陸 松，馬欣然，胡 淦

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081)

鐵路運(yùn)輸在鋼鐵產(chǎn)品的運(yùn)輸市場中所占比重約40%，內(nèi)陸地區(qū)的鋼鐵企業(yè)基本上將鐵路作為運(yùn)輸產(chǎn)品的首選方式?，F(xiàn)行的國內(nèi)鐵路鋼板運(yùn)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(yùn)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(diǎn)。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(yùn)輸鋼板寬度超過3 300 mm屬于超限運(yùn)輸，既不經(jīng)濟(jì)，也會影響鐵路正常運(yùn)輸秩序[1-2]。鑒于國內(nèi)鋼廠生產(chǎn)的超寬鋼板寬度已達(dá)到4 000 mm以上，現(xiàn)有鐵路運(yùn)輸裝載加固方案已難以滿足超寬鋼板鐵路運(yùn)輸要求[3]，根據(jù)我國通用敞車、平車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)超寬鋼板鐵路運(yùn)輸方案及專用裝載加固裝置，可以實(shí)現(xiàn)將敞車、平車不超限運(yùn)輸鋼板的寬度提高到3 900 mm，超限運(yùn)輸情況下鋼板最大寬度達(dá)到4 200 mm。

1 超寬鋼板鐵路運(yùn)輸裝載加固裝置設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原則

為提高超寬鋼板鐵路運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效益，同時保障其運(yùn)輸過程的安全性，超寬鋼板裝載加固裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循安全性、易操作性、經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)的最基本要求，也是決定技術(shù)方案是否可行的關(guān)鍵。涉及安全的因素包括結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、鋼板裝載后的重心位置、運(yùn)行過程中貨物穩(wěn)定性等。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須滿足相關(guān)規(guī)章的要求，考慮到運(yùn)行工況的復(fù)雜性和存在的不可預(yù)知性，超寬鋼板裝載加固裝置結(jié)構(gòu)的理論最大應(yīng)力應(yīng)不超過許用應(yīng)力設(shè)計(jì)。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(guān)系到貨物運(yùn)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(shí)施，超寬鋼板裝載加固裝置及裝載加固方案應(yīng)易于施工操作，同時，應(yīng)考慮裝車、卸車基于易裝易卸的思路設(shè)計(jì)裝載方法。裝載加固裝置除裝卸作業(yè)外，還應(yīng)考慮回收、存放的便捷，因而裝載加固裝置要有較強(qiáng)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(jì)性原則。為了確保鐵路在運(yùn)輸市場上的競爭力，必須在保證安全的同時兼顧經(jīng)濟(jì)效益，從貨主經(jīng)濟(jì)利益出發(fā)，盡可能選用綜合費(fèi)用最低的方案。影響超寬鋼板裝載加固裝置經(jīng)濟(jì)性的因素包括裝載加固裝置的自重、種類、使用壽命(由結(jié)構(gòu)合理性決定)等。滿足使用的前提下應(yīng)盡可能使裝載加固裝置的座架種類達(dá)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(yùn)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(yīng)優(yōu)選裝載加固裝置結(jié)構(gòu)形式，避免結(jié)構(gòu)不合理，使用中受損、變形，影響使用壽命。

1.2 基本結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)

超寬鋼板鐵路運(yùn)輸主要通過鋼板斜裝的方式來避免或降低運(yùn)輸過程中的超限等級，為確保裝載加固裝置結(jié)構(gòu)的合理性，有效減輕裝置自重，裝載加固裝置基本結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(dá)到滿載。而單面傾斜的方式適應(yīng)鋼板寬度范圍大，如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(yīng)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(dú)立性，通過附加不同部件調(diào)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(yùn)輸安全要求，降低超限等級，實(shí)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(yīng)具有相對的獨(dú)立性，可保證在承載后連同貨物滿足傾覆穩(wěn)定性的運(yùn)行安全要求；根據(jù)敞車、平車結(jié)構(gòu)的不同特點(diǎn)，在基本座架上附設(shè)加固定位座架的結(jié)構(gòu)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(shè)鋼板下支座、在基本座架上方安設(shè)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(shù)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(shè)不同的下支座和上墊座，即可實(shí)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(yùn)輸安全要求，又能達(dá)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(jié)構(gòu)形狀如圖1所示。

圖1?裝載加固裝置“⊿?形狀”的基本結(jié)構(gòu)形狀Fig.1 Basic structural shape of the “⊿ shape” loading reinforcement device

1.3 參數(shù)計(jì)算確定

鋼板的鐵路運(yùn)輸關(guān)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(guān)。車輛不偏重可通過鋼板沿車輛縱向?qū)ΨQ裝載來實(shí)現(xiàn)，車輛偏載量、重車重心高、裝載量等則是通過設(shè)定合適的裝載角度來實(shí)現(xiàn)。因此，超寬鋼板的傾斜角度是決定運(yùn)輸方案的裝載質(zhì)量、重車重心高、超限等級等指標(biāo)的關(guān)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(shí)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(dá)到最大前提下確定基本座架傾斜角度的目標(biāo)，以基本座架為基礎(chǔ)，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(guān)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(zhì)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(diǎn)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(diǎn)距車輛縱中心面的距離，m；GE，GD分別為鋼板頂部E，D點(diǎn)距軌面距離，m。

以60 t級敞車裝載為例，分別計(jì)算傾斜角度為43°，47°，50°時，超寬鋼板斜裝后各參數(shù)關(guān)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(dá)到58 t。

