我國(guó)鐵路小型集裝箱技術(shù)研究

陸 松，丁文贏，張 輝

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081)

隨著我國(guó)鐵路快捷貨運(yùn)的發(fā)展，先后開(kāi)發(fā)了以最高運(yùn)行速度為160 km/h特快貨物班列、最高運(yùn)行速度120 km/h快速貨物班列、中歐(中亞)快速集裝箱班列為主的系列快捷貨運(yùn)產(chǎn)品[1]，鐵路高附加值產(chǎn)品運(yùn)輸在貨運(yùn)量中所占比例不斷提高[2-3]，具有“多品種、小批量、多批次、短周期”的運(yùn)輸特點(diǎn)[4]，為鐵路快捷貨運(yùn)集裝化器具運(yùn)用奠定基礎(chǔ)[5]。目前，鐵路集裝化器具存在種類較多、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、兼容性不夠等缺點(diǎn)[6]，根據(jù)我國(guó)鐵路快捷貨運(yùn)特點(diǎn)，考慮我國(guó)鐵路裝卸設(shè)備條件、載運(yùn)車輛條件、場(chǎng)站條件、運(yùn)輸安全等多種因素，主要開(kāi)展1.5 t小型集裝箱技術(shù)研究。

1 鐵路小型集裝箱基本技術(shù)要求

（1）小型集裝箱主要用于裝載價(jià)值高、運(yùn)輸時(shí)效性高的快運(yùn)貨物，為確保貨物運(yùn)輸安全，應(yīng)具備一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度，并有良好的密封性，防止因雨水等產(chǎn)生的貨損。

（2）快運(yùn)貨物具備批次多、批量少的特點(diǎn)，裝載用小型集裝箱不需要設(shè)計(jì)的太大、太重[7]，應(yīng)適應(yīng)現(xiàn)有鐵路站場(chǎng)常規(guī)配置的叉車等裝卸設(shè)備作業(yè)能力，因而總重設(shè)計(jì)為不超過(guò)2 t。

（3）我國(guó)地域遼闊，鐵路網(wǎng)已覆蓋全國(guó)大部分地區(qū)，據(jù)項(xiàng)目組前期測(cè)試研究[8]，棚車內(nèi)最高溫度可達(dá)66℃，冬季測(cè)得最低溫度-21℃。因此，運(yùn)輸貨物的裝載器具應(yīng)滿足相應(yīng)的環(huán)境要求，參考20 ft 35 t敞頂箱等研究經(jīng)驗(yàn)，采用小型集裝箱應(yīng)滿足在-40℃至80℃環(huán)境溫度范圍內(nèi)使用要求。

（4）經(jīng)大量調(diào)研并廣泛征求使用單位和生產(chǎn)企業(yè)意見(jiàn)，小型集裝箱堆碼能力應(yīng)設(shè)計(jì)為在鐵路棚車等鐵路車輛或公路汽車內(nèi)堆碼2層，在貨場(chǎng)內(nèi)堆碼3層。

（5）為降低制造成本、方便采購(gòu)，在保證集裝箱強(qiáng)度和使用壽命的前提下，小型集裝箱主要部件應(yīng)采用集裝箱行業(yè)應(yīng)用比較成熟的材料。

（6）小型集裝箱主要部件應(yīng)采用波紋板結(jié)構(gòu)，并對(duì)箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減少小型箱自重，增大小型箱的容積。

2 鐵路小型集裝箱主要結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

小型集裝箱主要裝載于既有鐵路快運(yùn)棚車內(nèi)，影響小型集裝箱外形尺寸的最主要參數(shù)是快運(yùn)棚車寬度。經(jīng)調(diào)研，鐵路快運(yùn)棚車內(nèi)寬、內(nèi)高多大于2 800 mm，綜合鐵路車輛內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及叉車等裝卸設(shè)備在車廂內(nèi)作業(yè)便捷性，小型集裝箱寬度不超過(guò)1 300 mm，為實(shí)現(xiàn)鐵路車廂內(nèi)堆碼2層目標(biāo)，高度不超過(guò)1 300 mm?；谝陨匣炯夹g(shù)要求，項(xiàng)目組提出1.5 t小型集裝箱設(shè)計(jì)方案，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 1.5 t小型集裝箱主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Principal parameters of the 1.5 t small containers

1.5 t小型集裝箱主要由底架、前端、側(cè)墻、門端和頂部組成，1.5 t小型集裝箱結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 1.5 t小型集裝箱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the 1.5 t small containers

