大風條件下貨車篷布和繩網試驗分析

李 鑫，熊小慧

（1.鐵道部 運輸局，北京 100844；2.中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410075）

大風條件下貨車篷布和繩網試驗分析

李 鑫1，熊小慧2

（1.鐵道部 運輸局，北京 100844；2.中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410075）

在南疆線前百公里風區和蘭新線百里風區，進行了3 次大風條件下的貨車篷布、篷布繩索和繩網試驗。試驗結果表明：D 型篷布主要技術指標優于X 型篷布；篷布的強度指標能夠滿足大風條件下的運輸安全要求；擋風墻和防風網可以有效降低篷布繩索受到的氣動力；最大平均風速達到 32 m/s以上時，篷布、篷布繩索和繩網均出現損壞，影響運輸安全；篷布繩網可以有效降低篷布繩索氣動力；彈力繩可以有效解決貨物沉降造成的篷布松懈問題。

鐵路運輸；貨車篷布；篷布繩網；安全；大風條件

貨車篷布是鐵路貨車輔助用具，主要用于苫蓋敞車裝運的怕濕、易燃貨物。20 世紀 90 年代以后，鐵路運輸中開始使用滌綸涂塑篷布 ( X 型篷布)。X 型篷布大小為 9.1 m × 5.5 m，一車苫蓋2張。近年來，為滿足客、貨運列車大面積提速的需要，鐵道部研制了采用新技術、新材料的 D 型篷布和篷布繩網，D 型篷布大小為15.0 m × 5.3 m，一車苫蓋1張。為測試 D 型篷布和 X 型篷布的技術性能，分析繩網和彈力繩的使用效果，提出符合運輸安全要求的技術指標，完善大風條件下鐵路行車組織辦法，鐵道部組織開展了大風條件下的貨車篷布、篷布繩索和繩網試驗。

1 大風條件下的篷布試驗概況

貨車空氣動力學研究表明，車輛空氣動力效應在3種條件下最為突出，即貨物列車在隧道內高速運行及交會、通過大風地區、與高速旅客列車交會，此時貨車篷布、篷布繩索及繩網的受力最為不利。對敞車而言，裝載的貨物種類繁多，裝載方式多樣 (如是否超車幫) 直接影響篷布、篷布繩索及繩網的受力狀態，而且在列車高速運行過程中可能會因貨物沉降等原因導致貨物的裝載狀態發生改變，從而影響篷布、篷布繩索及繩網的受力。因此，貨車篷布、篷布繩索和繩網的受力是一個隨列車運行狀態、貨物裝載狀態的變化而動態變化的過程[1]。

1.1 試驗方案設計

在新疆風區中，阿拉山口和蘭新線三十里風口的風向與線路夾角較小，一般不會造成列車翻車事故，但卻存在列車溜逸、集裝箱或篷布等設備被刮落的危險；在南疆線前百公里風區和蘭新線百里風區，列車主要受橫向風影響，對鐵路運輸安全的威脅最大，幾乎所有的鐵路風災事故都發生在這一地區[2-4]。

試驗一共進行3次，試驗列車最高運行速度為80 km/h，主要測試內容是貨車篷布、篷布繩索和繩網受到的氣動力和篷布應力，同時進行了運行狀態圖像監控。

第1次試驗在南疆線前百公里風區進行1個往返測試，從吐魯番出發至望布，再從望布返回吐魯番，期間最大瞬時風速為 22.1 m/s，最大平均風速為 21.9 m/s。試驗列車編組如圖1所示。為檢驗防風網效果，到達望布站后，在敞車2上加蓋了防風網。試驗共布置 210 個篷布繩索和繩網拉力測點、32 個篷布應力測點。

第2次試驗在南疆線前百公里風區進行2個往返測試。第1個往返從吐魯番出發至望布，再從望布返回吐魯番，期間最大瞬時風速為 28.0 m/s，最大平均風速為 27.4 m/s；第2個往返從吐魯番出發至珍珠泉，再從珍珠泉返回吐魯番，期間最大瞬時風速為 37.1 m/s，最大平均風速為 32.7 m/s。試驗列車編組如圖2所示。試驗共布置 203 個篷布繩索和繩網拉力測點、24 個篷布應力測點。

第3次試驗在蘭新線百里風區進行2個往返試驗，從鄯善出發至紅層，再從紅層返回至鄯善。試驗期間最大瞬時風速為 40 m/s (13 級)、平均風速 35 m/s(12 級)。試驗列車編組如圖3所示。試驗共布置 40 個篷布繩索拉力測點、28 個繩網拉力測點和12 個防風網拉力測點。

