鐵路罐式集裝箱沖擊試驗(yàn)方法

王偉

近年來，我國罐式集裝箱（以下簡(jiǎn)稱“罐箱”）運(yùn)輸發(fā)展迅速，滿足鐵路運(yùn)輸要求的罐箱也呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。鐵路罐箱不僅須通過鐵路主管部門規(guī)定的沖擊試驗(yàn)（以下簡(jiǎn)稱“鐵路沖擊試驗(yàn)”），還須通過船級(jí)社規(guī)定的沖擊試驗(yàn)（以下簡(jiǎn)稱“動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)”）。本文針對(duì)不同型號(hào)和尺寸罐箱進(jìn)行鐵路沖擊試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)實(shí)例研究，分別獲得兩種沖擊試驗(yàn)結(jié)果和規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)罐箱耐沖擊設(shè)計(jì)提出建議。

1 鐵路罐箱沖擊試驗(yàn)要求及目的

1.1 鐵路沖擊試驗(yàn)要求及目的

根據(jù)中國國家鐵路集團(tuán)有限公司發(fā)布的TG/HY 105―2017《鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸管理規(guī)則》第13章第86條規(guī)定，罐箱應(yīng)進(jìn)行框架靜強(qiáng)度及沖擊試驗(yàn)。鐵路沖擊試驗(yàn)的目的是考核當(dāng)列車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生急劇變化（突然啟動(dòng)、 制動(dòng)等）時(shí)以及車輛受到調(diào)車沖擊時(shí)，罐體與框架聯(lián)結(jié)部位及框架的工作應(yīng)力能否滿足強(qiáng)度要求。

1.2 動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)要求及目的

2006年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織將動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)納入 ISO 1496-3-1995 《系列1 貨運(yùn)集裝箱 規(guī)范與試驗(yàn)第3部分：液體、氣體及加壓干散貨用罐式集裝箱》。同年，聯(lián)合國修訂《關(guān)于危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)慕ㄗh書――試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》（以下簡(jiǎn)稱《試驗(yàn)手冊(cè)》）第4部分第41節(jié)有關(guān)撞擊試驗(yàn)的要求，使之與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的規(guī)定保持一致。隨后，國際海事組織發(fā)布的《國際海運(yùn)危險(xiǎn)貨物規(guī)則》也對(duì)動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)作出規(guī)定，要求從2008年1月1日起，符合《國際集裝箱安全公約》定義的罐箱樣箱設(shè)計(jì)必須符合《試驗(yàn)手冊(cè)》的撞擊試驗(yàn)要求。在針對(duì)動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)的研究中，劉剛[1]詳細(xì)闡述了動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)的發(fā)展歷程。動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)的目的是以國際通用和公認(rèn)的方法，模擬罐箱在真實(shí)環(huán)境下遭受的沖擊，并測(cè)試罐箱在遭受沖擊后能否保持正常的使用狀態(tài)。

2 鐵路罐箱沖擊試驗(yàn)方法

2.1 鐵路沖擊試驗(yàn)方法

鐵路沖擊試驗(yàn)的參照標(biāo)準(zhǔn)主要是TB/T 1335―1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》和TB/T 2369―2010《鐵道車輛沖擊試驗(yàn)方法》。如圖1所示，鐵路沖擊試驗(yàn)裝置包括帶坡道的沖擊線、被沖擊車輛和罐箱、阻擋車輛等。

2.1.1 沖擊車及被試罐箱狀態(tài)

