鐵路平車裝載加固用關鍵部件的安全可靠性研究

王武建

（中國南車集團 二七車輛有限公司，北京100072）

平車是鐵路貨車4大車型之一，截至2010年底，我國鐵路平車約有3.8萬輛（不包括集裝箱專用平車），占貨車總數的6%，其中以N17、N17A系列為主型的普通平車保有量為14 223輛，占平車總量的38%，這些普通平車主要運輸鋼材、汽車、拖拉機、成箱貨物、大型混凝土橋梁及軍用裝備等貨物。自1998年開始兼有普通平車和集裝箱車的共用平車開始批量生產，主要車型有NX17系列、NX17B、NX70系列，其保有量為23 080輛，占平車總量的62%，這些共用平車除了具有普通平車的功能外，車體上設置有可翻轉的集裝箱鎖閉裝置，還可以運輸集裝箱。隨著多功能、高性能車型的不斷投入，一些性能較低、制造年代較長的載重60t級的車輛，尤其是普通平車的運用率有所減少，有的站段和貨運港口出現平車積壓現象。為充分運用閑置車輛，并在不改變車輛結構的前提下，平車貨物運輸的安全措施因地制宜地運用車輛的部件和結構特點，研發出了多種平車運輸產品，使平車的適載范圍不斷擴展，車輛運用率不斷提高。這些運輸產品的裝載加固安全依存于鐵路平車的裝載加固用關鍵部件的可靠性，直接影響車輛及貨物在運行過程中的安全，所以這些關鍵部件與裝載加固方案一樣，其安全可靠性成為了運用部門和用戶關注的焦點。

1 鐵路平車運輸安全措施及其裝載加固用關鍵部件的作用

目前，鐵路平車的運輸產品主要有木材裝載架、鋼卷加載架、長鋼軌運輸架、散粒貨物箱（如圖1～圖6），這些產品采用剛性為主、柔性為輔的運輸安全措施實現其在鐵路平車上的定位和傳載，使得普通平車具有了敞車、特種車的功能。運輸安全措施因地制宜地運用了鐵路平車的部件和結構特點，按與其依存的平車車輛部件和結構劃分，可分為柱插類、繩栓類、側梁類、端梁類、集裝箱鎖閉類、地板類6種。

圖1 普通平車用木材裝載架

圖2 共用平車用鋼卷裝載架

圖3 普通平車礦石裝載箱

圖4 平車長鋼軌運輸架

圖5 普通平車用散粒貨物箱

圖6 共用平車用散粒貨物箱

1.1 柱插類

柱插類安全措施是利用鐵路平車的柱插來定位或緊固衍生產品的，分柱插夾緊、柱插止擋和柱插捆綁3種，不同的方式產生的作用力也不同。柱插夾緊（如圖7）是通過螺紋緊固產生垂直于車體地板的緊固力，垂向緊固力除克服運輸產品在運輸中的垂向力、防止運輸產品的傾覆，與地板形成的摩擦還可克服運輸中的縱向力和橫向力。結構上，柱插夾緊裝置主要是采用焊固在運輸產品上的螺柱自上而下穿過柱插，通過螺母將設置在柱插底部的擋板、柱插和運輸產品三者緊固為一體。柱插止擋是通過結構配合產生縱向、橫向阻擋力保證運輸產品的定位和承載，其中柱插縱向止擋（如圖8）是柱插在車輛縱向方向受力阻止貨物及加固防止縱向移動，而柱插橫向止擋是柱插在車輛橫向方向受力阻止貨物及加固防止橫向外漲。柱插捆綁屬柔性定位。

圖7 柱插緊固

圖8 柱插止擋

1.2 繩栓類

繩栓捆綁是利用鐵路平車的繩栓來定位或緊固衍生產品的，屬柔性緊固。

1.3 側梁類

側梁緊固（圖9）與柱插夾緊作用一樣，只是結構及其作用力點不一樣。側梁緊固采用焊固在運輸產品上但可旋轉的弓形夾具以及夾具上的螺柱夾緊運輸產品和鐵路平車的側梁。螺柱與側梁的接觸點處設置有調整板以適應平車工字鋼或H型鋼不同結構的側梁，保證側梁作用點處的面接觸，改善作用力分布。

