粵海鐵路輪渡輪式裝備運輸安全性研究

余貽榮 ，范靈毓，楊永偉 ， 巫云波

(1.軍事交通學院 聯合投送系，天津 300161； 2.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161)

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● 軍事運輸Military Transportation

粵海鐵路輪渡輪式裝備運輸安全性研究

余貽榮1，范靈毓2，楊永偉1， 巫云波1

(1.軍事交通學院 聯合投送系，天津 300161； 2.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161)

為保證粵海鐵路輪渡輪式裝備運輸的安全，分析了粵海鐵路輪渡開通輪式裝備運輸的意義，研究了粵海鐵路輪渡輪式裝備安全運輸的關鍵環節，并進行了模擬仿真。

粵海鐵路輪渡；輪式裝備；安全性

近年來，隨著我國南海形勢日趨復雜，國家領土主權和海洋權益面臨嚴峻挑戰，現實威脅不斷上升。為此，深化南海方向軍事斗爭準備已十分緊迫，這對運輸投送綜合保障能力，特別是軍隊戰略投送能力建設提出了更高要求。瓊州海峽作為我軍南海方向機動部署的主要通道，在南海地區特別是海南島綜合交通體系中占有重要地位。粵海鐵路輪渡自2003年1月開通運營以來，因受運輸政策、運輸技術和應用研究等因素制約，一直不能辦理軍事輪式裝備運輸，限制了該輪渡線國防功能的發揮。

1　粵海鐵路輪渡運輸輪式裝備的意義

1.1深化南海方向軍事斗爭準備的現實需要

隨著我國南海方向利益屢受侵犯，南海問題日益凸顯，南海方向軍事斗爭準備也隨之進一步深入，這將使我國南海方向鐵路軍事運輸需求日趨增加。一是隨著新型部隊的組建、進駐，日常軍事運輸保障任務明顯增加；二是隨著新型裝備陸續部署、文昌航天發射基地的建設，進出島殺手锏武器裝備、大型裝備等重點軍事運輸任務顯著增加，這些裝備中，尤其以軍事輪式裝備居多；三是適應南海軍事斗爭準備需要，部隊進島演訓任務增多；四是著眼戰時，海南島作為南海作戰前沿，是部隊主要集結地域，軍事運輸保障任務將非常繁重?；浐ｈF路作為我軍經略南海的重要通道，國防和軍事意義重大。但是，粵海鐵路輪渡目前尚存在諸多運輸限制，陸島銜接仍主要靠水路運輸完成，鐵路運輸大運量、高效率、全天候的優勢尚未充分發揮。由于鐵水聯運涉及環節多、協調部門多、安全隱患多，運輸組織效率相對較低。為了滿足日益增多的運輸需求，應盡快開展相關研究，解決粵海鐵路輪渡的運輸限制問題，使其盡快地為軍事斗爭準備和國防、軍隊建設服務。

1.2進出海島部隊實現快速機動的重要前提

粵海鐵路輪渡充分利用了天然水系，選取跨越兩岸的較短徑路，集中了海運、鐵路和不間斷運輸等優點，可以實現載運軍事輪式裝備的鐵路平車在渡船上直接駛上卸下，不需要進行換裝，既節省了換裝倒運作業和船舶整備等運營支出，又減少了換裝和倒運作業時間，可大幅提高運輸效率。目前，軍事輪式裝備需要在徐聞站卸載，通過公路轉運至海安港再通過客滾船到秀英港，涉及多部門、多行業、多渠道，組織協調復雜，耗時費力、浪費運力，運輸保障的時效性差、安全性不高，這種狀況遠遠不能適應形勢發展和部隊實際需求，嚴重制約部隊的快速機動。如某部赴海南島訓練，共開行3個軍列，由于平車、危險品、超限裝備不能通過鐵路輪渡直接運輸，部隊只能在徐聞站組織卸載，耗時1 h多由公路機動至海安港，再耗時2～3 h裝載到客滾船上，經過2～3 h的海上航行到達秀英港，然后公路機動到駐地。由于需要等待船只，其中的2個列車梯隊在車站又等待了一晚。如果通過鐵路輪渡直接過海，3～4 h就可以到達海口南站，比換乘客滾船節約近24 h的在途時間。因此，迫切需要解決鐵路輪渡平車、危險品、超限裝備過海運輸問題。采用鐵路輪渡直接過海所需時間是換乘海上船舶的1/8～1/6，軍事效益十分顯著。這對提高瓊州海峽運輸投送綜合保障能力和部隊快速反應能力具有十分重要的意義。