鐵路沖擊試驗(yàn)中，用沖擊車沖撞停在平直線路上處于非制動(dòng)狀態(tài)的受試車（用于承載被試罐箱），另有數(shù)輛處于制動(dòng)狀態(tài)的車輛（阻擋車）停在受試車后方（非沖擊端）約1 m處，以限制受試車受沖擊后的移動(dòng)距離。沖擊車通常選用總質(zhì)量為92 t左右、裝有MT-2型緩沖器、裝載散裝或袋裝貨物的敞車，試驗(yàn)時(shí)其從斜坡上的適當(dāng)高度處靠重力作用自由溜下斜坡。受試車一般選用鐵路集裝箱平車。在保證試驗(yàn)安全的前提下，被試罐箱充裝的試驗(yàn)介質(zhì)可以是工作介質(zhì)，也可以是水等其他介質(zhì)，裝載后被試罐箱總質(zhì)量須達(dá)到額定質(zhì)量。當(dāng)采用非工作介質(zhì)時(shí)，應(yīng)模擬工作介質(zhì)實(shí)際裝載質(zhì)量及重箱重心高度。

2.1.2 測(cè)試參數(shù)

鐵路沖擊試驗(yàn)測(cè)試參數(shù)包括沖擊速度、沖擊加速度、構(gòu)件應(yīng)力等，其中，構(gòu)件應(yīng)力為主要考評(píng)指標(biāo)。罐箱框架應(yīng)力采用電阻應(yīng)變片法測(cè)量，測(cè)點(diǎn)通常位于結(jié)構(gòu)斷面突變、圓弧過渡等應(yīng)力集中區(qū)域及材料變化位置，并盡可能地布置在焊縫附近或零部件邊緣。測(cè)點(diǎn)的選擇參考有限元強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。

2.1.3 沖擊試驗(yàn)方法

將沖擊車沿斜坡拉至一定位置后溜放，使沖擊車與被沖擊車相撞。試驗(yàn)要求沖擊車分別以3～/h的速度對(duì)罐箱兩端進(jìn)行沖擊，每個(gè)速度級(jí)至少進(jìn)行3次數(shù)據(jù)重復(fù)性較好的沖擊;測(cè)量罐箱框架及其與罐體聯(lián)結(jié)部位的應(yīng)力，在試驗(yàn)過程中隨時(shí)觀察罐箱狀態(tài)（有無變形或損傷）。

2.1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果判定

在處理沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，構(gòu)件動(dòng)應(yīng)力濾波截止頻率為100 Hz，加速度濾波截止頻率不小于32 Hz。在沖擊記錄參數(shù)隨時(shí)間變化的歷程中，單個(gè)測(cè)試項(xiàng)只取最大值作為測(cè)量值。參照TB/T 1335―1996 《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》中車輛沖擊試驗(yàn)的第二工況，評(píng)價(jià)罐箱與框架聯(lián)結(jié)部位及框架的強(qiáng)度要求，此時(shí)合成應(yīng)力

3= 1+ 2

式中： 3為第二工況合成應(yīng)力; 1為垂向靜應(yīng)力; 2為第二工況壓縮時(shí)的應(yīng)力。合成后的應(yīng)力值應(yīng)不大于第二工況下的許用應(yīng)力。如果罐箱框架上任何測(cè)點(diǎn)的合成應(yīng)力超過所用材料的許用應(yīng)力，則判定該罐箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足鐵路運(yùn)輸安全要求。

2.2 動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)方法

動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)主要有《試驗(yàn)手冊(cè)》和ISO 1496-3-1995《系列1貨運(yùn)集裝箱 規(guī)范與試驗(yàn) 第3部分：液體、氣體及加壓干散貨用罐式集裝箱》。動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)裝置與鐵路沖擊試驗(yàn)裝置基本相同甚至共用。

2.2.1 沖擊車及被試罐箱狀態(tài)

對(duì)沖擊車質(zhì)量和速度無剛性規(guī)定，原則上沖擊車與被沖擊車質(zhì)量盡可能相等且一般裝有MT-2型緩沖器。被試罐箱裝水至罐體容積的97%;如果因?yàn)榭赡艹囟灰搜b至罐體容積的97%，則被試罐箱裝水后的試驗(yàn)質(zhì)量（包括罐箱自身質(zhì)量）應(yīng)盡可能接近其最大額定質(zhì)量。試驗(yàn)時(shí)無須模擬重箱重心高度。