（1）底架結(jié)構(gòu)。底架由底側(cè)梁，底橫梁、底縱梁、鋼地板以及支座組焊而成。底橫梁和底縱梁采用井字型結(jié)構(gòu)，底架上焊有4個(gè)支座，分別位于底部的四角，起支撐箱體堆碼時(shí)定位作用。支座尺寸及組裝位置滿足叉車、液壓搬運(yùn)車四向進(jìn)叉作業(yè)要求。

（2）前端、側(cè)墻結(jié)構(gòu)。前端、側(cè)墻均由壓型波紋板焊接而成，在減輕自重的情況下保證箱體剛度和強(qiáng)度。角柱上方設(shè)有堆碼板，堆碼板帶有導(dǎo)向限位，與底部支座相對(duì)應(yīng)，便于上層箱的堆疊，滿足鐵路貨車和公路卡車運(yùn)輸時(shí)滿載雙層堆碼或在貨場(chǎng)滿載3層堆碼的作業(yè)要求。

（3）箱頂結(jié)構(gòu)。箱頂由壓型盲波板并焊于楣板(梁)、頂側(cè)梁之上，波紋板具有一定的拱度以利于排水。為了實(shí)現(xiàn)集裝箱堆碼功能，箱頂采用整體折壓的回字形凸起結(jié)構(gòu)，四周為平臺(tái)。在集裝箱堆碼時(shí)，上部集裝箱支座落入下部集裝箱頂?shù)幕刈中纹脚_(tái)上，集裝箱箱頂凸起的豎邊，可對(duì)上部集裝箱落裝起導(dǎo)向和定位作用，即能保證支座順利落入回字形平臺(tái)，又可限制上部集裝箱的竄動(dòng)。

（4）門端結(jié)構(gòu)。門端由門框和左、右門扇組成，門扇通過(guò)鉸鏈銷安裝在門框上，可以轉(zhuǎn)動(dòng)約270°，保證箱門開(kāi)閉靈活并密封良好。

3 鐵路小型集裝箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真計(jì)算

參照GB/T 18832《箱式、立柱式托盤》、中國(guó)船級(jí)社《集裝箱檢驗(yàn)規(guī)范》相關(guān)要求，確定1.5 t小型集裝箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真計(jì)算工況表如表2所示。

表2 1.5 t小型集裝箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真計(jì)算工況表Tab.2 Simulative calculated working conditions of of the 1.5 t small containers

采用SolidWorks Simulation軟件對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，采用基于曲率的網(wǎng)格劃分方式，建立箱體模型，共有單元45 938個(gè)，節(jié)點(diǎn)88 941個(gè)。箱體有限元計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 箱體有限元計(jì)算模型Fig.2 Finite element calculation model of the container structure

仿真計(jì)算結(jié)果顯示:箱體前端內(nèi)側(cè)施加均布載荷0.6P時(shí)，箱體最大應(yīng)力值143.99 MPa，最大變形量1.91 mm；箱體側(cè)壁內(nèi)側(cè)施加均布載荷0.6P時(shí)，最大應(yīng)力值114.21 MPa，最大變形量2.3 mm；模擬叉舉計(jì)算最大應(yīng)力值22.93 MPa，最大變形量0.24 mm；箱體頂板中部施加均布載荷300 kg，最大應(yīng)力值220.41 MPa，最大變形量2.26 mm；模擬堆碼仿真計(jì)算最大應(yīng)力值137.26 MPa，最大變形量2.07 mm。

以上計(jì)算最大應(yīng)力值為220.41 MPa，出現(xiàn)在箱體頂部，小于箱體所用材料SPA-H的第二工況許用應(yīng)力值301 MPa。小型集裝箱部分仿真計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

4 試驗(yàn)研究

項(xiàng)目組先后完成了1.5 t小型集裝箱設(shè)計(jì)、樣箱制造等工作，參照集裝箱試驗(yàn)方法，項(xiàng)目組對(duì)新造1.5 t小型集裝箱進(jìn)行了堆碼、叉舉試驗(yàn)，側(cè)墻、端墻、頂部加載試驗(yàn)和風(fēng)雨密試驗(yàn)，以驗(yàn)證1.5 t小型集裝箱的使用性能，研究小型集裝箱在使用過(guò)程中可能的損壞因素，為制定小型集裝箱的維修管理辦法提供基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（1）堆碼試驗(yàn)。小型集裝箱放在水平地面上，箱內(nèi)按1.8R-T載荷要求配載2 520 kg，箱頂加載4 000 kg，滿足每個(gè)角柱承載1 000 kg的要求，橫向、縱向分別偏置25.4 mm，38 mm，持續(xù)5 min，試驗(yàn)滿載的小型集裝箱在運(yùn)輸條件下，在箱垛中出現(xiàn)偏碼時(shí)的承載能力。

