小卷硅鋼平車卷鋼座架應(yīng)用研究

摘?要：基于熱軋卷鋼工藝的升級，高端硅鋼產(chǎn)品的市場需求和運輸需求快速增長。根據(jù)鋼鐵行業(yè)產(chǎn)成品創(chuàng)新升級，中鐵聯(lián)合物流股份有限公司研發(fā)制造了適合首鋼產(chǎn)品需求的小卷硅鋼平車卷鋼座架并投入集港運營，實踐證明，其生產(chǎn)安全高效，經(jīng)濟效益顯著，實現(xiàn)了路企雙贏。

關(guān)鍵詞：小卷硅鋼;平車卷鋼座架;安全;經(jīng)濟

中圖分類號：U9??文獻標識碼：B

自2009年以來，針對首鋼、承鋼等大型國有鋼廠熱軋卷鋼主要規(guī)格（20～30t/件/板寬1000～2000mm/直徑1700～2000mm），中鐵聯(lián)合物流股份有限公司（以下簡稱公司）自主研發(fā)了2卷/3卷熱軋卷鋼平車座架。從2009年至2019年底，累計運輸卷鋼1500萬噸，實現(xiàn)鐵路運輸綜合創(chuàng)效10.5億元（其中鐵路運費收入6.5億元、為相關(guān)車務(wù)站段創(chuàng)收1.6億元、公司實現(xiàn)毛利2.4億元）。平車卷鋼座架物流運輸服務(wù)得到了客戶的充分肯定，已成為公司增收創(chuàng)利的核心業(yè)務(wù)。

1?傳統(tǒng)凹型草支墊運輸卷鋼

鋼卷多通過鐵路進行運輸，因此鋼卷在貨車上的支撐、安裝和固定便顯得十分重要[1]。特別是在貨車提速后，鋼卷的固定問題更加講究安全、可靠。

目前，用于運輸鋼卷主要采用草支墊，將草支墊放在鋼卷的下面，通過貨車進行運輸，如圖1、圖2所示。但利用草支墊運輸存在如下問題：

（1）草支墊在運輸過程中容易造成環(huán)境污染，草支墊一般為一次性使用，用后的草支墊一般都拋棄了（草支墊已經(jīng)損壞），即使回收，使用價值和經(jīng)濟效益也不大。

（2）作為草支墊主要原料的稻草，近年來價格越來越高，隨著稻草的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，向農(nóng)戶收購稻草越來越困難，運輸?shù)馁M用也越來越高，使草支墊的成本直線上升。

（3）稻草在運輸過程中容易黏結(jié)在鋼卷上（產(chǎn)生了靜電吸引），黏結(jié)在鋼卷上的稻草清理比較困難，并且在鋼卷上會留下很多劃痕，嚴重影響鋼卷的質(zhì)量，甚至造成合同的糾紛，因此，較高規(guī)格的鋼卷一般不采用草支墊運輸。

2?小卷硅鋼卷鋼座架裝載設(shè)計

隨著鋼鐵企業(yè)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，基于熱軋卷鋼工藝的升級，高端硅鋼產(chǎn)品的市場需求和運輸需求快速增長，運輸此類卷鋼的物流裝備需滿足卷鋼與裝載設(shè)備的柔性接觸、裝載設(shè)備多卷式的要求，公司現(xiàn)有平板車卷鋼座架無法滿足該小卷卷鋼運輸需求，需研發(fā)適合該小卷硅鋼規(guī)格的卷鋼座架。

2020年2月，經(jīng)過與首鋼公司多次溝通，根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格確定了裝載設(shè)計方案：一平車上采用兩個座架，整車7臥槽，可實現(xiàn)單臥單排及并排卷鋼裝車（含卷鋼和座架的柔性防護），如圖3、圖4所示[2]。同時接洽了兩家研發(fā)設(shè)計制造單位，分別為“中車石家莊車輛工廠”（以下簡稱石廠）和“南通中集特種運輸設(shè)備制造有限公司”（以下簡稱南通公司）。

中車石家莊車輛工廠為中車集團齊車公司下屬一級子公司，主營鐵路各類貨車的新造及廠修。2018—2019年先后為公司大修了6列既有平板卷鋼座架并新造了一列平板車卷鋼座架，質(zhì)量良好。針對小卷硅鋼的設(shè)計方案，石廠設(shè)計研發(fā)費用為30萬元，研發(fā)周期4個月。座架自重5噸/兩座架，批量生產(chǎn)單價10萬元/兩座架。