圖9 側梁緊固

1.4 端梁類

端梁緊固（如圖10）是采用螺紋緊固裝置實現運輸產品與鐵路平車端梁的定位和承載，螺紋緊固力直接克服運輸產品運輸中產生的縱向力，與緊固力轉換成摩擦力來克服縱向、橫向力的方式相比，其作用效果最顯著。但是，適應于鐵路平車的端梁緊固類安全措施因平車端渡板、端渡板支架、手制動機結構空間和作業空間的限制，其結構設計空間非常狹小，制造難度較大。

圖10 端梁緊固類

1.5 集裝箱鎖閉類

集裝箱鎖閉鎖固（如圖11）是利用共用平車上的集裝箱鎖頭定位、承載運輸產品。為與集裝箱鎖閉裝置配合，運輸產品對應位置需設置集裝箱角件，與國際標準集裝箱的運輸安全措施方式一樣。

圖11 集裝箱鎖閉鎖固

1.6 地板類

地板緊固（如圖12）是運輸產品底部設置的棗核釘釘入鐵路平車木地板中來克服運輸產品的運輸縱向力、橫向力的裝置，棗核釘在木地板中的握釘力具有防傾覆的功效。

圖12 地板棗核釘緊固圖

2 裝載加固用關鍵部件的可靠性研究

鐵路平車運輸產品依存平車車輛部件和結構來實現其安全保障，平車車輛部件和結構的可靠性直接影響安全措施的設計、應用安全。

2.1 柱插強度分析

柱插原設計目的主要是用于在平車側梁上安裝木側柱，用作裝運原木時的橫擋，即柱插止擋，尤其是橫向止擋為原設計目的，有時也用柱插捆綁定位。近年來各種裝載加固方案多采用柱插緊固方式，即柱插主要承受垂直于車體的垂向緊固力。

載重60t級平車多采用的是焊接柱插，比舊型的鑄造件相比，其自重降低的同時，Q235或09CuPCrNi-A的材料性能也得到了大幅度提高。以焊接柱插建模，模擬柱插止擋、柱插夾緊的作用力，對柱插施加縱向、橫向以及垂向面力的有限元計算結果表明（如表1）：柱插最能承受的是垂向力，極限值可達75kN；而柱插的受力薄弱環節是縱向，縱向力極限值僅為8.5kN，當柱插所受面力超過該極限值時，可能引起柱插的永久變形或斷裂，計算情況與柱插縱向壓扁的慣性故障（如圖13）相符，柱插在外力作用下易縱向壓扁。所以設計柱插類安全措施時應多考慮柱插垂向和橫向的受力方式，避免柱插縱向受力。

表1 柱插各方向承受極限力值

圖13 柱插縱向壓扁的慣性故障

針對實際存在的柱插捆綁運用實例，考慮捆綁對柱插的作用，模擬柱插外壁和外角分別為捆綁著力點、捆綁拉力垂向向上或斜向上45°的有限元強度分析得出（如表2）柱插能承受的捆綁拉力為19.9～22.5kN，捆綁的最佳位置是柱插外壁垂直向上，其次是方口外角斜向上45°處，安全措施的方案設計時應優先考慮。另外，柱插方口棱邊對捆綁繩索的摩擦切割也應該避免，需增加膠墊等措施加以防護。

表2 柱插捆綁拉力極限值

2.2 繩栓強度分析

既有鐵路平車大多采用的繩栓符合TB 1764-1999，材料為ZG 230-450，直徑φ30過渡到φ35，鉚釘φ16。考慮捆綁對繩栓的作用，模擬繩栓主桿外緣和橫桿分別為捆綁著力點、按捆綁拉力垂向向上或斜向上45°兩種方向對繩拴進行有限元強度計算，計算結果（如表3）表明，其能承受的捆綁拉力為6.4～12kN，捆綁最佳位置是繩栓橫柄斜向上拉，其次是主桿外緣處，安全措施方案設計、實施時應優先考慮繩栓橫柄斜向上拉。

