18 m 長出口鋼軌采用普通平車 裝運優(yōu)化方案研究

李善坡

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 運輸及經濟研究所，北京 100081)

隨著我國鋼軌生產質量的提高，鋼軌出口量也逐年上升。目前我國各鋼廠已經向全球20 多個國家和地區(qū)出口鋼軌，出口鋼軌的長度主要是 12.5 m，18 m 和25 m[1]，鋼軌一般經鐵路運輸至港口，再經海運出口至國外。其中，12.5 m 和25 m長鋼軌[2]可直接采用或參照《鐵路貨物裝載加固規(guī) 則》[3](以下簡稱《加規(guī)》)附件1 中定型方案進行裝運，18 m 長鋼軌原方案采用一輛15.4 m 長平車承載、兩端突出加掛游車的方式裝運，平均每車裝載量只有20 t 左右。為了提升鐵路貨運服務質量，提高鐵路運輸競爭力，充分考慮18 m 出口長鋼軌的長度和規(guī)格，依據《加規(guī)》的技術要求，研究提出一種“低－高－低－…－低”交錯承載方式的18 m 長鋼軌普通平車裝運優(yōu)化方案[4]，同時設計可循環(huán)使用裝載加固裝置[5]，低承載方式采用鋼墊梁，高承載方式采用鋼托架。

1 18 m 長出口鋼軌采用普通平車裝運優(yōu)化方案指標計算

1.1 優(yōu)化方案設計

表1 18 m 長出口鋼軌規(guī)格Tab.1 Specifications of 18 m rail for exporting purpose

圖1 最小編組裝運方案示意圖Fig.1 Loading plan under the minimum train combination

根據18 m 長出口鋼軌規(guī)格，考慮車組的最大裝載量，采用“低－高－低－…－低”交錯承載方式進行方案優(yōu)化設計?？紤]鋼軌長度與車輛長度的匹配性，選擇換長為1.5 的普通平車作為承載車，僅在車組兩端加掛游車。車組中承載車的最大數量可按采用的機車牽引能力進行計算確定。最小編組裝運方案采用5 輛普通平車，分別為游車、低承載車、高承載車、低承載車、游車。18 m 長出口鋼軌規(guī)格如表1 所示，最小編組裝運方案示意圖如圖1 所示。

低承載方式采用4 個鋼墊梁支承鋼軌，鋼墊梁由20 號工字鋼和鋼板焊接而成。以UIC54 鋼軌為例(下同)，低承載方式可裝載2 層，最多裝載46根，約45.07 t。在鋼墊梁上方鋼軌層間放置橫隔木，在兩端鋼墊梁內側各采用盤條4 股采用反又字下壓1 道，捆綁在車側丁字鐵上。在鋼軌中部，用盤條3 股將第1 層和第2 層鋼軌整體捆綁1 道。在每層鋼軌兩端分別用盤條4 股倒八字形拉牽捆綁在車側丁字鐵或支柱槽上。低承載方式裝運方案示意圖如圖2 所示。

高承載方式采用4 個鋼托架將鋼軌抬高，避免與低承載車鋼軌干涉，鋼托架由22 號、20 號槽鋼和鋼板焊接而成。根據《加規(guī)》第二十九條規(guī)定“一輛平車裝載超長貨物，兩端突出車端小于1.5 m時，車輛容許載重量為58 t”，最多可裝載3 層，可裝載57 根，約55.85 t。在鋼托架承載位置上方各層間放置隔木，端部托架外側約200 mm 處，各用盤條3 股將第二、三層捆為一體，在端部托架內側約200 mm 處，各用盤條3 股將第一、二層捆為一體，在鋼軌中部，用盤條3 股將第一至第三層鋼軌整體捆綁1 道。在兩端部托架內側各采用盤條4 股采用反又字下壓1 道，捆綁在車側丁字鐵上。在第1 層鋼軌兩端分別用盤條2 股倒八字形拉牽捆綁在端部鋼托架上，在第2 層和第3 層鋼軌兩端分別用盤條4 股倒八字形拉牽捆綁在車側丁字鐵或支柱槽上，高承載方式裝運方案示意圖如圖3 所示。如果采用43 車編組成列，可有41 輛車承載，21 低20 高承載，可裝載2 102.67 t，平均每車裝載48.9 t。若采用42 車編組成列，3 個11 車裝9 車 (5低4高)小編組，1個9車裝7車(4低3高)小編組，可裝載1 723.48 t，平均每車裝載41.03 t。這2 種編組形式應用較多，各鋼廠還可根據各自裝車線條件和運輸組織模式，自行選擇編組數量，但最低編組車輛數量不低于5 輛。

圖2 低承載方式裝運方案示意圖Fig.2 Loading plan under the low loading mode

圖3 高承載方式裝運方案示意圖Fig.3 Loading plan under the high loading mode

1.2 優(yōu)化方案指標計算

1.2.1 鋼墊梁和鋼托架最小設計高度

依據《加規(guī)》，鋼墊梁最小設計高度可表示為

式中：a為鋼軌突出端至負重車最近輪軸軸心所在垂直平面的距離，a= 2 665 mm；h車差為游車地板高度與負重車地板高度差，h車差= 20 mm；f取各軌型中最大值4 mm。

