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(wǎng)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(qū)和蘭新線百里風區(qū)，進行了3 次大風條件下的貨車篷布、篷布繩索和繩網(wǎng)試驗。試驗結(jié)果表明：D 型篷布主要技術(shù)指標優(yōu)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(wǎng)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(wǎng)均出現(xiàn)損壞，影響運輸安全；篷布繩網(wǎng)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(wǎng)；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(shù)、新材料的 D 型篷布和篷布繩網(wǎng)，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(shù)性能，分析繩網(wǎng)和彈力繩的使用效果，提出符合運輸安全要求的技術(shù)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(wǎng)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(nèi)高速運行及交會、通過大風地區(qū)、與高速旅客列車交會，此時貨車篷布、篷布繩索及繩網(wǎng)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(wǎng)的受力狀態(tài)，而且在列車高速運行過程中可能會因貨物沉降等原因?qū)е仑浳锏难b載狀態(tài)發(fā)生改變，從而影響篷布、篷布繩索及繩網(wǎng)的受力。因此，貨車篷布、篷布繩索和繩網(wǎng)的受力是一個隨列車運行狀態(tài)、貨物裝載狀態(tài)的變化而動態(tài)變化的過程[1]。

1.1 試驗方案設計

在新疆風區(qū)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(qū)和蘭新線百里風區(qū)，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(fā)生在這一地區(qū)[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(nèi)容是貨車篷布、篷布繩索和繩網(wǎng)受到的氣動力和篷布應力，同時進行了運行狀態(tài)圖像監(jiān)控。

第1次試驗在南疆線前百公里風區(qū)進行1個往返測試，從吐魯番出發(fā)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(wǎng)效果，到達望布站后，在敞車2上加蓋了防風網(wǎng)。試驗共布置 210 個篷布繩索和繩網(wǎng)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(qū)進行2個往返測試。第1個往返從吐魯番出發(fā)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(fā)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(wǎng)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(qū)進行2個往返試驗，從鄯善出發(fā)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(wǎng)拉力測點和12 個防風網(wǎng)拉力測點。

1.2 主要測試設備

試驗氣動力測試系統(tǒng)組成及原理如圖4所示。該系統(tǒng)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(wǎng)拉力等) 進行動態(tài)的實時測量，有效排除噪聲干擾、消除偶然誤差、修正系統(tǒng)誤差，從而實現(xiàn)測量結(jié)果的高準確度和對被測信號的高分辨能力。

2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.1 篷布繩索、繩網(wǎng)最大拉力和篷布最大應力測試

通過3次試驗得知，大風環(huán)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(wǎng)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(jù)《貨車D型篷布技術(shù)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(guī)范》(TB1335—78)，安全系數(shù)取為1.5，可得到篷布許用應力：

按照技術(shù)條件規(guī)定，篷布繩索破斷拉力不小于8 400 N，繩網(wǎng)繩索破斷拉力不小于 1 500 N。試驗中篷布繩索、繩網(wǎng)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(shù)據(jù)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(wǎng)破損情況

在無擋風墻區(qū)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(wǎng)均出現(xiàn)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(xiàn)局部破損和撕裂現(xiàn)象，其眼圈處有被拉脫的現(xiàn)象。

（2）D 型篷布繩索出現(xiàn)損壞，且因摩擦出現(xiàn)拉毛現(xiàn)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(wǎng)出現(xiàn)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(wǎng)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(qū)段 (最大平均風速 34.8 m/s)時，貨車篷布、篷布繩索和繩網(wǎng)磨損程度明顯減輕，只有少量篷布繩索和繩網(wǎng)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(wǎng)或無繩網(wǎng)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(nèi)部用篷布支架架空，兜風現(xiàn)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(wǎng)在降低篷布繩索氣動力中發(fā)揮了重要作用，大部分工況下無繩網(wǎng)時篷布繩索受到的氣動力比有繩網(wǎng)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(fā)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(wǎng) X 型篷布的裝載方式下，工況6加蓋了防風網(wǎng)，工況2沒有加蓋防風網(wǎng)，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(wǎng)，工況6的篷布繩索拉力比工況2小約 11%。由此可見，防風網(wǎng)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(jīng)過一段時間運行后，內(nèi)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(qū)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(jīng)統(tǒng)計分析，始發(fā)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(yè)技術(shù)條件》規(guī)定彈力繩在現(xiàn)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(jīng)分析試驗中的其他數(shù)據(jù)，篷布繩索在擋風墻區(qū)域受到的氣動力僅為無擋風墻區(qū)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(jiān)視結(jié)果及分析

為監(jiān)視貨車篷布在大風條件下的狀態(tài)，3 次試驗均布置了攝像頭，監(jiān)控結(jié)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(huán)境風速，隨著試驗風速的增大，篷布兜風與晃動情況越發(fā)顯著；貨車速度對篷布晃動的劇烈程度影響較??；無繩網(wǎng) X 型篷布晃動劇烈，搭接口很容易吹開；有繩網(wǎng)篷布的晃動幅度明顯小于無繩網(wǎng)篷布；篷布兜風與晃動情況與擋風墻類型無顯著聯(lián)系；整個實驗過程中，篷布繩索和繩網(wǎng)無明顯松動，無繩扣松脫。

3 結(jié)論

（1）D 型篷布主要技術(shù)指標優(yōu)于 X 型篷布，應淘汰 X 型篷布，大力發(fā)展 D 型篷布，這樣既能保證運輸安全，又能顯著節(jié)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(wǎng)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(qū)試驗中，擋風墻和防風網(wǎng)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(qū)，為保證運輸安全，修建擋風墻、苫蓋防風網(wǎng)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(wǎng)均出現(xiàn)不同程度的損壞，可能會影響運輸安全?？蓞⒖荚囼灲Y(jié)果，完善大風條件下的行車組織辦法。

（5）篷布繩網(wǎng)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(zhì)量有待加強，關鍵是要避免出現(xiàn)彈力棒拔脫或斷開的情況，彈力繩在現(xiàn)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(wǎng)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(qū)大風天氣列車安全運行辦法研究[J].鐵道運輸與經(jīng)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(fā)計劃項目(Z2007-081，2007X012-F)

責任編輯：馮姍姍