S1Z型雙層集裝箱連接鎖的研究設計

李 鑫，丁文贏，楊廣全

（1.中國鐵路總公司貨運部，北京100844；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司運輸及經(jīng)濟研究所，北京100081)

雙層集裝箱運輸是提高鐵路運輸能力的重要手段[1-2]，雙層集裝箱專用平車最多比單層運輸每延米運載指標提高38%?！惰F路“十三五”發(fā)展規(guī)劃》提出推進鐵水、鐵公等多式聯(lián)運發(fā)展，探索開展雙層集裝箱運輸[3]。《中國鐵路總公司發(fā)展規(guī)劃(2018—2020年)》提出通過部分節(jié)點適當改造，逐步構(gòu)建京津冀、長三角、珠三角、長江中游及成渝城市群間雙層集裝箱通道[4]。為更好地保證雙層集裝箱運輸安全、提高車站作業(yè)效率，從連接鎖選型、技術(shù)條件確定、理論計算、有限元仿真、現(xiàn)場試驗等方面綜合考慮，研究設計S1Z型雙層集裝箱連接鎖(以下簡稱“S1Z型連接鎖”)。

1 傳統(tǒng)集裝箱連接鎖形式及缺陷分析

連接鎖主要用于上下層集裝箱間的連接鎖閉，防止上層集裝箱的傾覆和滑移。傳統(tǒng)集裝箱連接鎖一般分為手動扭鎖、半自動扭鎖和全自動扭鎖。

（1）手動扭鎖。2004年，我國鐵路首次開展雙層集裝箱運輸時使用的F3A型連接鎖，屬于手動扭鎖，是在原船舶使用的F3型連接鎖的基礎上，取消了鎖閉把手，改用專用扳手進行開啟、鎖閉，并針對鐵路運行工況，提高了剪切強度。裝車時，首先將操作手柄置于非鎖緊狀態(tài)并將其置放到下層集裝箱頂角件孔內(nèi)，待上層集裝箱堆放完畢后，轉(zhuǎn)動操作手柄，將上下層集裝箱連接起來。卸車時需將操作手柄轉(zhuǎn)至非鎖緊位置才可卸箱。F3A型連接鎖重6.2 kg，集裝箱裝、卸車各需2次登車作業(yè)，存在裝車漏鎖、運輸途中意外解鎖的風險，彈簧、轉(zhuǎn)動把柄易失效。

（2）半自動扭鎖。半自動扭鎖以單拉環(huán)半自動扭鎖最為常用，特點是裝載集裝箱時能自動鎖緊，但卸載時需人工解鎖。由于腐蝕、潤滑保養(yǎng)不佳或野蠻作業(yè)等原因，半自動扭鎖的金屬拉線斷裂的情況時有發(fā)生，且半自動扭鎖解鎖較容易，影響鐵路雙層集裝箱運輸途中安全性。

（3）全自動扭鎖。全自動扭鎖在上層集裝箱裝、卸時能自動鎖閉和解鎖，又能保證在運行時上下層集裝箱處于穩(wěn)固的卡牢狀態(tài)。在裝載集裝箱時，將4個TL-FA型全自動扭鎖安裝于上層集裝箱4個底角件中；卸集裝箱時，將其從上層集裝箱底角件上卸下，影響裝卸機械使用效率，存在人身安全風險[5-6]。TL-FA型全自動扭鎖由多個部件組成，易損壞。

在傳統(tǒng)集裝箱連接鎖形式研究及缺陷分析的基礎上，借鑒鐵路F-TR鎖結(jié)構(gòu)，研究設計適應鐵路運輸?shù)腟1Z型連接鎖，以提升集裝箱運輸安全，提高裝卸作業(yè)效率。

2 S1Z 型連接鎖結(jié)構(gòu)設計方案及應用技術(shù)條件研究

2.1 S1Z 型連接鎖結(jié)構(gòu)設計方案

2.1.1 設計原則

為了滿足鐵路雙層集裝箱運輸加固強度，便于操作，提高裝卸效率，保證安全，研究設計適用于鐵路雙層集裝箱運輸?shù)男滦瓦B接鎖—S1Z型連接鎖。設計原則為：①結(jié)構(gòu)簡單，維修方便；②重量輕，操作方便，減少工作強度；③采用全自動鎖設計理念，減少開、閉鎖操作；④連接鎖的鎖閉安全可靠。

2.1.2 總體結(jié)構(gòu)