表3 繩栓各受力點承受極限力值

2.3 車體側梁、端梁強度分析

鐵路平車側梁多采用大型工字鋼或H型鋼，材料性能等級較好。側梁緊固的作用點為型鋼翼邊，該處板厚大，結構剛度強，對H型鋼側梁翼邊柱插位置處施加柱插75kN的極限垂向載荷，強度計算結果表明作用點處的應力水平很低。鐵路平車端梁為L形，連接中、側梁的端頭。端梁緊固的作用點設置在側梁腹板和端梁L形折彎附近，可以充分應用側梁腹板和折彎點的壓縮強度，應力水平也很低。

2.4 鎖閉裝置強度分析

鐵路平車集裝箱鎖頭定位在集裝箱角件底孔內，使得安裝角件的集裝箱、貨物箱、臺架式承載架等貨物載具拴固在平車上以安全運輸。鎖頭形式由老式的直臺鎖、突臺鎖逐步發展到現在的F-TR型鷹頭鎖，可運輸的集裝箱單箱總重也由標準的24，30.48t提升到了現在的35t。載重60t級平車多采用突臺式鎖，其材質為C級鑄鋼，有限元計算表明鎖頭能承受的載具總質量約為34t，即以鎖閉為安全措施的平車運輸產品允許的最大總重為34t，超過該質量的運輸產品在鐵路平車上運輸時可能造成鎖頭的屈服、斷裂。

2.5 地板強度分析

棗核釘在運輸產品裝載時釘入鐵路平車木地板中產生阻力。根據《木材學》資料提供，按松木類（紅松）橫紋承壓時擠壓容許應力（任一木構件在使用和載荷條件下，能長期安全承擔的最大應力）1.47MPa計算，一般規格為φ12×35的一個棗核釘釘入木地板后可產生約36kg的阻力，棗核釘對地板的擠壓超過該值后地板被壓變形，造成釘的松動，阻力將喪失。鑒于鐵路平車木地板為橫鋪，為充分利用木材橫紋承壓大于順紋承壓的特點，棗核釘應盡量縱向分布以避免楔釘力順紋劈開木地板，且應充分考慮釘的直徑和分布數量以免楔釘力過大。由于棗核釘阻力功效不顯著，設計平車運輸產品的安全措施時建議不以地板緊固為主導安全措施，僅作為提高安全可靠度的方案。

3 結束語

鐵路貨物運輸安全成為我國經濟持續快速發展的重要保障，鐵路平車運輸產品的安全措施方案須依存平車的車輛部件和結構可靠性、可用性、安全性，深入分析平車裝載加固用關鍵部件的結構和強度可以看出，每種部件具有不同的可靠程度，同一部件不同的加固點、不同的加固方向或方式也具有不同的安全性能，只有合理運用平車部件、合理設計安全措施，才能保證平車貨物裝載加固的安全可靠，充分發揮鐵路運輸裝備的能效，提高裝備的適載程度，促進我國鐵路貨物運輸的快速發展。

［1］TB／T 1335-1996.鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范［S］.

［2］南車二七車輛有限公司.平車用柱插和繩栓強度計算報告［R］.2006.

［3］鐵道部科學研究院運輸及經濟研究所鐵路貨物裝載加固技術研究試驗中心.鐵科運試字［2007］第13號.鐵路普通平車用整體式敞口貨物箱穩定性計算及試驗報告［R］.2007.

［4］連建華，孫曉云.平車用散堆裝貨物箱［J］.鐵道車輛.2004（11）：18-20.

［5］孫曉云，戴安國，徐海濤.普通平車用敞口貨物箱的研制［J］.鐵道車輛.2009（2）：24-26.