超寬鋼板鐵路運輸裝載加固裝置設計及有限元分析探討

陸 松，馬欣然，胡 淦

(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)

鐵路運輸在鋼鐵產(chǎn)品的運輸市場中所占比重約40%，內陸地區(qū)的鋼鐵企業(yè)基本上將鐵路作為運輸產(chǎn)品的首選方式?，F(xiàn)行的國內鐵路鋼板運輸方案，主要采用在鐵路車輛地板上鋪墊稻草墊，裝載鋼板后，再采用鋼絲繩、緊固器等材料加固來確保運輸安全，存在裝載時虧噸、加固材料一次性使用成本較高、作業(yè)時間長等缺點。受車輛裝載尺寸和鐵路限界限制，使用敞車裝載，長鋼板長度一般小于12 500 mm，寬度小于2 800 mm；使用平車裝載，鋼板寬度小于3 300 mm，長度小于13 400 mm。鐵路運輸鋼板寬度超過3 300 mm屬于超限運輸，既不經(jīng)濟，也會影響鐵路正常運輸秩序[1-2]。鑒于國內鋼廠生產(chǎn)的超寬鋼板寬度已達到4 000 mm以上，現(xiàn)有鐵路運輸裝載加固方案已難以滿足超寬鋼板鐵路運輸要求[3]，根據(jù)我國通用敞車、平車的結構特點，設計超寬鋼板鐵路運輸方案及專用裝載加固裝置，可以實現(xiàn)將敞車、平車不超限運輸鋼板的寬度提高到3 900 mm，超限運輸情況下鋼板最大寬度達到4 200 mm。

1 超寬鋼板鐵路運輸裝載加固裝置設計

1.1 設計原則

為提高超寬鋼板鐵路運輸?shù)慕?jīng)濟效益，同時保障其運輸過程的安全性，超寬鋼板裝載加固裝置的設計應遵循安全性、易操作性、經(jīng)濟性的原則。

（1）安全性原則。安全可靠是對超寬鋼板裝載加固裝置設計的最基本要求，也是決定技術方案是否可行的關鍵。涉及安全的因素包括結構強度、鋼板裝載后的重心位置、運行過程中貨物穩(wěn)定性等。結構強度必須滿足相關規(guī)章的要求，考慮到運行工況的復雜性和存在的不可預知性，超寬鋼板裝載加固裝置結構的理論最大應力應不超過許用應力設計。根據(jù)《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》，為保證行車安全，裝鋼板后，重車重心等參數(shù)需要滿足要求。

（2）易操作性原則。貨物裝載加固裝置不僅關系到貨物運輸?shù)陌踩涫欠褚子诓僮饕仓苯佑绊懼浳镅b卸的效率。為保證加固措施的全面實施，超寬鋼板裝載加固裝置及裝載加固方案應易于施工操作，同時，應考慮裝車、卸車基于易裝易卸的思路設計裝載方法。裝載加固裝置除裝卸作業(yè)外，還應考慮回收、存放的便捷，因而裝載加固裝置要有較強的整體性，便于日常的管理，減少途中配件丟失的可能。

（3）經(jīng)濟性原則。為了確保鐵路在運輸市場上的競爭力，必須在保證安全的同時兼顧經(jīng)濟效益，從貨主經(jīng)濟利益出發(fā)，盡可能選用綜合費用最低的方案。影響超寬鋼板裝載加固裝置經(jīng)濟性的因素包括裝載加固裝置的自重、種類、使用壽命(由結構合理性決定)等。滿足使用的前提下應盡可能使裝載加固裝置的座架種類達到最少，一方面可以節(jié)省座架初期制作投資，另一方面確保裝車時根據(jù)鋼板規(guī)格正確選用座架型號，可以保障運輸安全，簡化現(xiàn)場操作流程，便于管理[4-6]。裝載加固裝置形式的合理性一方面影響到其自重，另一方面也影響到其使用壽命。應優(yōu)選裝載加固裝置結構形式，避免結構不合理，使用中受損、變形，影響使用壽命。