南通中集特種運輸設(shè)備制造有限公司是一家由招商局及中遠海運公司合資成立的大型國有公司。主要優(yōu)勢為特種運輸設(shè)備、特種集裝箱、物流裝備及配件的研發(fā)、設(shè)計及制造。針對小卷硅鋼的設(shè)計方案，南通公司設(shè)計研發(fā)費用為28萬元，研發(fā)周期2個月。設(shè)計座架自重3噸/兩座架，批量生產(chǎn)單價5.38萬元/兩座架。

根據(jù)對上述兩家公司研發(fā)費用、研發(fā)周期、設(shè)計自重、制造單價的比選，最終確定與南通中集公司合作研發(fā)制造硅鋼卷鋼座架。

3?研發(fā)試驗

3.1?設(shè)計制造

2020年3—5月，經(jīng)過與南通中集公司技術(shù)人員多次組織視頻會議和現(xiàn)場調(diào)研商洽，完成了小卷硅鋼卷鋼座架的設(shè)計和樣本制造，產(chǎn)品為全鋼焊接框架結(jié)構(gòu)[3]。單個座架設(shè)置3槽，兩組座架組成7槽，充分利用鐵路平車的長度及載重，如圖5所示。每個座架底部四角設(shè)置有集裝箱底角件，通過平車上的20ft集裝箱鎖頭位進行連接固定。選用NX70A型通用平車作為承載座架的載體，NX70A型通用平車技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3.2?受力分析

根據(jù)TG/HY1022015《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》，運輸過程中作用于貨物上的縱向慣性力為175.9kN。應(yīng)用Solidworks軟件進行卷鋼座架以及卷鋼的三維模型建立，再將三維模型以IGES格式導入有限元軟件ANSYS中進行處理計算?？紤]鋼座架主結(jié)構(gòu)方管為薄壁結(jié)構(gòu)，選用Shell181殼單元來劃分網(wǎng)格，Shell181單元適合對薄的但具有一定厚度的殼體結(jié)構(gòu)進行分析，非常適用于分析線性的大轉(zhuǎn)動變形和非線性的大形變。由于卷鋼實體結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，選用Solid185實體單元進行劃分網(wǎng)格。Solid185實體單元可用于構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)，單元通過8個節(jié)點來定義，每個節(jié)點有3個沿著xyz方向平移的自由度[45]。

卷鋼座架主體材料參數(shù)如表2所示，計算中不考慮卷鋼的強度，以任一種鋼材代替即可[6]采用ANSYS提供的強大的自動網(wǎng)格劃分工具SmartSize，座架為四節(jié)點殼單元，卷鋼為六面體實體單元[7]。對座架結(jié)構(gòu)進行處理并求解，座架各位置均未發(fā)生屈服，且斜撐上最大應(yīng)力為372MPa，小于其許用應(yīng)力550/1.18=466MPa，主體結(jié)構(gòu)上最大應(yīng)力為198MPa，小于其材料許用應(yīng)力355/1.18=301MPa，結(jié)構(gòu)符合強度要求。

3.3?沖擊試驗

2020年5月8日，在江蘇常州戚墅堰車輛工廠進行了靜態(tài)載荷、沖擊狀況的試驗測試，如圖6、圖7所示。

3.4?結(jié)論

根據(jù)試驗結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

（1）現(xiàn)場對平車7槽卷鋼座架樣品現(xiàn)場尺寸復核測量可知，座架外形尺寸與所提供設(shè)計圖紙一致，焊縫質(zhì)量符合設(shè)計圖紙要求。

（2）靜態(tài)檢測試驗結(jié)果表明，平車7槽卷鋼座架在承載13t卷鋼（6.5t+6.5t）及10.0t卷鋼，且考慮足夠安全系數(shù)時，座架靜態(tài)承載強度均符合《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》的要求[2]。

（3）沖擊試驗結(jié)果表明平車7槽卷鋼座架在運輸卷徑800～1250mm，板寬800～1250mm，單槽卷重≤14t，沖擊速度達到9km/h時，測點動應(yīng)力值、靜應(yīng)力及動應(yīng)力的合成應(yīng)力值也小于所用材料的許用應(yīng)力值，且小于所用材質(zhì)的材料許用應(yīng)力值，因此平車7槽卷鋼座架承載強度符合《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》的沖擊強度要求[89]。

（4）沖擊試驗結(jié)束后對比沖擊試驗前定位標志線，座架相對于車體均無明顯位移，沖擊試驗過程中未發(fā)現(xiàn)卷鋼在座架內(nèi)有明顯爬滾現(xiàn)象。

（5）靜態(tài)荷載試驗前后及動態(tài)沖擊試驗前后，平車7槽卷鋼座架整體狀態(tài)完好，試驗后未發(fā)現(xiàn)任何肉眼可見的座架變形、焊縫開焊、座架破損損傷等情況，與座架接觸的平車各部位均未發(fā)現(xiàn)異常[1011]。