2.2.2 測(cè)試參數(shù)

動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)測(cè)試參數(shù)包括沖擊速度、沖擊加速度、沖擊響應(yīng)譜（shock response spectrum，SRS）曲線等。

2.2.3 沖擊試驗(yàn)方法

被試罐箱安裝在被沖擊車上靠近撞擊端的位置，用4個(gè)角件加以固定，使之在所有方向的移動(dòng)均受到限制。沖擊速度等級(jí)和沖擊次數(shù)沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，沖擊速度跨度較大，每個(gè)速度僅沖擊一次，且僅對(duì)罐箱一端進(jìn)行沖擊，一般經(jīng)過3～4次沖擊即可達(dá)到試驗(yàn)終止條件。

2.2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果判定

對(duì)于罐箱主體結(jié)構(gòu)（容器及框架）來說，角件上的沖擊波相當(dāng)于罐箱整體的外激勵(lì)，將角件實(shí)測(cè)的加速度時(shí)域響應(yīng)通過一定的SRS算法轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的SRS曲線，并與標(biāo)準(zhǔn)的SRS曲線進(jìn)行比較，模擬罐箱在當(dāng)次沖擊下是否達(dá)到所需的沖擊環(huán)境要求。在針對(duì)動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的研究中，劉鳳芹和閆偉[2]詳細(xì)描述了SRS算法和動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程。

動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)合格的判定依據(jù)為：被試罐箱2個(gè)底角件上的SRS曲線在3～100 Hz范圍內(nèi)所有頻率都必須等于或超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小SRS曲線;沖擊前后被試罐箱頂面對(duì)角線長(zhǎng)度差值變化量不大于13 mm，側(cè)面對(duì)角線長(zhǎng)度差值變化量不大于;被試罐箱不得出現(xiàn)明顯的屈服變形、焊縫開裂或其他結(jié)構(gòu)損壞。

2.3 鐵路沖擊試驗(yàn)與動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)比較

（1）試驗(yàn)裝置基本相同甚至共用。

（2）鐵路沖擊試驗(yàn)過程比較煩瑣復(fù)雜，而動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)則相對(duì)直接簡(jiǎn)單。不過，鐵路沖擊試驗(yàn)有嚴(yán)格的沖擊速度等級(jí)和沖擊次數(shù)，并從低速開始逐步提高沖擊速度，可最大程度地避免對(duì)被試罐箱造成非正常損壞。

（3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和考評(píng)依據(jù)不同。鐵路沖擊試驗(yàn)對(duì)罐箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的評(píng)價(jià)主要依據(jù)關(guān)鍵部位的應(yīng)力值，無法直接得到整體結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊的響應(yīng)特性;而采用SRS的縱向動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)?zāi)軌颢@得整體結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊作用的效果，從而評(píng)估沖擊對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷和破壞勢(shì)。

3 鐵路罐箱沖擊試驗(yàn)實(shí)例

結(jié)合不同尺寸和不同結(jié)構(gòu)的4種罐箱，對(duì)鐵路沖擊試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)例研究。

3.1 鐵路沖擊試驗(yàn)實(shí)例

分別對(duì)1個(gè)20英尺罐箱（罐箱A）和1個(gè)40英尺罐箱（罐箱B）的鐵路沖擊試驗(yàn)進(jìn)行分析研究。罐箱A和罐箱B鐵路沖擊試驗(yàn)裝置主要技術(shù)參數(shù)見表1。為了便于后文分析，表1同時(shí)給出另外兩種罐箱（罐箱C和罐箱D）的主要技術(shù)參數(shù)。

3.1.1 罐箱A鐵路沖擊試驗(yàn)