1.2 基本結構形狀設計

超寬鋼板鐵路運輸主要通過鋼板斜裝的方式來避免或降低運輸過程中的超限等級，為確保裝載加固裝置結構的合理性，有效減輕裝置自重，裝載加固裝置基本結構以三角形為基本單元，以三角形單元的穩(wěn)定性來保證所組成結構體的整體穩(wěn)定性[7]。加固裝置的形狀主要有雙面傾斜(△形狀)方式和單面傾斜(⊿形狀)方式2種，其中雙面傾斜方式裝載鋼板時容易確定重車重心，不易偏移，但適應板寬范圍較窄，且由于鋼板裝后重心較高，車輛裝載量難以達到滿載。而單面傾斜的方式適應鋼板寬度范圍大，如結構設計合理可在現(xiàn)有重車重心高及偏心限值下較充分利用車輛載重能力。

鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的鋼板種類繁多，根據(jù)車輛的結構特點，為節(jié)省裝載加固裝置投資成本，簡化鐵路現(xiàn)場操作流程，應盡可能使載加固裝置種類最少，可采用基本座架附加不同部件的方式，基本座架具有相對的獨立性，通過附加不同部件調整超寬鋼板裝載角度和支距的變化，滿足斜裝不同寬度鋼板時重心偏移不超過100 mm、重車重心高不得超過2 000 mm的運輸安全要求，降低超限等級，實現(xiàn)裝載量的最大化[8]。

綜合考慮以上因素，得出基本座架應具有相對的獨立性，可保證在承載后連同貨物滿足傾覆穩(wěn)定性的運行安全要求；根據(jù)敞車、平車結構的不同特點，在基本座架上附設加固定位座架的結構件；根據(jù)鋼板不同規(guī)格范圍，在基本座架下方不同的支距上安設鋼板下支座、在基本座架上方安設與下支座角度相稱的不同高度的鋼板上墊座。通過這些技術措施，敞車、平車斜裝鋼板時只需各使用一個基本座架，在此基本座架上通過選用、安設不同的下支座和上墊座，即可實現(xiàn)變換角度和支距，既可以滿足斜裝不同寬度鋼板時重心橫向偏移不超過100 mm的運輸安全要求，又能達到降低超限等級的目的，還使座架的制作量大大減少，降低初期投資。敞車、平車裝載加固裝置“⊿形狀”的基本結構形狀如圖1所示。

圖1?裝載加固裝置“⊿?形狀”的基本結構形狀Fig.1 Basic structural shape of the “⊿ shape” loading reinforcement device

1.3 參數(shù)計算確定

鋼板的鐵路運輸關鍵參數(shù)為最大裝載量、偏心程度、重心高等，鋼板裝載在車輛上的最大裝載量、偏心程度、重心高與鋼板寬度、長度、傾斜角度等密切相關。車輛不偏重可通過鋼板沿車輛縱向對稱裝載來實現(xiàn)，車輛偏載量、重車重心高、裝載量等則是通過設定合適的裝載角度來實現(xiàn)。因此，超寬鋼板的傾斜角度是決定運輸方案的裝載質量、重車重心高、超限等級等指標的關鍵因素。根據(jù)《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》要求，為保證行車安全，使用座架斜裝鋼板后，鋼板重心在車地板上的投影橫向偏離車輛縱中心線不得超過100 mm；重車重心高不得超過2 000 mm?？紤]到實際作業(yè)存在的裝載偏差，同時以重車重心高2 000 mm這一限值來確定不同規(guī)格鋼板斜裝時的裝載量。

為了在滿足重車重心高不超過2 000 mm、橫向偏心不超過100 mm、裝載量達到最大前提下確定基本座架傾斜角度的目標，以基本座架為基礎，以敞車裝載為例，建立超寬鋼板斜裝角度與車輛參數(shù)、鋼板參數(shù)、裝載要求等關系式如下。

式中：H為重車重心高度，m；Qc為車輛自重，t；Qb為鋼板總重，t；Qj為裝置質量，t；Hc為車輛重心高度，m；Hb為鋼板重心高度，m；Hj為裝置重心高度，m；Lo為貨物重心距車輛縱中心線的距離；LB為鋼板下支點距車輛縱中心線的距離，m；α為傾斜角度，°；BC為鋼板長度，m；BH為鋼板總厚度，m；BK為鋼板寬度，m；KE，KD分別為鋼板頂部E，D點距車輛縱中心面的距離，m；GE，GD分別為鋼板頂部E，D點距軌面距離，m。

