱插捆綁定位。近年來(lái)各種裝載加固方案多采用柱插緊固方式，即柱插主要承受垂直于車體的垂向緊固力。

載重60t級(jí)平車多采用的是焊接柱插，比舊型的鑄造件相比，其自重降低的同時(shí)，Q235或09CuPCrNi-A的材料性能也得到了大幅度提高。以焊接柱插建模，模擬柱插止擋、柱插夾緊的作用力，對(duì)柱插施加縱向、橫向以及垂向面力的有限元計(jì)算結(jié)果表明（如表1）：柱插最能承受的是垂向力，極限值可達(dá)75kN；而柱插的受力薄弱環(huán)節(jié)是縱向，縱向力極限值僅為8.5kN，當(dāng)柱插所受面力超過(guò)該極限值時(shí)，可能引起柱插的永久變形或斷裂，計(jì)算情況與柱插縱向壓扁的慣性故障（如圖13）相符，柱插在外力作用下易縱向壓扁。所以設(shè)計(jì)柱插類安全措施時(shí)應(yīng)多考慮柱插垂向和橫向的受力方式，避免柱插縱向受力。

表1 柱插各方向承受極限力值

圖13 柱插縱向壓扁的慣性故障

針對(duì)實(shí)際存在的柱插捆綁運(yùn)用實(shí)例，考慮捆綁對(duì)柱插的作用，模擬柱插外壁和外角分別為捆綁著力點(diǎn)、捆綁拉力垂向向上或斜向上45°的有限元強(qiáng)度分析得出（如表2）柱插能承受的捆綁拉力為19.9～22.5kN，捆綁的最佳位置是柱插外壁垂直向上，其次是方口外角斜向上45°處，安全措施的方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮。另外，柱插方口棱邊對(duì)捆綁繩索的摩擦切割也應(yīng)該避免，需增加膠墊等措施加以防護(hù)。

表2 柱插捆綁拉力極限值

2.2 繩栓強(qiáng)度分析

既有鐵路平車大多采用的繩栓符合TB 1764-1999，材料為ZG 230-450，直徑φ30過(guò)渡到φ35，鉚釘φ16?？紤]捆綁對(duì)繩栓的作用，模擬繩栓主桿外緣和橫桿分別為捆綁著力點(diǎn)、按捆綁拉力垂向向上或斜向上45°兩種方向?qū)K拴進(jìn)行有限元強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果（如表3）表明，其能承受的捆綁拉力為6.4～12kN，捆綁最佳位置是繩栓橫柄斜向上拉，其次是主桿外緣處，安全措施方案設(shè)計(jì)、實(shí)施時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮繩栓橫柄斜向上拉。

表3 繩栓各受力點(diǎn)承受極限力值

2.3 車體側(cè)梁、端梁強(qiáng)度分析

鐵路平車側(cè)梁多采用大型工字鋼或H型鋼，材料性能等級(jí)較好。側(cè)梁緊固的作用點(diǎn)為型鋼翼邊，該處板厚大，結(jié)構(gòu)剛度強(qiáng)，對(duì)H型鋼側(cè)梁翼邊柱插位置處施加柱插75kN的極限垂向載荷，強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果表明作用點(diǎn)處的應(yīng)力水平很低。鐵路平車端梁為L(zhǎng)形，連接中、側(cè)梁的端頭。端梁緊固的作用點(diǎn)設(shè)置在側(cè)梁腹板和端梁L形折彎附近，可以充分應(yīng)用側(cè)梁腹板和折彎點(diǎn)的壓縮強(qiáng)度，應(yīng)力水平也很低。

2.4 鎖閉裝置強(qiáng)度分析

鐵路平車集裝箱鎖頭定位在集裝箱角件底孔內(nèi)，使得安裝角件的集裝箱、貨物箱、臺(tái)架式承載架等貨物載具拴固在平車上以安全運(yùn)輸。鎖頭形式由老式的直臺(tái)鎖、突臺(tái)鎖逐步發(fā)展到現(xiàn)在的F-TR型鷹頭鎖，可運(yùn)輸?shù)募b箱單箱總重也由標(biāo)準(zhǔn)的24，30.48t提升到了現(xiàn)在的35t。載重60t級(jí)平車多采用突臺(tái)式鎖，其材質(zhì)為C級(jí)鑄鋼，有限元計(jì)算表明鎖頭能承受的載具總質(zhì)量約為34t，即以鎖閉為安全措施的平車運(yùn)輸產(chǎn)品允許的最大總重為34t，超過(guò)該質(zhì)量的運(yùn)輸產(chǎn)品在鐵路平車上運(yùn)輸時(shí)可能造成鎖頭的屈服、斷裂。

2.5 地板強(qiáng)度分析

棗核釘在運(yùn)輸產(chǎn)品裝載時(shí)釘入鐵路平車木地板中產(chǎn)生阻力。根據(jù)《木材學(xué)》資料提供，按松木類（紅松）橫紋承壓時(shí)擠壓容許應(yīng)力（任一木構(gòu)件在使用和載荷條件下，能長(zhǎng)期安全承擔(dān)的最大應(yīng)力）1.47MPa計(jì)算，一般規(guī)格為φ12×35的一個(gè)棗核釘釘入木地板后可產(chǎn)生約36kg的阻力，棗核釘對(duì)地板的擠壓超過(guò)該值后地板被壓變形，造成釘?shù)乃蓜?dòng)，阻力將喪失。鑒于鐵路平車木地板為橫鋪，為充分利用木材橫紋承壓大于順紋承壓的特點(diǎn)，棗核釘應(yīng)盡量縱向分布以避免楔釘力順紋劈開(kāi)木地板，且應(yīng)充分考慮釘?shù)闹睆胶头植紨?shù)量以免楔釘力過(guò)大。由于棗核釘阻力功效不顯著，設(shè)計(jì)平車運(yùn)輸產(chǎn)品的安全措施時(shí)建議不以地板緊固為主導(dǎo)安全措施，僅作為提高安全可靠度的方案。

3 結(jié)束語(yǔ)

鐵路貨物運(yùn)輸安全成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展的重要保障，鐵路平車運(yùn)輸產(chǎn)品的安全措施方案須依存平車的車輛部件和結(jié)構(gòu)可靠性、可用性、安全性，深入分析平車裝載加固用關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度可以看出，每種部件具有不同的可靠程度，同一部件不同的加固點(diǎn)、不同的加固方向或方式也具有不同的安全性能，只有合理運(yùn)用平車部件、合理設(shè)計(jì)安全措施，才能保證平車貨物裝載加固的安全可靠，充分發(fā)揮鐵路運(yùn)輸裝備的能效，提高裝備的適載程度，促進(jìn)我國(guó)鐵路貨物運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展。

［1］TB／T 1335-1996.鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范［S］.

［2］南車二七車輛有限公司.平車用柱插和繩栓強(qiáng)度計(jì)算報(bào)告［R］.2006.

［3］鐵道部科學(xué)研究院運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所鐵路貨物裝載加固技術(shù)研究試驗(yàn)中心.鐵科運(yùn)試字［2007］第13號(hào).鐵路普通平車用整體式敞口貨物箱穩(wěn)定性計(jì)算及試驗(yàn)報(bào)告［R］.2007.

［4］連建華，孫曉云.平車用散堆裝貨物箱［J］.鐵道車輛.2004（11）：18-20.

［5］孫曉云，戴安國(guó)，徐海濤.普通平車用敞口貨物箱的研制［J］.鐵道車輛.2009（2）：24-26.