1.2 主要測試設備

試驗氣動力測試系統組成及原理如圖4所示。該系統以計算機為中心，在軟件的支持下集成多種虛擬儀器功能，能對多點、多種隨時間變化的參量(篷布空氣壓力和篷布繩索、繩網拉力等) 進行動態的實時測量，有效排除噪聲干擾、消除偶然誤差、修正系統誤差，從而實現測量結果的高準確度和對被測信號的高分辨能力。

2 試驗數據分析

2.1 篷布繩索、繩網最大拉力和篷布最大應力測試

通過3次試驗得知，大風環境下 D 型篷布和X型篷布最大繩索拉力分別為 2 238 N 和 2 420 N，篷布繩網受到的最大拉力為 720 N。

第1次試驗測得的篷布最大應力為 13.28 MPa，第2次試驗測得的篷布最大應力為 21.03 MPa。根據《貨車D型篷布技術條件》，篷布的破斷拉力取3 500 N/50 mm，可計算其極限應力：

參考《鐵路車輛強度設計及試驗鑒定規范》(TB1335—78)，安全系數取為1.5，可得到篷布許用應力：

按照技術條件規定，篷布繩索破斷拉力不小于8 400 N，繩網繩索破斷拉力不小于 1 500 N。試驗中篷布繩索、繩網最大拉力和篷布最大應力均小于許用值。

分析第1次試驗數據可知，篷布繩索拉力隨著風速增加迅速增大，篷布繩索拉力約與風速的1.8次方成正比，兩者的關系為：

y＝4.2 4 1 7 x1.7523⑴式中：y 為篷布繩索拉力；x 為風速。

貨車篷布繩索拉力隨風速變化曲線如圖5所示。

2.2 篷布、繩網破損情況

在無擋風墻區段，最大平均風速達到 31.5 m/s以上時，貨車篷布、篷布繩索、繩網均出現不同程度的損壞，具體情況如下。

（1）X 型篷布撕裂較為嚴重，篷布搭接處明顯兜風。D 型篷布因摩擦和應力集中出現局部破損和撕裂現象，其眼圈處有被拉脫的現象。

（2）D 型篷布繩索出現損壞，且因摩擦出現拉毛現象。每張 D 型篷布有7根彈力繩，第3次試驗中，有2輛車的篷布非彈力繩有磨斷的情況；使用了彈力繩的6輛車中，5 輛車 10 根彈力繩的系繩有拔脫的情況，2 輛車2根彈力繩的橡膠棒有斷開的情況，只有1輛車的彈力繩沒有損壞。

（3）篷布繩網出現了較為嚴重的斷裂。第3次試驗中，9 輛車中共有8輛車的篷布繩網有磨斷的情況，但磨斷的部位較少，磨斷處一般都在車廂上凸出的部位。

列車通過有擋風墻區段 (最大平均風速 34.8 m/s)時，貨車篷布、篷布繩索和繩網磨損程度明顯減輕，只有少量篷布繩索和繩網被磨斷。

2.3 不同裝載方式下的篷布繩索受力比較

表1—表3為3次試驗中測得的不同裝載方案下貨車篷布繩索拉力平均值。

（1）在有繩網或無繩網情況下，無論是 D 型篷布還是 X 型篷布，貨物不超出車幫時，由于敞車內部用篷布支架架空，兜風現象嚴重，所以篷布繩索受到的氣動力比貨物超出車幫但小于 1 m 時大 10%～20%。

（2）篷布繩網在降低篷布繩索氣動力中發揮了重要作用，大部分工況下無繩網時篷布繩索受到的氣動力比有繩網時大 30%～40%。

表1 第 1 次試驗中不同裝載方案下篷布繩索拉力平均值 N

表2 第 2 次試驗中不同裝載方案下篷布繩索拉力平均值 N

表3 第 3 次試驗中不同裝載方案下篷布繩索拉力平均值 N

（3）第1次試驗時，工況6和工況2發生在同一地點，工況6的平均風速為 19.3 m/s，工況2的平均風速為 21.9 m/s。其中，在有繩網 X 型篷布的裝載方式下，工況6加蓋了防風網，工況2沒有加蓋防風網，工況6的篷布繩索拉力比工況2小約46%；在其他5種裝載方式下，工況6和工況2均沒有加蓋防風網，工況6的篷布繩索拉力比工況2小約 11%。由此可見，防風網能使篷布繩索拉力減小30%～40%。

2.4 彈力繩的效果分析

使用彈力繩的目的是防止貨車在經過一段時間運行后，內裝貨物沉降導致的篷布松懈。在第3次試驗中，對彈力繩的使用效果進行了跟蹤測量，試驗區段為烏西—鄯善—紅層，運行里程約 900 km，運行時間約3天，風力平均9級。試驗中共有6輛貨車使用了彈力繩。經統計分析，始發站貨物裝車后彈力部分平均拉伸量為 132 mm，終到站貨物卸車前彈力部分平均縮短量為 76 mm，其變化范圍如表4所示。由此可見，彈力繩起到了很好的加固作用。