綜上所述，平車7槽卷鋼座架滿足《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》的相關(guān)技術(shù)要求，滿足卷鋼鐵路安全運輸?shù)囊蟆?/p>

3.5?電報核復

2020年6月29日，北京局集團公司貨運部出具了關(guān)于平車7槽卷鋼座架臥裝卷鋼裝載方案的核復。經(jīng)驗證，小卷硅鋼卷鋼座架充分利用現(xiàn)有的NX70A的長度，實現(xiàn)多規(guī)格和數(shù)量的卷鋼成列裝載運輸。并且卷鋼座架可以循環(huán)反復使用，而不需要一次性的捆綁加固耗材，極大地降低了運輸成本，提高了運輸效率。通過對卷鋼座架的靜載及沖擊試驗結(jié)果表明，平車7槽卷鋼座架滿足《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》的相關(guān)技術(shù)要求，滿足卷鋼鐵路安全運輸?shù)囊蟆?/p>

4?效益分析

在2009年4月之前，首鋼遷鋼的卷鋼運輸主要采用汽車運輸。為了緩解限載限超和暑期限行給汽運帶來的壓力，在路局大力支持下，公司利用自主研發(fā)的可拆卸平板車卷鋼座架為首鋼遷鋼公司提供鐵路運輸[12]。特別是2018年6月，國務(wù)院正式印發(fā)《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動方案》，中國鐵路總公司在調(diào)查研究和充分論證基礎(chǔ)上，又制定了《2018年—2020年貨運增量行動方案》，這些行動方案都明確提出，要優(yōu)化調(diào)整運輸結(jié)構(gòu)，大幅提升鐵路運輸比例。我們抓住機遇，就首鋼遷鋼卷鋼鐵路運輸進行大膽實踐，采取一系列措施，取得了較好的卷鋼增量效果。

2020年7月，公司制造了30輛份小卷硅鋼卷鋼座架，8月初投入了首鋼遷安公司到首鋼京唐公司曹妃甸港的運輸，運輸區(qū)間為沙河驛鎮(zhèn)站—曹妃甸南站，見圖8所示。僅8月份當月，首發(fā)164車，凈載重58噸/車，共計9512噸，國鐵運費收入28.8元/噸，計27.4萬元;公司收益17.8元/噸，計16.9萬元。國鐵運費和公司合計44.3萬元，年創(chuàng)收500萬元以上，真正實現(xiàn)了主業(yè)增量創(chuàng)效，非運輸業(yè)增收創(chuàng)利。

結(jié)語

小卷硅鋼平車卷鋼座架的研發(fā)制造成功并投入運營，得到了首鋼公司各級領(lǐng)導的認同，一致認為該裝備安全高效，可實現(xiàn)硅鋼產(chǎn)品集港運輸?shù)目煅b、快運、快卸、快回送，提升了公司的核心競爭力，為今后更好地服務(wù)大型鋼鐵企業(yè)提供了裝備保障。

參考文獻：

[1]韓立東.卷鋼座架強度的理論計算與試驗結(jié)果的對比[J].包裝工程，2020，41（07）：147151.

[2]中國鐵路總公司.鐵路貨物裝載加固規(guī)則[M].北京：中國鐵道出版社，2015：160168.

[3]中華人民共和國建設(shè)部.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：GB500172003[S].北京：20030425.

[4]曹茹.Solid?Works?2009三維設(shè)計及應(yīng)用教程[M].2版.北京：北京機械工業(yè)出版社，2010.

[5]劉曉宇，裴東風.SolidWorks?2012中文版完全自學手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

[6]張耀，曹小平，王春芳，張文辰.材料力學[M].清華大學出版社，2015.

[7]胡仁喜，徐東升，李亞東.ANSYS13.0機械與結(jié)構(gòu)有限元分析從入門到精通[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[8]高俊平.鐵路臥裝運輸卷鋼座架強度仿真分析與試驗研究[D].北京：北京交通大學，2012.

[9]厲勁松.鐵路使用鋼座架運輸卷鋼的實踐與思考[J].鐵道貨運，2012（4）：3438.

[10]朱克非，車德慧，馬玉坤，等.一種運輸卷鋼的鋼座架：CN201890231U[P].2011.

[11]岳森根.鋼座架臥裝卷鋼運輸方式的運用與建議[J].上海鐵道科技，2014（1）：2021.

[12]劉映安，李貌.關(guān)于鐵路鋼卷運輸專用車輛的思考[J].軌道交通裝備與技術(shù)，2017（01）：14.

作者簡介：沈建軍（1973—?），男，漢族，北京人，工程師，中鐵聯(lián)合物流股份有限公司副總經(jīng)理兼設(shè)備市場部經(jīng)理，研究方向：運輸經(jīng)濟、鐵路貨物裝載加固技術(shù)。