S1Z型連接鎖由鎖體、滑塊和銷3部件構(gòu)成。S1Z型連接鎖結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 S1Z型連接鎖結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of S1Z connecting lock

鎖體為主受力部件，包含鎖頭、中間板及固定底部。鎖頭設計借鑒鐵路集裝箱運輸平車使用的F-TR鎖，厚度由58 mm改為60 mm，提高了S1Z型連接鎖對上層箱側(cè)向翻轉(zhuǎn)的鎖閉性能。為了減輕重量，在保證強度的條件下，將鎖體心部鏤空，并將中間板厚度由F3A型連接鎖的28 mm減至15 mm。固定底部與集裝箱角件之間設置適當?shù)某叽缗浜祥g隙，保證固定底部順暢地出、入集裝箱角件。為了確保連接鎖安裝方向正確，固定底部上設計了凸耳，安裝S1Z型連接鎖時，凸耳須朝向集裝箱外側(cè)，并提起滑塊，固定底部才可裝入角件內(nèi)；另外，中間板設有“OUT”標記，并涂打黃色熒光漆，用于安裝方向確認。S1Z型連接鎖安裝方向如圖2所示。

圖2 S1Z型連接鎖安裝方向示意圖Fig.2 Scheme of mounting direction of S1Z connecting lock

滑塊位置設計在鎖體鏤空部位，起到限位裝置的作用。提起滑塊時，S1Z型連接鎖可相對角件轉(zhuǎn)動，便于連接鎖裝卸，旋轉(zhuǎn)到位后，滑塊因重力作用自動落下，實現(xiàn)連接鎖入位卡牢。S1Z型連接鎖轉(zhuǎn)動示意圖如圖3所示。

圖3 S1Z型連接鎖轉(zhuǎn)動示意圖Fig.3 Scheme of rotation of S1Z connecting lock

銷用于連接滑塊與鎖體。銷鉚壓后不超過基面，從而保護鉚壓部分在使用過程中免受損傷。

S1Z型連接鎖采用整體式、自動鎖閉機械結(jié)構(gòu)，可有效防止裝車漏鎖、運輸途中意外解鎖的風險，日常維修工作量較小。作業(yè)時，該鎖須安裝在下層集裝箱頂角件上，集裝箱裝、卸車各需一次登車作業(yè)，提高了車站作業(yè)效率和人身安全性。S1Z型連接鎖重量約5.6 kg，較F3A型連接鎖減重約10.7%。

2.2 S1Z型連接鎖應用技術(shù)條件研究

為了確保雙層集裝箱運輸安全，需要對S1Z型連接鎖的外形尺寸及公差、性能參數(shù)和材質(zhì)成分等應用技術(shù)條件進行研究確定，以規(guī)范S1Z型連接鎖的生產(chǎn)、運用和日常維護。

2.2.1 外形尺寸及公差

在借鑒F-TR鎖、F3A型連接鎖外形尺寸基礎上，充分考慮S1Z型連接鎖與集裝箱角件配合關系，確定S1Z型連接鎖外形尺寸及公差范圍。S1Z型連接鎖尺寸如圖4所示，S1Z型連接鎖外形基本尺寸及公差如表1所示。

圖4 S1Z型連接鎖尺寸示意圖Fig.4 Scheme of dimensions of S1Z connecting lock

2.2.2 性能參數(shù)

為更好地保證雙層集裝箱運輸安全，在借鑒水路運輸用集裝箱連接鎖性能要求的基礎上，研究分析鐵路雙層集裝箱運輸過程中連接鎖受力狀況及特點，確定S1Z型連接鎖拉伸最小破斷載荷420 kN，剪切最小破斷載荷450 kN，且剪切載荷225 kN (±5%)情況下，以頻率0.2 Hz循壞20 000次后不應產(chǎn)生裂紋，進行磁粉探傷，質(zhì)量等級2級。

2.2.3 材質(zhì)成份

依據(jù)性能參數(shù)，S1Z型連接鎖鑄鋼材質(zhì)確定采用TB/T 2942—2015規(guī)定的E級鋼[7]，布氏硬度為241～311 HB。化學成分如表2所示，力學性能如表3所示。