《篷布使用作業技術條件》規定彈力繩在現場捆綁時應伸長 300 mm，但從實際測試來看，伸長量在 100～150 mm 較為合適。

2.5 擋風墻的效果分析

在第2次試驗中，貨車篷布繩索拉力在路堤上且無擋風墻時 (工況6) 最大，在路塹中 (工況7) 最小。經分析試驗中的其他數據，篷布繩索在擋風墻區域受到的氣動力僅為無擋風墻區域的 45%～70%。

表4 彈力繩彈力部分的變化范圍

2.6 貨車篷布遠程錄像監視結果及分析

為監視貨車篷布在大風條件下的狀態，3 次試驗均布置了攝像頭，監控結果如下：背風面篷布晃動程度大于迎風面；篷布晃動的劇烈程度取決于環境風速，隨著試驗風速的增大，篷布兜風與晃動情況越發顯著；貨車速度對篷布晃動的劇烈程度影響較小；無繩網 X 型篷布晃動劇烈，搭接口很容易吹開；有繩網篷布的晃動幅度明顯小于無繩網篷布；篷布兜風與晃動情況與擋風墻類型無顯著聯系；整個實驗過程中，篷布繩索和繩網無明顯松動，無繩扣松脫。

3 結論

（1）D 型篷布主要技術指標優于 X 型篷布，應淘汰 X 型篷布，大力發展 D 型篷布，這樣既能保證運輸安全，又能顯著節省篷布購置資金和苫蓋成本。

（2）在最大瞬時風速 40 m/s (13級)、平均風速35 m/s (12級) 的條件下，篷布繩索、繩網最大拉力和篷布最大應力均小于許用值，說明篷布的強度指標能夠滿足列車運行安全要求。

（3）在大風地區試驗中，擋風墻和防風網可以有效降低貨車篷布繩索受到的氣動力，在大風劇烈地區，為保證運輸安全，修建擋風墻、苫蓋防風網是必要的。

（4）最大平均風速達到 31.5 m/s 以上時，無論是 D 型篷布、X型篷布，還是篷布繩索、繩網均出現不同程度的損壞，可能會影響運輸安全。可參考試驗結果，完善大風條件下的行車組織辦法。

（5）篷布繩網可以有效降低篷布繩索受到的氣動力，保證運輸安全。

（6）彈力繩可以有效解決貨物沉降造成的篷布松懈問題，但彈力繩的質量有待加強，關鍵是要避免出現彈力棒拔脫或斷開的情況，彈力繩在現場捆綁時伸長量應更改為 100～150 mm。

[1] 中南大學，中國鐵道科學研究院標準計量研究所. 篷布、篷布繩網和篷布繩索綜合試驗研究總報告[R]. 長沙：中南大學，2010.

[2] 葛盛昌. 新疆鐵路風區大風天氣列車安全運行辦法研究[J].鐵道運輸與經濟，2009，31(8)：32-34.

[3] 趙紫紅. 鐵路貨車篷布管理存在問題的分析與建議[J]. 鐵道貨運，2006，24(9)：31-33.

[4] 田紅旗. 中國列車空氣動力學研究進展[J]. 交通運輸工程學報，2006，6(1)：1-9.

Test Analysis of Freight Cars Tarpaulin and Rope Network under Strong Wind

LI Xin1, XIONG Xiao-hui2

(1. Transport Bureau, Ministry of Railways, Beijing 100844, China; 2. School of Traffic and Transport Engineering,Changsha 410075, Hunan, China)

This paper introduces the three times freight car tarpaulin and rope network test under strong wind in the area of hundred-mile wind area of South Xinjiang Line and Lanzhou-Xinjiang Line. The test result shows the main technical indices of D type tarpaulin are excelled to that of X type tarpaulin; the intensity index of the tarpaulin could satisfy the requirement of traf fi c safety under strong wind; the windbreak wall and wind-break network could effectively reduce the aerodynamic force on tarpaulin rope; when the maximum average wind speed above 32 m/s, the tarpaulin rope and rope network will be all damaged and influence the traffic safety; the tarpaulin rope network could effectively reduce the aerodynamic force of tarpaulin rope; and the elastic ropes could resolve the problem of tarpaulin loosening produced by goods settlement.

Railway Transportation; Freight Car Tarpaulin;Tarpaulin Rope Network; Safety; Strong Wind Condition

1003-1421(2011)01-0075-06

U294.22；U298.3

A

2010-12-25

鐵道部科技研究開發計劃項目(Z2007-081，2007X012-F)

責任編輯：馮姍姍