1.3完善我國鐵路軍事交通網絡的重要舉措

國家交通建設是國防交通建設的基礎和依托，只有加快海南交通的發展，特別是鐵路交通的發展，才能從根本上促進海南交通戰場的構成。海南島是我國最大的南方島嶼，是陸地與海洋的最佳連接點，在陸海交通上有著重要地位，又是東連太平洋、西通印度洋的海上戰略通道，位置上既是一個大的交通樞紐，又是國家的軍事重地。海南島地處南海北端，是我國重要的能源運輸通道，也是我國領土受到威脅最大的地區，更是固守南海最為重要的戰略咽喉。但是，由于其地理位置的特殊性，通往海南島的鐵路建設滯后，干線分布不均，戰略運力不足，已成為制約海南島運輸投送綜合保障能力的主要“瓶頸”?；浐ｈF路的開通為海南島的鐵路建設奠定了基礎，在海南交通戰場構成上發揮了骨干作用，這將使我國鐵路軍事交通網絡不斷趨于合理和完善?；浐ｈF路輪渡開通輪式裝備運輸，可以充分挖掘粵海鐵路軍事運輸潛能，大大增強其在交通網絡中的作用。

1.4鐵路軍事運輸理論技術拓展的重要內容

先進的軍事理論，歷來是軍隊建設得以健康發展的必要條件，是戰爭的重要制勝因素。隨著高新技術在鐵路運輸中的廣泛應用，鐵路軍事運輸保障新思想、新理論、新觀點必將產生，同時也可能會醞釀著新的理論突破。建國60多年來，我軍在鐵路軍事運輸理論上的研究有了長足進展，取得了一大批卓有成效的研究成果，有力地促進了運輸投送事業的快速發展。但是，真正意義上的跨海鐵路軍事運輸組織管理理論和技術保障措施尚屬空白，尤其是粵海鐵路輪渡給鐵路軍事運輸保障帶來了新的問題，迫切需要緊緊圍繞制約鐵路軍事運輸保障能力提高的重點和難點，在解決重大現實問題和長遠建設發展問題上求得突破?；浐ｈF路輪渡開通輪式裝備運輸，有利于推進鐵路軍事運輸工作的整體發展，將在一定程度上拓展我軍鐵路軍事運輸技術理論與技術的進步。

2　粵海鐵路輪渡輪式裝備運輸安全性分析

2.1海上運輸與鐵路運輸差異性分析

(1)作用在裝備上的慣性力誘導源不同。運輸過程中作用在輪式裝備上的慣性力是由于載運工具的振動、搖擺和沖擊等引起的。海上運輸時的振動、搖擺源主要為柴油機干擾力、螺旋槳干擾力、波浪的沖擊干擾力和舵力等，振動及搖擺疊加呈正弦規律。沖擊由波浪拍擊、靠岸時的碰撞等產生。波浪沖擊不影響船舶搖擺的大趨勢(正弦規律)，碰撞偶然性較大，海運部門在計算貨物加固時一般不考慮這一因素。也就是說，海上運輸時主要考慮振動和搖擺帶來的慣性力。

鐵路運輸中，軌道幾何形位的不均勻、鋼軌滾動平面的不連續、車輪磨耗程度的不均衡引起垂向振動；車輪錐型面和凸緣與軌道之間相互作用引起橫向振動；起動、制動和牽引時松時緊引起縱向振動，疊加呈隨機振動。沖擊主要由起動、制動、甩掛、駝峰調車等產生，呈隨機脈沖波形。