表1 S1Z型連接鎖外形基本尺寸及公差Tab.1 Basic size and tolerance of S1Z connecting lock

表2 化學成分 %Tab.2 Chemical composition of material

表3 力學性能Tab.3 Mechanical property of material

S1Z型連接鎖可選用力學性能優(yōu)于表3的材質(zhì)進行制造。為更好地保護S1Z型連接鎖免于銹蝕，鎖體表面進行熱鍍鋅，鍍層厚度不小于65μm[8]。

3 S1Z型連接鎖理論計算及案例分析

3.1 理論計算

理論計算選取的惡劣工況為：雙層集裝箱運輸專用平車(車型X2K)滿載運行，重車總重Q總為99.4 t；上層為滿載40 ft集裝箱，貨物重量Q為30.48 t。外部尺寸：長×寬×高=L×W×H=12 192 mm×2 438 mm×2 896 mm；層間采用4只連接鎖固定。按照列車運行速度v運≤120 km/h、調(diào)車連掛速度v調(diào)≤5 km/h的計算條件，計算雙層集裝箱運輸過程中作用于上層集裝箱上的慣性力、風力和摩擦力[9]，并校核上層集裝箱傾覆和水平移動的穩(wěn)定性。

3.1.1 基礎數(shù)據(jù)

依據(jù)《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》，計算上層集裝箱受到的縱向慣性力T、橫向慣性力N、垂向慣性力Q垂、風力P、縱向摩擦力和橫向摩擦力

縱向慣性力T可以表示為

式中：t0為每噸貨物的縱向慣性力，0.32Q總+ 29.85 = 9.9 kN/t。

橫向慣性力N可以表示為

橫式中：n0為每噸貨物的橫向慣性力，n0= 2.82 + 2.2a/l=2.82 kN/t，其中a為上層集裝箱重心偏離車輛橫中心線的距離，l為負重車轉(zhuǎn)向架中心距。

以長大貨物車裝載計算，垂向慣性力Q垂可以表示為

式中：q垂為每噸貨物的垂向慣性力，q垂= 4.53 +7.84a/l= 4.53 kN/t。

風力P可表示為

式中：q為側(cè)向計算風壓，kN/m2；F為側(cè)向迎風面的投影面積，m2。

式中：μ為鋼板與鋼板的摩擦系數(shù)。

3.1.2 上層集裝箱傾覆的穩(wěn)定性

上層集裝箱傾覆的縱向穩(wěn)定系數(shù)為

式中：h為上層集裝箱重心與連接鎖中間板上表面之間的高度。

上層集裝箱傾覆的橫向穩(wěn)定系數(shù)為

由公式 ⑺、公式 ⑻ 可知，上層集裝箱縱向和橫向的傾覆穩(wěn)定系數(shù)均大于1.25，因而上層集裝箱的傾覆穩(wěn)定性滿足安全技術(shù)要求。

3.1.3 上層集裝箱水平移動的穩(wěn)定性

3.2 有限元仿真分析

采用SolidWorks Simulation軟件，建立S1Z型連接鎖有限元計算模型如圖5所示。該模型采用曲率的網(wǎng)格劃分方法，劃分45 306個單元，69 109個節(jié)點，對結(jié)構(gòu)強度進行有限元分析。

圖5 S1Z型連接鎖有限元計算模型Fig.5 Finite element computational model of S1Z connecting lock

鎖體實際受力部位按縱向、橫向和雙向加載進行有限元仿真計算。仿真結(jié)果顯示：鎖體縱向加載的載荷為106 kN時，最大應力值341.6 MPa，最大變形量0.04 mm；鎖體橫向加載的載荷為41 kN時，最大應力值271.0 MPa，最大變形量0.06 mm；鎖體雙向加載，橫向加載載荷41 kN、縱向加載載荷106 kN時，最大應力值359.2 MPa，最大變形量0.04 mm。依照《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》附件5鋼制加固材料的許用應力規(guī)定，計算S1Z型連接鎖材料受剪狀態(tài)下的許用應力為441.6 MPa。根據(jù)鎖體的有限計算結(jié)果，在雙向加載時所受應力最大，為359.2 MPa，小于材料受剪狀態(tài)下的許用應力，因而鎖體結(jié)構(gòu)強度滿足相關規(guī)定要求。

3.3 實物現(xiàn)場試驗校核

2018年7月13日，蘆潮港站采用BK-4型壓力傳感器、德國imc C1型動態(tài)電阻應變儀、B310PDC型便攜式磁粉探傷儀等測試設備對S1Z型連接鎖進行實車試驗。試驗場景：在空載40 ft集裝箱前端兩角柱上部分別布置壓力傳感器，左側(cè)壁兩角柱上部分別布置壓力傳感器；在滿載40 ft集裝箱左側(cè)壁兩角柱上部分別布置壓力傳感器，與空箱布置位置一致。