罐箱A框架及其與罐體聯(lián)結(jié)部位共計(jì)37個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，其中有效測(cè)點(diǎn)30個(gè)，部分測(cè)點(diǎn)及貼片位置如圖2所示。罐箱A有限元模型按沖擊加速度為40 m/s2施加載荷。罐箱A試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)理論應(yīng)力與實(shí)測(cè)應(yīng)力比較見表2。30個(gè)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)中：理論應(yīng)力與實(shí)測(cè)應(yīng)力接近（差值在25 MPa以內(nèi)）的測(cè)點(diǎn)有13個(gè);實(shí)測(cè)應(yīng)力明顯高于理論應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)有14個(gè);實(shí)測(cè)應(yīng)力明顯低于理論應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)有3個(gè);除測(cè)點(diǎn)5、測(cè)點(diǎn)6的實(shí)測(cè)應(yīng)力與許用應(yīng)力較為接近外，其余測(cè)點(diǎn)無論是實(shí)測(cè)應(yīng)力還是理論應(yīng)力均遠(yuǎn)低于許用應(yīng)力。

3.1.2 罐箱B鐵路沖擊試驗(yàn)

罐箱B框架及其與罐體聯(lián)結(jié)部位共計(jì)32個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，其中有效測(cè)點(diǎn)32個(gè)，部分測(cè)點(diǎn)及貼片位置如圖3所示。罐箱B有限元模型按沖擊加速度為45 m/s2施加載荷。罐箱B試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)理論應(yīng)力與實(shí)測(cè)應(yīng)力比較見表3（由于對(duì)罐箱B的兩端分別進(jìn)行沖擊，所以實(shí)測(cè)應(yīng)力有2個(gè)數(shù)據(jù)）。32個(gè)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)中：理論應(yīng)力與實(shí)測(cè)應(yīng)力接近（差值在25 MPa以內(nèi)）的測(cè)點(diǎn)有5個(gè);實(shí)測(cè)應(yīng)力明顯高于理論應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)有26個(gè);實(shí)測(cè)應(yīng)力明顯低于理論應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)有1個(gè);除測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)9、測(cè)點(diǎn)26、測(cè)點(diǎn)28和測(cè)點(diǎn)32的實(shí)測(cè)應(yīng)力與許用應(yīng)力較為接近外，其余測(cè)點(diǎn)無論是實(shí)測(cè)應(yīng)力還是理論應(yīng)力均遠(yuǎn)低于許用應(yīng)力。另外，32個(gè)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)中有3組對(duì)稱結(jié)構(gòu)點(diǎn)，分別是測(cè)點(diǎn)5與測(cè)點(diǎn)32、測(cè)點(diǎn)15與測(cè)點(diǎn)30、測(cè)點(diǎn)8與測(cè)點(diǎn)31，其中，前兩組對(duì)稱點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)力大體相當(dāng)，后一組對(duì)稱點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)力相差較大。

3.2 動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)實(shí)例

四種罐箱（罐箱E、F、G和H）動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)裝置主要技術(shù)參數(shù)見表4，其中，罐箱E由不同試驗(yàn)單位分別進(jìn)行一次試驗(yàn)。通過分析四種罐箱在試驗(yàn)終止時(shí)的沖擊速度及SRS曲線可知：（1）在沖擊車和被沖擊車的質(zhì)量均不相同的條件下，同一被試罐箱在不同的沖擊速度下均可獲得滿足要求的SRS曲線;（2）在沖擊車質(zhì)量相同的條件下，被沖擊車質(zhì)量較小的同一被試罐箱可以在相對(duì)較低的沖擊速度下獲得滿足要求的SRS曲線。需要注意的是，由于實(shí)測(cè)的SRS曲線遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)SRS曲線，還需要進(jìn)一步積累數(shù)據(jù)驗(yàn)證本結(jié)論。