(2)振動(搖擺)頻率不同。就加固輪式裝備所需要考慮的振幅較大的振動來說，船舶的搖擺頻率遠遠小于鐵路車輛，所以海運中輪式裝備3個方向慣性力最大值同時出現的概率比鐵路運輸大。以正常運行速度產生最大橫向加速度工況為例：海運一般發生在橫浪，即航向與浪向成45°～90°時，此時船的搖擺周期一般在4～12 s；鐵路運輸常發生在側向通過小號道岔或“S”曲線時，其搖頭、側擺振動的周期在1/2～1/100 s。

(3)最大慣性力的方向不同。由于船舶上下、左右搖擺幅度相對較大，加上船體也較大，故海運中垂向和橫向加速度值較縱向要大。其中，由于船舶隨波浪沉浮，垂向加速度最大。對鐵路運輸來說，縱向加速度卻是最大的。

(4)慣性加速度值與裝載位置關系不同。海運中裝備3個方向的慣性加速度值均隨裝載位置與船舶在航行時的搖擺中心的橫向距離增加而顯著增大。縱、垂向最大值位于船艏、船艉和船舷最高裝載之處，橫向最大值位于船舯船舷處。鐵路運輸加固計算中的慣性加速度值，只有橫向與垂向力值與裝備在鐵路車輛上的裝載位置有關，但差別不是很大，縱向則無關；橫向最大值的位置也與船上不同。

(5)慣性加速度與加固方式關系不同。海運中作用在輪式裝備上的慣性加速度，由于主要是船舶搖擺造成的，加上裝備的質量相對于整艘船來說所占比例很小，因此，其值與加固方式或加固裝置無關。鐵路運輸中由于沖擊呈隨機脈沖式，裝備的加速度值隨不同的加固方式或加固裝置而變化顯著，加固剛度越高，加速度值越大[1]。

(6)慣性加速度值與裝備本身特性的關系不同。船上所裝輪式裝備受到的慣性加速度值主要取決于所裝載的位置，而與裝備本身的物理形狀無關。鐵路運輸則相對復雜些，不同的裝備在相同的裝載鐵路車輛上、相同的沖擊速度下所受到的慣性加速度值存在差別。

(7)其他。由于粵海鐵路輪渡船是多功能滾裝船，鐵路車輛、汽車、旅客等在甲板上不同的裝載組合會影響到船舶的穩性高度，從而引起加速度值(主要是橫向和垂向)的變化。穩性高度過大，搖擺周期小，搖擺幅度(角度)、角加速度也大，但船舶總重心高度變化對垂向加速度的影響不大。鐵路運輸時同等質量的裝備重心高度變化引起的加速度值變化，在現有的理論計算公式中沒有進行區別。

2.2車列及所裝輪式裝備在粵海輪渡船上的穩定性校核

“粵海鐵1號”的垂向加速度值最大值取0.327 g，且沒有考慮橫搖角達到最大值時的情況[2]。實際上，根據船模試驗結論，垂向加速度最大值應為0.422 g，最大橫擺角18.26°，所以需重新對車列及所裝輪式裝備擺渡過程中的有關穩定性進行核算。

對車列而言，因橫向和縱向滑動穩定性在系固手冊的計算中已忽略了摩擦力的因素，另橫向由于輪緣的阻擋、縱向有車鉤拉牽，故車列橫、縱向滑動穩定性不再校核，僅對車列在極限狀態下的抗傾覆穩定性進行校核。

對鐵路車輛上的輪式裝備而言，根據《瓊州海峽鐵路輪渡船模型耐波性試驗報告》結果，在極限狀態下輪渡車列及輪式裝備縱向加速度最大值為0.101 g，比鐵路運輸中受到的縱向加速度小得多，裝備按現行規定進行加固能夠滿足車列上船后縱向穩定性要求[3]。因此，主要計算、評判各級風浪下，渡船傾角和輪式裝備各向加速度同時達到最大值時裝備的橫向傾覆穩定性和橫向滑動性。

