集裝箱專用平車加裝承載板實現(xiàn)滾裝運輸技術(shù)研究

申楠公，王 曦，陳 慆

(陸軍軍事交通學(xué)院 軍事交通運輸研究所，天津 300016)

1 集裝箱專用平車用于滾裝運輸需求分析

1.1 運輸需求

滾裝運輸是指將貨物牽引進(jìn)入運載工具后，再進(jìn)行貨運運輸?shù)囊环N運輸方式。在鐵路運輸中，需要使用滾裝運輸?shù)呢浳镏饕ㄆ?、輪式和履帶式工程機械、軍用特種裝備等。從鐵路貨車的特點看，沒有頂棚、側(cè)墻和端墻的鐵路平車最適合開展?jié)L裝運輸。目前，我國鐵路平車主要包括通用平車(以N 系列為主)、平車—集裝箱兩用平車(以NX系列為主，以下簡稱“共用平車”)和集裝箱專用平車(以X 系列為主)3類。其中，通用平車因具有木質(zhì)整體地板、承重梁等利于滾裝運輸結(jié)構(gòu)，一直是滾裝運輸?shù)闹髁1]。共用平車設(shè)計用途以集裝箱吊裝運輸為主，但也可以用于滾裝運輸。集裝箱專用平車設(shè)計用途為集裝箱吊裝運輸，不能用于滾裝運輸。從應(yīng)急角度考慮，集裝箱專用平車應(yīng)具備滾裝運輸功能，以彌補應(yīng)急情況滾裝運輸所需平車數(shù)量缺口，完善自身應(yīng)急保障能力。

（1）彌補應(yīng)急情況滾裝運輸所需平車數(shù)量缺口。目前，鐵路通用平車的運輸需求不足，自1997年后就已經(jīng)停產(chǎn)，現(xiàn)有車輛也陸續(xù)達(dá)到使用年限而面臨報廢。在重大自然災(zāi)害、安全事故等應(yīng)急情況下，對于汽車、工程機械的滾裝運輸需求仍較大，此外鐵路軍事運輸?shù)忍囟ㄟ\輸對滾裝運輸需求也非常大[2]，而通用平車受到保有量少、車況條件差、集結(jié)調(diào)配困難等影響，可用數(shù)量明顯不足，即使將共用平車作為補充，數(shù)量仍時常出現(xiàn)缺口。如果考慮使用集裝箱專用平車彌補，受制于自身特點，汽車、工程機械、軍用特種裝備等滾裝運輸貨物只能依托集裝箱吊裝，難度大、受限多、耗時長，難以滿足應(yīng)急要求，亟需在集裝箱專用平車上補充滾裝運輸功能。

（2）完善自身應(yīng)急保障能力。相對于共用平車，集裝箱專用平車在運輸集裝箱上，具有方便高效、成本低、安全性高的優(yōu)勢，是鐵路集裝箱運輸?shù)膬?yōu)選車型。隨著集裝箱多式聯(lián)運的蓬勃發(fā)展和鐵路系統(tǒng)對發(fā)展集裝箱運輸?shù)母叨戎匾昜3-4]，集裝箱專用平車的產(chǎn)量不斷提升[5]，目前保有量占鐵路平車保有量的比重已經(jīng)超過其他2類平車之和，幾乎成為現(xiàn)階段的主流平車車型。由于部分應(yīng)急情況下對滾裝運輸?shù)男枨筝^大，而集裝箱專用平車僅具有單一的集裝箱運輸功能，限制了其在應(yīng)急條件下作用的發(fā)揮，在國家大力健全應(yīng)急管理體系，提高處理急難險重任務(wù)能力的背景下，需要通過增加滾裝運輸功能，實現(xiàn)自身應(yīng)急保障能力的完善。

1.2 存在的問題及解決方法

結(jié)合集裝箱專用平車用于滾裝運輸應(yīng)急需求，分析集裝箱專用平車用于滾裝運輸存在的主要問題，針對這些問題，提出解決思路。

（1）存在問題。集裝箱專用平車一般由底架、集裝箱鎖閉裝置、門擋、風(fēng)制動裝置、手制動裝置、車鉤緩沖裝置及轉(zhuǎn)向架等組成，由于在設(shè)計時只考慮了集裝箱吊裝運輸，結(jié)構(gòu)上存在多個不利于滾裝運輸?shù)膯栴}，具體如下。一是地板問題。車輛底架是由板材及型鋼組成的框架結(jié)構(gòu)[6]，地板為中空的骨架式結(jié)構(gòu)，無整體地板，汽車、工程機械、軍用特種裝備等無法滾裝上車，車上也不能妥善安置。二是承重問題。車輛為整體承重結(jié)構(gòu)，與通用平車相比，缺少承重梁，只能承載集裝箱等均布載荷貨物，即使補齊地板的空洞，也無法承載具有集中載重的滾裝運輸貨物。三是捆綁加固問題。車輛骨架式地板的材質(zhì)為金屬，且側(cè)梁和端梁基本沒有拴結(jié)點，無法如通用平車采用鐵路捆綁加固器材實施有效固定。四是滾裝通行問題。車輛集裝箱鎖閉裝置為固定式鎖頭，端部門擋是固定式門擋，均不可折疊，各車之間無法形成利于滾裝通行的通道。

