鐵路沖擊工況下罐式集裝箱結構設計

朱英波 王偉 賀軍 蘭麗華

近年來，隨著集裝箱多式聯運的發展，我國鐵路集裝箱發送量逐年大幅上升。罐式集裝箱（以下簡稱“罐箱”）作為液體貨物多式聯運的主要裝備，越來越多地應用到鐵路運輸中。鐵路罐箱必須滿足鐵路運行工況要求，其中包括縱向沖擊載荷要求和鐵路沖擊試驗要求等。可見，滿足鐵路沖擊工況的強度要求是鐵路罐箱結構設計必須考慮的重要因素。

1 我國鐵路沖擊工況相關要求

在列車啟動、制動和調速等過程中，鐵路貨車（平車）牽引、制動等不同步會造成各車輛間速度不同，從而引起沖擊;此外，在調車作業過程中也會產生沖擊。TB/T 3550.2-2019《機車車輛強度設計及試驗鑒定規范 車體 第2部分：貨車車體》規定貨車縱向力設計載荷，并對車體靜強度試驗和車輛沖擊試驗提出要求。通用貨車（單列編組總質量小于或等于1萬t）的第一工況慣性力為1 920 kN，第二工況慣性力為2 500 kN。

根據GB/T 16563-2017《系列1集裝箱 技術要求和試驗方法 液體、氣體及加壓干散貨罐式集裝箱》，罐箱在運動方向上的慣性力設計載荷為罐箱最大質量的2倍乘以重力加速度。當罐箱裝載在鐵路平車上運輸時，罐箱和鐵路平車作為一個整體承受鐵路列車縱向慣性力;根據計算，該慣性力載荷大于鐵路平車和罐箱最大總質量的2倍乘以重力加速度。為此，鐵路罐箱需要滿足較高的沖擊強度要求。NB/T? 47064-2017《液體危險貨物罐式集裝箱》和NB/T 47057-2017《液化氣體罐式集裝箱》等標準要求，鐵路運輸用液體罐箱原型箱的結構強度和剛度應能承受其滿載時在鐵路運輸中因機械振動而產生的不小于額定質量的4倍乘以重力加速度的沖擊力。此外，根據鐵路部門的相關要求，危險貨物罐箱還應通過鐵路沖擊試驗，試驗方法和評價規則與鐵路貨車沖擊試驗基本相同。

2 鐵路沖擊工況下罐箱結構承載情況分析

由于鐵路沖擊載荷較大，普通罐箱難以通過鐵路沖擊試驗。如何在罐箱自身質量增加較少的條件下滿足結構承載要求，是鐵路罐箱結構設計必須解決的關鍵問題。

對普通罐箱結構（見圖1）進行鐵路沖擊工況下的靜強度有限元分析，基本條件為：罐箱4個底角件固定，對罐體一端封頭內表面施加罐內液體貨物質量的4倍乘以重力加速度的沖擊壓力。如圖2所示，在鐵路沖擊工況下，大應力區域主要位于角柱與角件連接處以及裙座與端框連接處，最大應力達到422 MPa。罐箱內液體貨物質量比罐箱自身質量大得多，是沖擊力的主要來源。該沖擊力直接作用于罐體沖擊端封頭，然后通過罐箱結構傳遞至角件，并且大部分沖擊力傳遞至沖擊端角件;角柱與角件連接處以及裙座與端框連接處是沖擊力傳遞路徑上最主要的結構不連續部位，因此其應力較大。

3 鐵路沖擊工況下罐箱結構設計方案

3.1 采用加強框架結構，補強應力集中部位

為了使罐箱結構強度滿足鐵路沖擊工況的要求，加強罐箱框架結構，角柱、下端梁、下側梁和各梁間的斜撐采用強度較大的材料或增大規格，并對各梁與角件連接處、裙座與角柱連接處等應力集中部位實施局部補強（見圖3）。

3.2 采用底部斜撐結構，減少應力集中

加強框架結構會增大罐箱自身質量，對運輸經濟性產生負面影響。鑒于此，根據沖擊力傳遞路徑，采用底部斜撐連接罐體與角件（見圖4），使部分沖擊力經斜撐傳遞至角件，從而達到沖擊力傳遞順暢、應力集中減少的效果。

3.3 小結

罐體加強框架結構和底部斜撐結構都能滿足鐵路沖擊工況的要求。罐體加強框架結構的優點在于罐體上沒有連接件，便于安裝加熱和保溫結構;罐體底部斜撐結構的優點在于沖擊力傳遞順暢，質量較輕，有利于提高罐箱運輸經濟性。

4 結束語

為了滿足鐵路沖擊工況要求并通過鐵路沖擊試驗，有必要對罐箱承載結構進行加強設計。罐體底部斜撐結構能夠較好地傳遞沖擊力，并且斜撐與水平面夾角較小為宜。與罐體下側梁式框架結構相比，罐體底部斜撐結構質量較輕，能夠更好地滿足鐵路沖擊工況要求，適用于無保溫和加熱結構的罐箱。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2020-12-25）