2.2.1極限狀態下車列傾覆穩定性校核

(1)垂向、橫向加速度同時達到最大值極限狀態時的傾覆穩定性校核(如圖1所示)。

圖1　系固裝置布置和極限狀態①下鐵路車輛受力(垂向支撐)

平衡條件：

M穩定≥1．25M翻轉

(1)

采用垂向支撐時：

M穩定=(G-Fz)·B/2+n·F拉牽·sin 40°·

cosθ·B+n·F拉牽·cos 40°·cosθ·H1

M傾覆=Fx·H

經計算n>0．6。

不采用垂向支撐時：

M'穩定=(G-Fz)·(B1/2+B2)+n'·F拉牽·

sin 40°·cosθ·(1．5+B1/2+B2)+n'·F拉牽·cos 40°·cosθ·H1

式中：F拉牽=66.7 kN(捆綁鏈條破斷拉力200 kN/安全系數3)；n為加固鏈條根數；θ為捆綁鏈條與車輛縱中心線垂直平面夾角(取30°)；H為鐵路車輛的質心距鐵路輪渡甲板的高度(取鐵路運輸重車質心最大限高2.4 m)；H1為鐵路車輛上捆綁拴結點距船地板的高度(取0.8 m)；B為千斤頂垂向支撐間距(取3 m)；B1為標準軌距(取1．435 m)；B2為鋼軌踏面寬度(取73 mm);M為力矩；G為鐵路車輛和裝備的總質量。

經計算n'> 3.4 。實際運用中，每側采用捆綁鏈條4根，可知橫向捆綁強度滿足橫向穩定性要求。

(2)垂向加速度與船體橫擺角同時達到最大值時，不采用千斤頂垂向支撐鐵路車輛傾覆穩定性校核(如圖2所示)。

M穩定=(G-Fz)cos 18．26°·(B1/2+B2)+Fz·sin 18.26°·H+n·F拉牽·sin 40°·cos 30°·(B/2+B1/2+B2)+n·

F拉牽·cos 40°·cos 30°·H1

圖2　系固裝置布置和極限狀態②下鐵路車輛受力(垂向不支撐)

M傾覆=(G-Fz)·sin 18．26°·H

經計算n>0．5。此情況下每側1根捆綁鏈條(實際每側捆綁4根)就能滿足橫向傾覆穩定性要求。

由上述計算結果可知，船舶設計中對鐵路車輛的加固強度滿足相關安全要求。

2.2.2鐵路車輛上裝備的橫向傾覆穩定性校核

在鐵路輪渡運輸過程中，裝備橫向慣性力會形成橫向傾覆力矩，有可能造成橫向傾覆(如圖3所示)。

圖3　鐵路輪渡車輛上所裝裝備的橫向傾覆示意

以下分別對不加固或進行加固的裝備，按力矩平衡原理計算出不同風浪等級下橫向傾覆穩定條件，并對裝備的橫向傾覆穩定性進行判斷(假定裝備重心投影落在車輛的縱中心線上)。

裝備重力與垂向慣性力的合力能夠形成橫向穩定力矩，在不采取加固措施時，裝備免于傾覆的條件：

其中：

M穩定=(G·cosθ-Fz)·b=(G·cosθ-m·az)·b

M傾覆=Fx·h=m·ax·h

(2)

式中：b為裝備質心所在縱向垂直平面至裝備傾覆點之間的距離，mm；h為裝備質心自傾覆點所在水平面起算的高度，mm；m為鐵路車輛總質量，t；g為重力加速度，取值9.8 m/s2。