（1）裝卸試驗。多次裝卸試驗表明，S1Z型連接鎖在下層集裝箱上的安裝、拆卸操作簡單，上層集裝箱裝卸作業(yè)順暢，能夠適應現(xiàn)場作業(yè)要求。

（2）空箱試驗過程。在雙層集裝箱運輸專用平車上下層裝載2只空載20 ft集裝箱，上層裝載40 ft空載試驗箱裝，上下2層依靠4只S1Z型連接鎖鎖固。門式起重機起吊1只40 ft重箱靠住試驗箱左側(cè)壁提供橫向力(理論計算橫向慣性力與風力之和為28.0 kN)，3次力值分別為25.2 kN，28.1 kN和29.8 kN。門式起重機起吊1只40 ft重箱靠住試驗箱前端提供縱向力(理論計算縱向慣性力為81.6 kN)，3次力值分別為72.5 kN，80.3 kN和77.6 kN。在空箱橫向、縱向?qū)嵻囋囼炦^程中，S1Z型連接鎖對40 ft試驗箱加固狀態(tài)良好。試驗后對S1Z型連接鎖進行磁粉探傷，未發(fā)現(xiàn)缺陷。

（3）重箱試驗過程。在雙層集裝箱運輸專用平車上下層裝載2只重載的20 ft集裝箱，上層裝載40 ft滿載試驗箱，上下2層依靠4只S1Z型連接鎖鎖固。門式起重機起吊1只40 ft重箱靠住試驗箱左側(cè)壁提供橫向力(理論計算橫向慣性力與風力之和為103.3 kN)，3次力值分別為91.6 kN，97.9 kN和104.6 kN。重箱橫向?qū)嵻囋囼炦^程中，S1Z型連接鎖對40 ft試驗箱加固狀態(tài)良好。試驗后對S1Z型連接鎖進行磁粉探傷，未發(fā)現(xiàn)缺陷。

4 結(jié)論

雙層集裝箱連接鎖固問題是雙層集裝箱運輸?shù)年P鍵技術(shù)難題，該難題的解決對保證雙層集裝箱運輸安全、提高車站作業(yè)效率具有重要意義。S1Z型連接鎖采用新型結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)連接鎖缺陷，適應鐵路雙層集裝箱運輸工況，經(jīng)過理論分析、現(xiàn)場試驗和技術(shù)評審，得出以下結(jié)論。

（1）有限元仿真計算結(jié)果表明：鎖體縱向最大應力值341.6 MPa，橫向最大應力值271.0 MPa，雙向最大應力值359.2 MPa，均小于材料受剪狀態(tài)下的許用應力441.6 MPa，鎖體結(jié)構(gòu)強度滿足相關規(guī)定要求。

（2）現(xiàn)場試驗表明：S1Z型連接鎖在下層集裝箱上的安裝、拆卸操作簡單，并能防止鎖頭方向誤裝，上層集裝箱裝卸作業(yè)順暢，能夠適應現(xiàn)場作業(yè)要求?？?、重箱實車試驗過程中，S1Z型連接鎖對40 ft試驗箱加固狀態(tài)良好，試驗后對S1Z型連接鎖進行磁粉探傷，未發(fā)現(xiàn)缺陷，滿足運輸安全要求。

（3）國家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心出具的檢驗報告表明：外觀尺寸、磁粉探傷、最小破斷載荷、疲勞強度、鋅層厚度、鎖體化學成分、布氏硬度等各項檢驗全部合格，連接鎖結(jié)構(gòu)、強度和鎖閉性能滿足鐵路運輸安全要求。

（4）技術(shù)評審表明：S1Z型連接鎖結(jié)構(gòu)設計合理，與原F3A型連接鎖相比，可防止裝車漏鎖、途中意外開鎖的風險，提高了運輸安全性；裝、卸車各減少一次登車作業(yè)，自重減輕10.7%，降低了勞動強度，提高了裝卸作業(yè)效率，并能夠減少連接鎖維修量。

（5）根據(jù)評審結(jié)果，中國鐵路總公司印發(fā)《雙層集裝箱連接鎖暫行技術(shù)條件》，適用于S1Z型連接鎖的生產(chǎn)、檢驗和使用，規(guī)定了S1Z型連接鎖的技術(shù)要求、檢驗方法、檢驗規(guī)則、產(chǎn)品標志、包裝和運輸?shù)葍?nèi)容。