（2）解決方法。針對集裝箱專用平車用于滾裝運輸存在的問題，通過增加承重主梁、加鋪木地板、切除集裝箱鎖頭、更換固定門檔為折疊式、在側(cè)梁焊接拴結(jié)點等，可以實現(xiàn)將集裝箱專用平車用于滾裝運輸，但是改動量大、耗時長、恢復(fù)困難，集裝箱專用平車也幾乎被完全改造為通用平車。考慮集裝箱專用平車主要用途是運輸集裝箱，將集裝箱專用平車完全改造為通用平車既不經(jīng)濟(jì)，也無法滿足應(yīng)急使用要求。為此，考慮通過加裝承載板，實現(xiàn)對車輛地板的補全和承載面的墊高，保證滾裝運輸。在車型方面，選擇保有量最大的X 6K 型和X70型集裝箱專用平車，以使研究更具普遍性。

2 集裝箱專用平車加裝承載板實現(xiàn)滾裝運輸技術(shù)分析

2.1 承載板設(shè)計

（1）數(shù)量。承載板的加裝擬充分利用集裝箱專用平車現(xiàn)有的集裝箱鎖頭。X6K 型和X 70型集裝箱專用平車均設(shè)置了8個集裝箱鎖頭，如果承載板為1或2塊時，尺寸、自重過大，不利于操作；如果承載板為8塊或更多時，需要額外拼接，結(jié)構(gòu)強度將會下降。因此，設(shè)定每車使用4塊承載板，每塊分別占用2個鎖頭。

（2）尺寸。承載板長度接近20 ft 國際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的長度，以覆蓋車輛端部和中部的2個集裝箱鎖頭，方便承載板的固定。寬度接近側(cè)梁到端門的距離，即可有效擴大地板面積，又能方便兩車間用于滾裝運輸?shù)亩砂宓拇钤O(shè)。高度擬定為手制動機到車輛承載面的高度，雖然車上最高設(shè)施有側(cè)梁扶手、端部門擋和手制動機，但側(cè)梁扶手位于側(cè)梁邊緣，端部門擋位于車輛正中間，對滾裝運輸影響較小，而手制動機位于車輛端部中央，滾裝通行時輪胎或履帶會與之發(fā)生干涉，對滾裝運輸造成限制。

（3）材質(zhì)。承載板的材質(zhì)為木和鋼，其中木材質(zhì)與通用平車相同，鋼材質(zhì)為高強度耐大氣腐蝕鋼Q450NQR1，與集裝箱專用平車相同。

（4）結(jié)構(gòu)。承載板由承載面、橫支撐架、渡板、斜支腿、受力面、繩拴組成。承載板結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1承載板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schem atic diagram of carrier p late structure

承載板上部中央為木質(zhì)結(jié)構(gòu)承載面，厚度與共用平車木板厚度相同；四周則為鋼制結(jié)構(gòu)，靠近側(cè)梁側(cè)鋼制邊框?qū)挾扰c共用平車側(cè)梁壓鐵寬度相同，另一側(cè)鋼制邊框?qū)挾扰c共用平車地板壓條寬度相同，兩端鋼制邊框?qū)挾扰c集裝箱鎖閉裝置寬度相同。承載板下部為鋼制結(jié)構(gòu)受力面，形狀類似槽鋼，并在位于車輛端部側(cè)邊緣設(shè)有一定厚度的邊框，便于利用端部門擋卡緊，防止承載板出現(xiàn)沿側(cè)梁方向的位移，邊框下部正對集裝箱鎖頭處設(shè)置國際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱角件，以便與鎖頭卡緊實現(xiàn)承載板的有效固定。槽鋼內(nèi)部沿側(cè)梁方向均布三道橫梁，與側(cè)梁垂直方向均布五道縱梁，用于承擔(dān)滾裝運輸貨物的下壓力。

承載板的渡板設(shè)在承載板位于車輛端部側(cè)。高度、厚度與共用平車端壁板相同，以便于貨物滾裝通過；渡板長度與承載板寬度相同，以避免與端部門擋發(fā)生干涉；渡板通過翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)與承載板端部邊板連接，渡板翻轉(zhuǎn)后利用2個橫支撐架支撐。橫支撐架位于承載板端部邊框外側(cè)，并與端部邊框相連，橫支撐架下部連接斜支腿，斜支腿下部設(shè)置可與端梁固定的裝置，在使用時可以頂靠并牢固固定于端梁，達(dá)到支撐橫支撐架的作用。橫支撐架尺寸、設(shè)置位置與共用平車端壁板支架相同。繩拴是滾裝運輸實施捆綁加固的必要環(huán)節(jié)[7]，目前側(cè)梁和端梁基本沒有拴結(jié)點，需要焊接繩拴。但是由于加裝作業(yè)地點條件有限，可能無法實施焊接作業(yè)，由此考慮將承載板帶渡板的端部當(dāng)做NX 17K 型共用平車的1位端，參照NX17K 型共用平車側(cè)梁設(shè)置繩栓的位置，在承載板位于側(cè)梁側(cè)鋼制邊框焊接4個與共用平車使用繩拴規(guī)格一致的繩拴，以滿足應(yīng)急運輸需要。