經計算得H墊= 186.6 mm，低承載方式的鋼墊梁實際高度按215 mm 設計，滿足要求。

考慮18 m 長出口鋼軌各規(guī)格鋼軌最大高度188.9 mm，高承載方式鋼托架的最小設計高度H托應為215 + 2×188.9 + 30 + 186.6 = 809.4 mm，實際設計高度為815 mm，滿足要求。

1.2.2 重車重心高

以高承載方式為例進行計算，車輛自重23.8 t，空車重心高度為738 mm；托架重量約1.8 t，重心高度為1 617 mm。第一層鋼軌重量約24.50 t，重心高度2 111 mm；第二層鋼軌重量約22.53 t，重心高度2 330 mm；第三層鋼軌重量約8.82 t，重心高度2 548 mm。經計算，重車重心高為1 806.8 mm，重車重心不超高。高承載方式重心高度示意圖如圖4 所示。

圖4 高承載方式重心高度示意圖Fig.4 Gravity center height under the high loading mode

1.2.3 加固強度計算

以最小編組(2 低1 高2 游車)為例進行計算，貨物重量約145.99 t，墊梁及托架重量2.86 t，車組重量112 t，車組總重為260.85 t。只需校核頂層鋼軌的縱向加固強度和裝載加固裝置的橫擋強度是否滿足要求，低承載時頂層裝載21 根UIC54 軌，高承載時裝載9 根UIC54 軌。根據《加規(guī)》，通過計算縱向慣性力、橫向慣性力、垂直慣性力、風力和摩擦力，得出頂層鋼軌所需的縱向加固力和裝載加固裝置橫擋所受的橫向加固力。

（1）縱向慣性力。每噸貨物的縱向慣性力t0= 5.88 kN/t，則低承載方式頂層鋼軌的縱向慣性力T低=t0×21×18×54.43 / 1 000 = 120.98 kN。高承載方式頂層鋼軌的縱向慣性力T高=t0×9×18×54.43 / 1 000 = 51.85 kN。

圖5 貨物縱向拉牽加固示意圖Fig.5 Longitudinal pulling and reinforcement of goods

（2）橫向慣性力。每噸貨物的橫向慣性力n0= 2.82 kN/t，則低承載方式鋼軌的橫向慣性力N低=n0×46×18×54.43 / 1 000 = 127.09 kN。高承載方式鋼軌的橫向慣性力N高=n0×57×18×54.43 / 1 000 = 157.48 kN。

（3）垂直慣性力。每噸貨物的垂直慣性力q垂= 3.54 kN/t，則低承載方式鋼軌的垂直慣性力Q低=q垂×46×18×54.43 / 1 000 = 159.54 kN。高承載方式鋼軌的垂直慣性力Q高=q垂×57×18×54.43 /1 000=197.69 kN。

（4）風力。低承載方式鋼軌的所受風力W低= 0.49×0.159×18×2 = 2.80 kN。高承載方式鋼軌的所受風力W高= 0.49×0.159×18×3 = 4.21 kN。

（6）貨物水平移動穩(wěn)定性校核。通過縱向和橫向加固強度校核，驗證鋼軌的縱向和橫向加固強度是否滿足要求。貨物縱向拉牽加固示意圖如圖5 所示，圖中O點為拉牽繩在貨物上的拴結點，A點為拉牽繩在車輛上的拴結點，B點為O點在車地板上的投影，C點為O點所在縱向垂直平面與車輛邊線的交點。

①低承載方式縱向加固強度校核。根據低承載方式頂層鋼軌的縱向慣性力和摩擦力，計算出其所需的加固力= 120.98 - 80.65 =

②高承載方式縱向加固強度校核。根據高承載方式頂層鋼軌的縱向慣性力和摩擦力，計算出其所需的加固力= 51.85 - 34.57 =17.28 kN，從而計算出拉牽繩所需的拉牽力

③低承載方式加固方案橫向加固強度校核。低承載方式鋼墊梁所受的橫向加固力ΔN低=1.25×

④高承載方式加固方案橫向加固強度校核。高承載方式鋼托架所受的橫向加固力ΔN高=1.25×

1.2.4 鋼墊梁及鋼托架承重計算

為避免鋼軌之間及鋼軌與相鄰車地板的干涉，同時考慮鋼墊梁和鋼托架與車地板的加固問題，通過位置優(yōu)選，將鋼墊梁和鋼托架均布置在從車端數第1和第3 支柱槽處。

按照鋼墊梁承載46 根18 m長鋼軌、鋼托架承載57 根18 m長鋼軌進行計算，鋼墊梁和鋼托架承重如表2 所示。

由表2 可知，鋼托架最大承重148.59 kN，考慮動核系數1.4，鋼托架承受的最大垂向載荷為208.03 kN，考慮縱向最大摩擦力74.30 kN。采用有限元軟件對鋼托架進行結構分析[6-7]，鋼托架應力分布云圖如圖6 所示，鋼托架最大應力為 96.2 MPa，小于Q235 材料的許用應力160 MPa，滿足強度要求。