依據各種風浪等級下裝備加速度、傾角回歸計算值，得出不同風浪等級下貨物橫向傾覆穩定性判據見表1。

表1　極限狀態下貨物橫向傾覆穩定條件

2.2.3鐵路車輛上裝備橫向滑動穩定性計算

各種風浪等級下裝備受到的橫向慣性力已包含自身重力分量(如圖4所示)，所以，在此受力狀態下裝備橫向滑動特性計算中重力分量引起的下滑力不再予以考慮。

圖4　各種風浪等級下鐵路車輛上所裝裝備受力情況

裝備不滑動(穩定)要求：

F摩擦-Fx≥0

式中：F摩擦=f·N=f·(G·cosθ-Fz)；Fx=max；Fz=maz。

得f·(g·cosθ-az)-ax≥0

即各種風浪等級下裝備不滑動(穩定)判據為f·(g·cosθ-az)-ax≥0。

按上式進行計算結果見表2。

表2　僅靠摩擦加固的輪式裝備通過粵海鐵路輪渡時適應風浪等級

注：×表示貨物發生移動，不得跨海鐵路輪渡運輸；√表示貨物不移動，可以跨海鐵路輪渡運輸。

2.3車列及所裝輪式裝備在輪渡船上的動力學仿真驗證

運用ADAMS軟件對總質量15 t的斯太爾SX2300貨車在N17平車上和N17平車在粵海鐵1號上的受力進行模擬仿真。

通過計算，得到不同風浪等級下，與垂向、橫向的最大加速度、橫擺角對應的最大位移值(見表3)。

表3　垂向、橫向的最大加速度、橫擺角對應的最大位移值

建立的斯太爾裝載加固系統虛擬樣機中共有18個剛體，8個旋轉副，8個固定副，總自由度數為14個。

通過對各種工況的仿真，得出不同海況、不同周期下動力學仿真結果(見表4)。

表4　不同海況、不同周期下動力學仿真結果

如圖5-9所示為8級風、4.5 m浪，周期12 s，仿真時間26 s時的仿真曲線。

通過對比表4與表3中的垂向最大位移值，說明垂直方向最大加速度的值基本符合安全性要求。

圖5　鐵路車輛垂直方向位移曲線

圖6　鐵路車輛橫向位移曲線

圖7　鐵路車輛相對于平車的橫向滑移曲線

圖8　鐵路車輛橫搖角變化曲線

圖9　鍍鋅鐵線的受力曲線

鍍鋅鐵線的最大受力出現在8級風、4.5 m浪、周期為4 s的海況下，為4.052 kN，比8號鍍鋅鐵線的破斷抗拉力4.3 kN小，說明拉牽加固基本滿足強度需求，但是在該海況下，需要注意裝備的安全。

通過仿真結果，表明輪式裝備斯太爾按照現行的鐵路運輸裝載加固方案，通過粵海鐵路輪渡運輸，其安全性是基本可靠的。

3　結　語

粵海鐵路輪渡輪式裝備運輸關鍵技術直接影響到跨海軍事運輸安全，必須扎實做好關鍵技術的理論研究、模擬仿真及實裝試驗，并針對輪渡系統存在的問題，進一步貫徹軍事要求，為粵海鐵路輪渡盡早全面開通軍事運輸打下堅實的基礎。

[1]余貽榮，唐宏偉，楊永偉，等．軍用輪式裝備鐵路運輸加固試驗研究[J]. 軍事交通學院學報,2012，14(5):11-17，43.

[2]“粵海鐵1號”船貨物系固手冊[Z].上海：七○八研究所,2002.

[3]中華人民共和國鐵道部.鐵路貨物裝載加固規則[Z].北京：中國鐵道出版社，2006.

(編輯：閆曉楓)

Security Studies of Wheel Equipment Transportation on Yue-Hai Railway Ferry

YU Yirong1, FAN Lingyu2, YANG Yongwei1, WU Yunbo1

(1.Joint Projection Department, Military Transportation University, Tianjin 300161,China;2.Postgraduate Training Brigade, Militaty Transportation University, Tianjin 300161,China)

In order to ensure the security of transporting wheel equipment on Yue-Hai railway ferry, this paper first emphasizes the significance of transporting wheel equipment transportation on Yue-Hai railway ferry, and then analyzes the key factors that affect the security of wheel equipment transportation on Yue-Hai railway ferry, with which the simulation is also carried out.

Yue-Hai raliway ferry; wheel equipment; security

2015-12-23；

2016-01-07．

余貽榮(1970—)，男，副教授,碩士研究生導師．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2016.05.003

U696

A

1674-2192(2016)05- 0009- 06