以60 t級敞車裝載為例，分別計算傾斜角度為43°，47°，50°時，超寬鋼板斜裝后各參數(shù)關系如表1所示。由表1可知，裝載角度采用43°時，在橫向偏心量和重車重心高都滿足安全條件的情況下，裝載量最大，可達到58 t。

表1?超寬鋼板斜裝后各參數(shù)關系Tab.1 Relationship among parameters of ultra-wide steel plate after loading

2 超寬鋼板鐵路運輸裝載加固裝置強度有限元分析

為滿足鐵路運行安全，超寬鋼板裝載加固裝置的座架結構強度必須滿足相關規(guī)章的要求，根據(jù)選用材料的不同，裝載加固裝置的最大工作應力不得超過材料許用應力。設計座架中鋼結構主要用材選擇較為通用的Q235為例，則裝載加固裝置最大工作應力不得超過160 MPa。針對不同的工況，對裝載加固裝置強度進行有限元分析，查驗結構強度是否滿足要求。

2.1 幾何模型搭建

有限元模型將實際問題中難以求得準確值的問題，利用數(shù)學近似的方法對實際物體進行幾何模擬，在工程中得到廣泛的應用。有限元模型是一組僅在節(jié)點處連接、僅靠節(jié)點傳力、僅在節(jié)點處受約束的單元組合體，是將這種關系表達出來的圖形，即力學模型。目前，主要依靠成熟的商業(yè)軟件，對實際物體的物理性質及數(shù)學幾何關系進行明確，并對物體的材料進行參數(shù)的選取以完成模型的搭建。

選取裝載加固裝置使用材料并確定參數(shù)，對裝載加固裝置進行模型邊界節(jié)點選取，然后進行有限元網(wǎng)絡劃分，完成有限元模型的搭建。超寬鋼板裝載加固裝置為三角形結構剛座架，以通用材料Q235作為裝載加固裝置的結構材料，對應的彈性模量取208 GPa，泊松比取0.28[9-10]，利用軟件構建裝載加固裝置力學模型，根據(jù)裝載加固裝置幾何特點，選用三角形單元劃分單元網(wǎng)格，共43 456個節(jié)點，132 294個單元，裝載加固裝置單元劃分圖如圖2所示。

圖2?裝載加固裝置單元劃分圖Fig.2 Unit division of loading reinforcement device

2.2 施加載荷求解

在完成基本有限元模型的創(chuàng)建后，需根據(jù)物理模型提供的簡化或近似邊界條件對模型進行加載和求解。由于超寬鋼板鐵路運輸過程中實際受力情況比較復雜，基于安全考慮對載荷進行適當簡化，并對施加的載荷分2種工況進行分析。

（1）靜載狀態(tài)。超寬鋼板裝載加固裝置的傾斜角度為43°，按照1輛車放置2個裝載加固裝置承載的工況進行計算。取滿載60 t，動載系數(shù)取1.4，根據(jù)壓桿穩(wěn)定性計算結果，壓力載荷為12.7 t，靜載狀態(tài)下裝載加固裝置應力云圖如圖3所示。在12.7 t壓力作用下，單個裝載加固裝置最大正應力約為65 MPa，發(fā)生在墊座根部附近，小于材料的需用應力160 MPa，強度滿足要求。

（2）極限工作狀態(tài)。超寬鋼板裝載加固裝置的鋼座架極限工作狀態(tài)為：同時承受60 t鋼板壓力和調車作業(yè)產(chǎn)生的60 t鋼板的摩擦力作用。由于鋼板與座架之間摩擦系數(shù)取0.4，鋼座架受到的最大縱向摩擦力為12.7×0.4 = 5.08 t。在這2個力的綜合作用下，按第四強度理論計算，極限工作狀態(tài)下裝載加固裝置應力云圖如圖4所示。在12.7 t壓力和縱向5.08 t摩擦力同時作用下，單個裝載加固裝置最大正應力約為140 MPa，發(fā)生在墊座根部，小于材料的需用應力160 MPa，因而強度滿足要求。

圖3?靜載狀態(tài)下裝載加固裝置應力云圖Fig.3 Stress cloud diagram of loading reinforcement device under static load