（2）叉舉試驗(yàn)。小型集裝箱箱內(nèi)按1.6R-T配載2 220 kg，試驗(yàn)采用叉車從箱底四向進(jìn)叉叉舉，持續(xù)5 min，試驗(yàn)滿載的小型集裝箱在搬運(yùn)條件下，箱體底架的承載能力。

（3）箱頂試驗(yàn)。小型集裝箱箱頂件配載300 kg，載荷均勻分布600 mm×300 mm面積上，持續(xù)5 min，試驗(yàn)小型集裝箱承受人員在箱頂作業(yè)時(shí)所產(chǎn)生載荷的能力。

（4）堆碼水平強(qiáng)度試驗(yàn)。2個(gè)小型集裝箱分別滿載，在上層小型箱長(zhǎng)度和寬度方向上的支座處，施加水平外力2 940 N，各持續(xù)5 min，試驗(yàn)滿載的小型集裝箱在疊裝運(yùn)輸條件下，在箱垛中承載水平外力的能力。

（5）側(cè)墻強(qiáng)度試驗(yàn)。箱內(nèi)按0.6P配載792 kg，載荷均勻分布在一邊側(cè)壁上，持續(xù)5 min，測(cè)試側(cè)壁及側(cè)梁自由變形量，試驗(yàn)小型集裝箱在鐵路運(yùn)輸動(dòng)載荷情況下，側(cè)墻的承載能力。

（6）端部強(qiáng)度試驗(yàn)。在箱內(nèi)配載按0.6P配載792 kg，載荷均勻分布在要測(cè)試的一端，持續(xù)5 min，測(cè)試該端結(jié)構(gòu)自由變形量，試驗(yàn)小型集裝箱在鐵路運(yùn)輸動(dòng)載荷情況下，前端和門端的承載能力。

（7）風(fēng)雨密試驗(yàn)。向1.5 t小型集裝箱外表面各個(gè)連接處和接縫噴水，噴嘴的內(nèi)徑為12.5 mm，出口壓力為100 kPa (相當(dāng)于10 m高的水柱)，噴嘴距離試驗(yàn)箱1.5 m，水流以100 mm/s的速度橫貫集裝箱，持續(xù)5 min，試驗(yàn)小型集裝箱密封情況。

（8）試驗(yàn)結(jié)果分析。試驗(yàn)內(nèi)容及試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。按照小型集裝箱堆碼、叉舉等使用工況對(duì)新造樣箱進(jìn)行試驗(yàn)，各工況最大變形值均較小，最大變形出現(xiàn)在堆碼和門端試驗(yàn)中，最大值2 mm，小于集裝箱常用的試驗(yàn)后變形值(因部件不同最大允許變形值3 ～ 7 mm之間)，也與仿真計(jì)算最大變形量2.3 mm接近。

對(duì)小型集裝箱使用情況大量調(diào)研發(fā)現(xiàn)，由于小型集裝箱使用了與標(biāo)箱相同的制造材料，并且材料厚度相同，而小型集裝箱體積較標(biāo)箱更小，承載能力及承受外部碰撞等損傷能力更強(qiáng)，在用的小型集裝箱因損壞引起修理的比例很少。

圖3 小型集裝箱部分仿真計(jì)算結(jié)果Fig.3 Some simulative calculated results of the small container

表3 試驗(yàn)內(nèi)容及試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test contents and results

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)，以快捷貨物為主的社會(huì)物流需求越來(lái)越多，對(duì)鐵路集裝化運(yùn)輸提出更高要求。研究基于快運(yùn)貨物運(yùn)輸時(shí)效性強(qiáng)、運(yùn)輸質(zhì)量要求高、批次多、批量少的特點(diǎn)，結(jié)合鐵路裝卸設(shè)備現(xiàn)狀，提出適應(yīng)鐵路快運(yùn)貨物運(yùn)輸?shù)男⌒图b箱設(shè)計(jì)基本技術(shù)要求，并研制1.5 t鐵路小型集裝箱。以1.5 t鐵路小型集裝箱為主的系列小型集裝箱的推廣應(yīng)用，解決了快運(yùn)貨物兩端配送裝卸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了快運(yùn)貨物快裝快卸和運(yùn)輸安全，目前1.5 t小型集裝箱已投入運(yùn)用10萬(wàn)只，裝箱數(shù)108.99萬(wàn)只，有力地推動(dòng)了鐵路快運(yùn)貨物運(yùn)輸市場(chǎng)發(fā)展[9]。