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

2 超寬鋼板鐵路運(yùn)輸裝載加固裝置強(qiáng)度有限元分析

為滿足鐵路運(yùn)行安全，超寬鋼板裝載加固裝置的座架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須滿足相關(guān)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(yīng)力不得超過材料許用應(yīng)力。設(shè)計(jì)座架中鋼結(jié)構(gòu)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(yīng)力不得超過160 MPa。針對不同的工況，對裝載加固裝置強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，查驗(yàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求。

2.1 幾何模型搭建

有限元模型將實(shí)際問題中難以求得準(zhǔn)確值的問題，利用數(shù)學(xué)近似的方法對實(shí)際物體進(jìn)行幾何模擬，在工程中得到廣泛的應(yīng)用。有限元模型是一組僅在節(jié)點(diǎn)處連接、僅靠節(jié)點(diǎn)傳力、僅在節(jié)點(diǎn)處受約束的單元組合體，是將這種關(guān)系表達(dá)出來的圖形，即力學(xué)模型。目前，主要依靠成熟的商業(yè)軟件，對實(shí)際物體的物理性質(zhì)及數(shù)學(xué)幾何關(guān)系進(jìn)行明確，并對物體的材料進(jìn)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(jìn)行模型邊界節(jié)點(diǎn)選取，然后進(jìn)行有限元網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)剛座架，以通用材料Q235作為裝載加固裝置的結(jié)構(gòu)材料，對應(yīng)的彈性模量取208 GPa，泊松比取0.28[9-10]，利用軟件構(gòu)建裝載加固裝置力學(xué)模型，根據(jù)裝載加固裝置幾何特點(diǎn)，選用三角形單元劃分單元網(wǎng)格，共43 456個節(jié)點(diǎn)，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(jìn)行加載和求解。由于超寬鋼板鐵路運(yùn)輸過程中實(shí)際受力情況比較復(fù)雜，基于安全考慮對載荷進(jìn)行適當(dāng)簡化，并對施加的載荷分2種工況進(jìn)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(jìn)行計(jì)算。取滿載60 t，動載系數(shù)取1.4，根據(jù)壓桿穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，壓力載荷為12.7 t，靜載狀態(tài)下裝載加固裝置應(yīng)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(yīng)力約為65 MPa，發(fā)生在墊座根部附近，小于材料的需用應(yīng)力160 MPa，強(qiáng)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(diào)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(qiáng)度理論計(jì)算，極限工作狀態(tài)下裝載加固裝置應(yīng)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(yīng)力約為140 MPa，發(fā)生在墊座根部，小于材料的需用應(yīng)力160 MPa，因而強(qiáng)度滿足要求。

圖3?靜載狀態(tài)下裝載加固裝置應(yīng)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(yīng)力云圖Fig.4 Stress cloud diagram of loading reinforcement device in extreme working condition

2.3 試驗(yàn)測試

為檢驗(yàn)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(yùn)用裝載加固裝置裝運(yùn)超寬鋼板進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)和運(yùn)行試驗(yàn)。靜態(tài)試驗(yàn)主要驗(yàn)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(jì)算貨物重心的偏移量。運(yùn)行試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)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(qiáng)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(yàn)車輛編組采用專列形式，包括機(jī)車、試驗(yàn)貨車、隔離車、試驗(yàn)貨車和其他車輛。

試驗(yàn)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(jìn)行靜載和廠內(nèi)運(yùn)行試驗(yàn)。第1試驗(yàn)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(yàn)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(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對平車運(yùn)用裝載加固裝置裝運(yùn)超寬鋼板進(jìn)行貨物重心偏移量計(jì)算，以及裝載加固裝置結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)強(qiáng)度分析，得到以下測試結(jié)果。

（1）貨物重心偏移測試結(jié)果。第1試驗(yàn)平車裝載鋼板后采用輪重測定儀測定各輪質(zhì)量，計(jì)算后得出：車輛兩側(cè)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(yàn)平車裝載完畢后用輪重測定儀測得數(shù)據(jù)，計(jì)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(yàn)要求。

（2）靜強(qiáng)度測試結(jié)果?？紤]到使用中必須保證一定的安全系數(shù)，試驗(yàn)中，在第1試驗(yàn)平車靜態(tài)額定載荷的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了1.5倍額定載荷的靜強(qiáng)度試驗(yàn)，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(yīng)力值也只有20 MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力值。

（3）運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果。按廠內(nèi)限速條件進(jìn)行側(cè)向通過9號道岔、通過最小半徑R225曲線和S曲線、最高運(yùn)行速度達(dá)54 km/h及20 km/h緊急制動等工況試驗(yàn)。試驗(yàn)中測得超寬鋼板裝載加固裝置各點(diǎn)最大應(yīng)力值為49.8 MPa。

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

3 結(jié)束語

根據(jù)目前超寬鋼板市場情況和鐵路運(yùn)輸能力，我國鐵路超寬鋼板運(yùn)輸技術(shù)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(fù)使用的裝載加固裝置斜裝的方式進(jìn)行運(yùn)輸。經(jīng)有限元分析及驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的超寬鋼板裝載加固裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠經(jīng)受正常調(diào)車作業(yè)及列車運(yùn)行中所產(chǎn)生的各種力的作用，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)可以滿足《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》等安全運(yùn)輸要求，并且可以達(dá)到提高單車鋼板裝載量、降低超限等級的目的，進(jìn)而提高超寬鋼板鐵路運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)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。