2.2 加裝改造方法

通過固定式鎖頭將4塊承載板牢固固定。在具備焊接條件的前提下，在底架側(cè)梁參照NX17K 型共用平車設(shè)置繩栓的位置焊接16個繩栓。集裝箱專用平車加裝承載板示意圖如圖2所示。

3 加裝承載板后集裝箱專用平車滾裝運輸能力分析

3.1 承載能力校核

通過加裝承載板，集裝箱專用平車克服了自身結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)滾裝運輸中存在的地板、捆綁加固和滾裝通行問題，但是承重能力仍需校核。受集裝箱專用平車整體承載能力限制，結(jié)合汽車、工程機械等滾裝運輸貨物實際，確定加裝承載板后的集裝箱專用平車滾裝最大承載能力為25 t，并根據(jù)《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》(TB/T 1335—1996)進(jìn)行校核。校核過程如下。

圖2 集裝箱專用平車加裝承載板示意圖Fig.2 Schematic diagram of f itting carrier p late on container special fat car

按《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》規(guī)定，承載能力的計算模型，應(yīng)施加以下載荷：垂向靜載荷、垂向動載荷、側(cè)向力。假定滾裝運輸貨物具有4個車輪，則垂向靜載荷為單個車輪輪重6.25 t，并可根據(jù)該規(guī)范給定的計算方法計算得出垂向動載荷為1.875 t，側(cè)向力為0.625 t。在垂向靜載荷6.25 t 條件下，根據(jù)鐵路貨車應(yīng)力(UIC577)的有關(guān)規(guī)定，載荷面積可按350mm×200 mm 計算。

將載荷施加到加裝承載板后的集裝箱專用平車，并將平車離散成板單元，采用四邊形單元，局部三角形過渡，單元長度小于等于10mm，最后將該結(jié)構(gòu)分成207 516個四邊形單元，210 201個節(jié)點，加裝承載板的集裝箱專用平車受力有限元分析如圖3所示。根據(jù)分析結(jié)果，底架上最大應(yīng)力在貨物車輪載荷的下方，為257 MPa，而底架材質(zhì)為Q450NQR1鋼，其許用應(yīng)力為281MPa，即底架上最大應(yīng)力不大于許用應(yīng)力，不會對車體本身造成任何不利的影響。由此可知，25 t 貨物可在加裝承載板的集裝箱專用平車實現(xiàn)滾裝運輸。

3.2 適運范圍分析

通過對比加裝后承載面高度與貨物最小離地間隙、渡板間距與貨物輪胎內(nèi)側(cè)或履帶內(nèi)側(cè)間距、運輸寬度限制與貨物寬度、承載質(zhì)量與貨物質(zhì)量，可以分析得出適運范圍。

（1）高度。由于承載板高度與手制動機平齊，在這一高度上，X 6K 型集裝箱專用平車最高設(shè)施端部門擋超過80 mm，X70型超過130 mm，低于大部分汽車和工程機械的最小離地間隙，可確保這些滾裝運輸貨物順利通過。

（2）渡板間距。經(jīng)計算得出，2塊裝載板的渡板間距為780 mm，絕大部分汽車內(nèi)側(cè)輪胎和履帶式工程機械內(nèi)側(cè)履帶在此間距下均能順利通過。

（3）寬度。由于側(cè)梁扶手的存在，對滾裝運輸仍有一定的限制，考慮避讓至少25 mm，則滾裝運輸貨物寬度為不大于2 700 mm，大部分汽車和輪式工程機械，以及部分履帶式工程機械滿足這一限制，但部分履帶式工程機械超寬無法通過。

（4）質(zhì)量。加裝承載板后的車輛滾裝運輸承載能力不低于25 t，大部分汽車和輪式工程機械，以及部分履帶式工程機械自重低于此值，可以運輸，但部分履帶式工程機械超重?zé)o法運輸。

綜上所述，集裝箱專用平車加裝承載板后，可滿足大部分汽車和輪式工程機械的滾裝運輸需要，也能滿足部分履帶式工程機械的滾裝運輸需要。

4 結(jié)束語

圖3加裝承載板的集裝箱專用平車受力有限元分析Fig.3 Force analysis diagram of f itting carrier p late on container special fat car

受市場需求萎縮、維護(hù)成本高等因素影響，通用平車的數(shù)量逐步萎縮，但在特定運輸情況和應(yīng)急情況下，利用通用平車開展?jié)L裝運輸仍有很大需求量，如何快速彌補缺口是一個比較突出的問題，特別是軍事運輸中這一問題更加明顯，國外甚至?xí)罅績淦杰囎詡滠嘯8]。因此，集裝箱專用平車裝載板方案，制造和維護(hù)成本相比直接制造通用平車低，可以滿足大部分貨物滾裝運輸需要，解決應(yīng)急情況下滾裝運輸貨物使用平車缺口問題，不斷完善自身應(yīng)急運輸功能。