鐵路沖擊工況下罐式集裝箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

朱英波 王偉 賀軍 蘭麗華

近年來(lái)，隨著集裝箱多式聯(lián)運(yùn)的發(fā)展，我國(guó)鐵路集裝箱發(fā)送量逐年大幅上升。罐式集裝箱（以下簡(jiǎn)稱“罐箱”）作為液體貨物多式聯(lián)運(yùn)的主要裝備，越來(lái)越多地應(yīng)用到鐵路運(yùn)輸中。鐵路罐箱必須滿足鐵路運(yùn)行工況要求，其中包括縱向沖擊載荷要求和鐵路沖擊試驗(yàn)要求等?？梢?，滿足鐵路沖擊工況的強(qiáng)度要求是鐵路罐箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮的重要因素。

1 我國(guó)鐵路沖擊工況相關(guān)要求

在列車啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速等過(guò)程中，鐵路貨車（平車）牽引、制動(dòng)等不同步會(huì)造成各車輛間速度不同，從而引起沖擊;此外，在調(diào)車作業(yè)過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生沖擊。TB/T 3550.2-2019《機(jī)車車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范 車體 第2部分：貨車車體》規(guī)定貨車縱向力設(shè)計(jì)載荷，并對(duì)車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)和車輛沖擊試驗(yàn)提出要求。通用貨車（單列編組總質(zhì)量小于或等于1萬(wàn)t）的第一工況慣性力為1 920 kN，第二工況慣性力為2 500 kN。

根據(jù)GB/T 16563-2017《系列1集裝箱 技術(shù)要求和試驗(yàn)方法 液體、氣體及加壓干散貨罐式集裝箱》，罐箱在運(yùn)動(dòng)方向上的慣性力設(shè)計(jì)載荷為罐箱最大質(zhì)量的2倍乘以重力加速度。當(dāng)罐箱裝載在鐵路平車上運(yùn)輸時(shí)，罐箱和鐵路平車作為一個(gè)整體承受鐵路列車縱向慣性力;根據(jù)計(jì)算，該慣性力載荷大于鐵路平車和罐箱最大總質(zhì)量的2倍乘以重力加速度。為此，鐵路罐箱需要滿足較高的沖擊強(qiáng)度要求。NB/T? 47064-2017《液體危險(xiǎn)貨物罐式集裝箱》和NB/T 47057-2017《液化氣體罐式集裝箱》等標(biāo)準(zhǔn)要求，鐵路運(yùn)輸用液體罐箱原型箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度應(yīng)能承受其滿載時(shí)在鐵路運(yùn)輸中因機(jī)械振動(dòng)而產(chǎn)生的不小于額定質(zhì)量的4倍乘以重力加速度的沖擊力。此外，根據(jù)鐵路部門的相關(guān)要求，危險(xiǎn)貨物罐箱還應(yīng)通過(guò)鐵路沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)規(guī)則與鐵路貨車沖擊試驗(yàn)基本相同。

2 鐵路沖擊工況下罐箱結(jié)構(gòu)承載情況分析

由于鐵路沖擊載荷較大，普通罐箱難以通過(guò)鐵路沖擊試驗(yàn)。如何在罐箱自身質(zhì)量增加較少的條件下滿足結(jié)構(gòu)承載要求，是鐵路罐箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

對(duì)普通罐箱結(jié)構(gòu)（見圖1）進(jìn)行鐵路沖擊工況下的靜強(qiáng)度有限元分析，基本條件為：罐箱4個(gè)底角件固定，對(duì)罐體一端封頭內(nèi)表面施加罐內(nèi)液體貨物質(zhì)量的4倍乘以重力加速度的沖擊壓力。如圖2所示，在鐵路沖擊工況下，大應(yīng)力區(qū)域主要位于角柱與角件連接處以及裙座與端框連接處，最大應(yīng)力達(dá)到422 MPa。罐箱內(nèi)液體貨物質(zhì)量比罐箱自身質(zhì)量大得多，是沖擊力的主要來(lái)源。該沖擊力直接作用于罐體沖擊端封頭，然后通過(guò)罐箱結(jié)構(gòu)傳遞至角件，并且大部分沖擊力傳遞至沖擊端角件;角柱與角件連接處以及裙座與端框連接處是沖擊力傳遞路徑上最主要的結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位，因此其應(yīng)力較大。

3 鐵路沖擊工況下罐箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

3.1 采用加強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)，補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)力集中部位

為了使罐箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足鐵路沖擊工況的要求，加強(qiáng)罐箱框架結(jié)構(gòu)，角柱、下端梁、下側(cè)梁和各梁間的斜撐采用強(qiáng)度較大的材料或增大規(guī)格，并對(duì)各梁與角件連接處、裙座與角柱連接處等應(yīng)力集中部位實(shí)施局部補(bǔ)強(qiáng)（見圖3）。

3.2 采用底部斜撐結(jié)構(gòu)，減少應(yīng)力集中

加強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)會(huì)增大罐箱自身質(zhì)量，對(duì)運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生負(fù)面影響。鑒于此，根據(jù)沖擊力傳遞路徑，采用底部斜撐連接罐體與角件（見圖4），使部分沖擊力經(jīng)斜撐傳遞至角件，從而達(dá)到?jīng)_擊力傳遞順暢、應(yīng)力集中減少的效果。

3.3 小結(jié)

罐體加強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)和底部斜撐結(jié)構(gòu)都能滿足鐵路沖擊工況的要求。罐體加強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于罐體上沒(méi)有連接件，便于安裝加熱和保溫結(jié)構(gòu);罐體底部斜撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于沖擊力傳遞順暢，質(zhì)量較輕，有利于提高罐箱運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了滿足鐵路沖擊工況要求并通過(guò)鐵路沖擊試驗(yàn)，有必要對(duì)罐箱承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。罐體底部斜撐結(jié)構(gòu)能夠較好地傳遞沖擊力，并且斜撐與水平面夾角較小為宜。與罐體下側(cè)梁式框架結(jié)構(gòu)相比，罐體底部斜撐結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕，能夠更好地滿足鐵路沖擊工況要求，適用于無(wú)保溫和加熱結(jié)構(gòu)的罐箱。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2020-12-25）