4 鐵路罐箱設(shè)計(jì)建議

4.1 基于鐵路沖擊試驗(yàn)的罐箱設(shè)計(jì)建議

由表1可見：鐵路沖擊試驗(yàn)中，罐箱A、B、C、D實(shí)測(cè)20 Hz濾波下的沖擊加速度為30～40 m/s2，40 Hz濾波下的沖擊加速度為45～50 m/s2。由于集裝箱角件與車輛上的鎖座存在縱向間隙，導(dǎo)致在沖擊過程中集裝箱的縱向加速度較大。[3]根據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)沖擊速度為8 km/h時(shí)，集裝箱角件和下端梁中部實(shí)測(cè)加速度為40～60 m/s2。在本文涉及的罐箱A鐵路沖擊試驗(yàn)中，90%的測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力大于或接近沖擊加速度按40 m/s2進(jìn)行有限元分析提取的應(yīng)力;在本文涉及的罐箱B鐵路沖擊試驗(yàn)中，97%的測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力大于或接近沖擊加速度按45 m/s2進(jìn)行有限元分析提取的應(yīng)力?；谏鲜龇治觯瑢?duì)于進(jìn)行鐵路沖擊試驗(yàn)考核的罐箱，建議至少按沖擊加速度40～50 m/s2考慮設(shè)計(jì)其縱向慣性力，考評(píng)依據(jù)TB/T 1335―1996 《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》進(jìn)行。

4.2 基于動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)的罐箱設(shè)計(jì)建議

根據(jù)ISO 1496-3-1995《系列1貨運(yùn)集裝箱 規(guī)范與試驗(yàn) 第3部分：液體、氣體及加壓干散貨用罐式集裝箱》附錄D，當(dāng)受試罐箱被撞擊速度高于臨界速度（緩沖裝置達(dá)到其最大行程和能量吸收能力時(shí)的速度）時(shí)，必然會(huì)得到最小SRS曲線（緩沖裝置完全壓縮）。緩沖裝置完全壓縮后達(dá)到其最大阻抗力，而根據(jù)力的相互作用原理，臨界速度下被沖擊車受到的沖擊力等于緩沖裝置的最大阻抗力。以罐箱E、F、G、H為例：沖擊車和被沖擊車均采用MT-2型緩沖器，其最大阻抗力為2 500 kN;采用動(dòng)化靜的方式換算得到，要獲得合格的SRS曲線，罐箱E、F、G、H的沖擊加速度至少分別為 43.5 m/s2、35.0 m/s2、34.6 m/s2和43.6 m/s2。通過大量動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)測(cè)得，當(dāng)達(dá)到試驗(yàn)終止條件時(shí)，罐箱底角件處加速度的范圍為40～ 60 m/s2（20 Hz濾波）?；谏鲜龇治?，對(duì)于進(jìn)行動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)考核的罐箱，建議至少按沖擊加速度40～ 50 m/s2考慮設(shè)計(jì)其縱向慣性力，考評(píng)以試驗(yàn)工況下罐箱各構(gòu)件整體強(qiáng)度不超過其材料屈服強(qiáng)度為準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

（1）鐵路沖擊試驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)對(duì)罐箱關(guān)鍵部位受力情況的定量考評(píng)，但無法直觀評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的整體抗沖擊性能，尤其在測(cè)點(diǎn)偏少或測(cè)點(diǎn)布置不合理的情況下更是如此。此外，試驗(yàn)結(jié)果受樣本個(gè)體差異影響較大，相同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在不同制造誤差下，同一測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果可能存在明顯差別。

（2）動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)?zāi)軌蚍从诚潴w結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊作用的響應(yīng)效果;但由于“SRS曲線高于標(biāo)準(zhǔn)SRS曲線”判定標(biāo)準(zhǔn)的自由度較大，在試驗(yàn)時(shí)，為了較易獲得合格的SRS曲線，沖擊速度變化過大極易損壞罐箱。

（3）在研制適用于鐵路沖擊試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)的罐箱時(shí)，可以統(tǒng)一按沖擊加速度40～50 m/s2考慮設(shè)計(jì)其縱向慣性力，但合格判據(jù)應(yīng)有所區(qū)別。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 王春山，金星，劉宏友，等. 鐵路貨車縱向沖擊特性[M]. 北京：中國鐵道出版社，2016.

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2019-09-25）