表2 鋼墊梁和鋼托架承重 kNTab.2 Loading of steel beam and steel bracket

圖6 鋼托架應力分布云圖Fig.6 Stress distribution cloud map of steel bracket

2 18 m 長出口鋼軌采用普通平車裝運優(yōu)化方案試驗

2.1 試驗概況

2015 年10 月9—10 日，在攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司(以下簡稱攀鋼)軌梁廠廠區(qū)和專用線上進行了18 m 長出口鋼軌裝運優(yōu)化方案(2 低1高2 游車的編組方式)的靜態(tài)、沖擊和運行試驗。靜態(tài)試驗時，在受力較大的鋼墊梁和鋼托架危險截面上粘貼應變片，鋼軌裝載完畢后讀取靜態(tài)應力值。沖擊試驗時，用機車推動一輛滿載的敞車，達到一定速度后將其溜放，與停在平直線路上的試驗車組沖擊。測量和記錄沖擊過程中鋼托架和鋼墊梁動態(tài)強度及18 m 長鋼軌的裝載加固狀態(tài)，另用鐵鞋限制沖擊后被沖擊車組的移動距離，以保證試驗安全。運行試驗主要觀察鋼軌高低錯裝時，鋼軌及加固線在車輛通過小曲線半徑時是否存在干涉現象。沖擊試驗工況示意圖如圖7 所示。

2.2 測點布置

根據表2，在被沖擊端受力較大的鋼托架(第3車上第1個鋼托架)和鋼墊梁(第2車上第4個鋼墊梁)危險截面處粘貼應變片。鋼托架測點布置示意圖如圖8 所示，鋼墊梁測點布置示意圖如圖9 所示。

2.3 靜態(tài)試驗

鋼軌裝載完畢后，各測點靜態(tài)應力值如表3 所示，第2 測點應力最大，最大為78.4 MPa，小于160 MPa，滿足強度要求。

2.4 沖擊試驗

（1）強度測試。靜態(tài)試驗完成后，準備工作完成后，在攀鋼專用線進行了沖擊試驗[8]。試驗車組共沖擊了11 次，沖擊試驗工況下各測點合成應力如表4 所示，當沖擊速度為8 km/h，第7 測點的合成應力最大，為116.5 MPa，小于160 MPa，滿足強度要求。

（2）裝載加固狀態(tài)。在沖擊過程中，18 m 長鋼軌的整體裝載加固狀態(tài)良好。調車連掛速度范圍內，共沖擊2 次，在第5 次沖擊速度達到6.8 km/h 時，被沖擊端低承載方式的中部鋼軌開始發(fā)生移動，最大為30 mm，滿足《加規(guī)》要求。整個試驗過程中，被沖擊端低承載方式的鋼軌最大累積縱向位移為150 mm，高承載方式和沖擊遠端的鋼軌均未發(fā)生移動，所有裝載加固裝置狀態(tài)良好，未發(fā)生相對車體的移動情況。

2.5 試運行試驗

圖7 沖擊試驗工況示意圖Fig.7 Impact test conditions

圖8 鋼托架測點布置示意圖Fig.8 Sensor positions for steel bracket

圖9 鋼墊梁測點布置示意圖Fig.9 Sensor positions for steel beam

表3 各測點靜態(tài)應力值 MPaTab.3 Static stress of each sensor

鋼軌裝載加固完成后，采用調車機將試驗車組遷出并通過通過廠區(qū)內半徑為150 m 的S 形曲線，重點檢查低承載方案鋼軌端部與高承載方案鋼軌拉牽繩線是否存在干涉現象，經檢查，鋼軌與拉牽繩不存在干涉現象，并且具有足夠的安全余量。

表4 沖擊試驗工況下各測點合成應力 MPaTab.4 Synthetic stress of each sensor under impact test conditions

3 結束語

鐵路貨物裝載加固是一項技術性較強的工作，應在保證運輸安全的前提下做到巧裝滿載。研究提出的18 m 長出口鋼軌采用普通平車裝運優(yōu)化方案裝載加固強度均滿足《加規(guī)》技術要求，該優(yōu)化方案充分考慮了各型號出口鋼軌特性，有效利用車輛載重能力，與原方案相比，優(yōu)化方案可成倍提高裝載量和運輸效率，減少車輛使用，大幅降低運輸成本，同時優(yōu)化方案采用了可循環(huán)使用裝載加固裝置，安全環(huán)保。18 m 長出口鋼軌采用普通平車裝運優(yōu)化方案可以進一步豐富我國長鋼軌普通平車運輸裝載加固技術體系，對我國18 m 長鋼軌“走出去”具有重要的現實意義。