圖4?極限工作狀態(tài)下裝載加固裝置應力云圖Fig.4 Stress cloud diagram of loading reinforcement device in extreme working condition

2.3 試驗測試

為檢驗超寬鋼板裝載加固裝置在不同工況下是否能滿足安全裝載要求，對平車運用裝載加固裝置裝運超寬鋼板進行靜態(tài)試驗和運行試驗。靜態(tài)試驗主要驗證鋼板斜裝方式貨物不偏載，在平車上按照不同支距、不同傾斜角度放置斜裝鋼座架，裝載不同厚度、不同寬度、不同塊數(shù)的鋼板，使用輪重測定儀測量車輛各輪在空、重載下的輪壓，再計算貨物重心的偏移量。運行試驗主要是檢驗貨車以不同速度通過小曲線或小號道岔對鋼板橫向加固強度的影響，尤其是平車裝載寬度為4 200 mm鋼板時對橫向穩(wěn)定性的影響。試驗車輛編組采用專列形式，包括機車、試驗貨車、隔離車、試驗貨車和其他車輛。

試驗選取具有代表性的寬度為3.3 ～ 3.4 m和4.2 m的鋼板，按所裝載的鋼板長度不同分別使用4個及2個超寬鋼板裝載加固裝置，分2車裝載在上海寶山鋼鐵公司進行靜載和廠內運行試驗。第1試驗平車裝載寬3.3 ～ 3.4 m、長9 ～ 13 m的鋼板，使用4個超寬鋼板裝載加固裝置，第2試驗平車裝載寬4.2 m、長9 m的鋼板，使用2個超寬鋼板裝載加固裝置。裝載的鋼板規(guī)格如表2所示。

表2?裝載的鋼板規(guī)格Tab.2 Specification of steel plates loaded

結合試驗數(shù)據(jù)，對平車運用裝載加固裝置裝運超寬鋼板進行貨物重心偏移量計算，以及裝載加固裝置結構關鍵點強度分析，得到以下測試結果。

（1）貨物重心偏移測試結果。第1試驗平車裝載鋼板后采用輪重測定儀測定各輪質量，計算后得出：車輛兩側裝車后橫向偏載2.9 t，換算為橫向偏心35 mm，滿足《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》要求。對裝載后貨物空間尺寸測量，不超限。第2試驗平車裝載完畢后用輪重測定儀測得數(shù)據(jù)，計算得出：車輛橫向偏載1.6 t，換算為橫向偏心8 mm，符合試驗要求。

（2）靜強度測試結果?？紤]到使用中必須保證一定的安全系數(shù)，試驗中，在第1試驗平車靜態(tài)額定載荷的基礎上，進行了1.5倍額定載荷的靜強度試驗，在該載荷作用下測得超寬鋼板裝載加固裝置承受的最大應力值也只有20 MPa，遠小于材料的許用應力值。

（3）運行試驗結果。按廠內限速條件進行側向通過9號道岔、通過最小半徑R225曲線和S曲線、最高運行速度達54 km/h及20 km/h緊急制動等工況試驗。試驗中測得超寬鋼板裝載加固裝置各點最大應力值為49.8 MPa。

經(jīng)試驗結果分析，超寬鋼板裝載加固裝置在靜載和運行及緊急制動等工況下，強度滿足安全要求，并且裝車后，實際最大偏載情況滿足運用安全要求，且能降低超限等級。

3 結束語

根據(jù)目前超寬鋼板市場情況和鐵路運輸能力，我國鐵路超寬鋼板運輸技術方案現(xiàn)階段宜利用現(xiàn)有通用敞車、平車，采取可拆卸重復使用的裝載加固裝置斜裝的方式進行運輸。經(jīng)有限元分析及驗證，設計的超寬鋼板裝載加固裝置結構強度能夠經(jīng)受正常調車作業(yè)及列車運行中所產(chǎn)生的各種力的作用，相關技術指標可以滿足《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》等安全運輸要求，并且可以達到提高單車鋼板裝載量、降低超限等級的目的，進而提高超寬鋼板鐵路運輸經(jīng)濟性。由于裝載加固裝置的整體性好，便于裝卸操作及日常管理，具備推廣和試用的條件。