李 鑫，丁文贏，楊廣全

（1.中國(guó)鐵路總公司貨運(yùn)部，北京100844；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京100081)

雙層集裝箱運(yùn)輸是提高鐵路運(yùn)輸能力的重要手段[1-2]，雙層集裝箱專用平車最多比單層運(yùn)輸每延米運(yùn)載指標(biāo)提高38%。《鐵路“十三五”發(fā)展規(guī)劃》提出推進(jìn)鐵水、鐵公等多式聯(lián)運(yùn)發(fā)展，探索開(kāi)展雙層集裝箱運(yùn)輸[3]?！吨袊?guó)鐵路總公司發(fā)展規(guī)劃(2018—2020年)》提出通過(guò)部分節(jié)點(diǎn)適當(dāng)改造，逐步構(gòu)建京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角、長(zhǎng)江中游及成渝城市群間雙層集裝箱通道[4]。為更好地保證雙層集裝箱運(yùn)輸安全、提高車站作業(yè)效率，從連接鎖選型、技術(shù)條件確定、理論計(jì)算、有限元仿真、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方面綜合考慮，研究設(shè)計(jì)S1Z型雙層集裝箱連接鎖(以下簡(jiǎn)稱“S1Z型連接鎖”)。

1 傳統(tǒng)集裝箱連接鎖形式及缺陷分析

連接鎖主要用于上下層集裝箱間的連接鎖閉，防止上層集裝箱的傾覆和滑移。傳統(tǒng)集裝箱連接鎖一般分為手動(dòng)扭鎖、半自動(dòng)扭鎖和全自動(dòng)扭鎖。

（1）手動(dòng)扭鎖。2004年，我國(guó)鐵路首次開(kāi)展雙層集裝箱運(yùn)輸時(shí)使用的F3A型連接鎖，屬于手動(dòng)扭鎖，是在原船舶使用的F3型連接鎖的基礎(chǔ)上，取消了鎖閉把手，改用專用扳手進(jìn)行開(kāi)啟、鎖閉，并針對(duì)鐵路運(yùn)行工況，提高了剪切強(qiáng)度。裝車時(shí)，首先將操作手柄置于非鎖緊狀態(tài)并將其置放到下層集裝箱頂角件孔內(nèi)，待上層集裝箱堆放完畢后，轉(zhuǎn)動(dòng)操作手柄，將上下層集裝箱連接起來(lái)。卸車時(shí)需將操作手柄轉(zhuǎn)至非鎖緊位置才可卸箱。F3A型連接鎖重6.2 kg，集裝箱裝、卸車各需2次登車作業(yè)，存在裝車漏鎖、運(yùn)輸途中意外解鎖的風(fēng)險(xiǎn)，彈簧、轉(zhuǎn)動(dòng)把柄易失效。

（2）半自動(dòng)扭鎖。半自動(dòng)扭鎖以單拉環(huán)半自動(dòng)扭鎖最為常用，特點(diǎn)是裝載集裝箱時(shí)能自動(dòng)鎖緊，但卸載時(shí)需人工解鎖。由于腐蝕、潤(rùn)滑保養(yǎng)不佳或野蠻作業(yè)等原因，半自動(dòng)扭鎖的金屬拉線斷裂的情況時(shí)有發(fā)生，且半自動(dòng)扭鎖解鎖較容易，影響鐵路雙層集裝箱運(yùn)輸途中安全性。

（3）全自動(dòng)扭鎖。全自動(dòng)扭鎖在上層集裝箱裝、卸時(shí)能自動(dòng)鎖閉和解鎖，又能保證在運(yùn)行時(shí)上下層集裝箱處于穩(wěn)固的卡牢狀態(tài)。在裝載集裝箱時(shí)，將4個(gè)TL-FA型全自動(dòng)扭鎖安裝于上層集裝箱4個(gè)底角件中；卸集裝箱時(shí)，將其從上層集裝箱底角件上卸下，影響裝卸機(jī)械使用效率，存在人身安全風(fēng)險(xiǎn)[5-6]。TL-FA型全自動(dòng)扭鎖由多個(gè)部件組成，易損壞。

在傳統(tǒng)集裝箱連接鎖形式研究及缺陷分析的基礎(chǔ)上，借鑒鐵路F-TR鎖結(jié)構(gòu)，研究設(shè)計(jì)適應(yīng)鐵路運(yùn)輸?shù)腟1Z型連接鎖，以提升集裝箱運(yùn)輸安全，提高裝卸作業(yè)效率。

2 S1Z 型連接鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及應(yīng)用技術(shù)條件研究

2.1 S1Z 型連接鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2.1.1 設(shè)計(jì)原則

為了滿足鐵路雙層集裝箱運(yùn)輸加固強(qiáng)度，便于操作，提高裝卸效率，保證安全，研究設(shè)計(jì)適用于鐵路雙層集裝箱運(yùn)輸?shù)男滦瓦B接鎖—S1Z型連接鎖。設(shè)計(jì)原則為：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便；②重量輕，操作方便，減少工作強(qiáng)度；③采用全自動(dòng)鎖設(shè)計(jì)理念，減少開(kāi)、閉鎖操作；④連接鎖的鎖閉安全可靠。

2.1.2 總體結(jié)構(gòu)

S1Z型連接鎖由鎖體、滑塊和銷3部件構(gòu)成。S1Z型連接鎖結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 S1Z型連接鎖結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of S1Z connecting lock

鎖體為主受力部件，包含鎖頭、中間板及固定底部。鎖頭設(shè)計(jì)借鑒鐵路集裝箱運(yùn)輸平車使用的F-TR鎖，厚度由58 mm改為60 mm，提高了S1Z型連接鎖對(duì)上層箱側(cè)向翻轉(zhuǎn)的鎖閉性能。為了減輕重量，在保證強(qiáng)度的條件下，將鎖體心部鏤空，并將中間板厚度由F3A型連接鎖的28 mm減至15 mm。固定底部與集裝箱角件之間設(shè)置適當(dāng)?shù)某叽缗浜祥g隙，保證固定底部順暢地出、入集裝箱角件。為了確保連接鎖安裝方向正確，固定底部上設(shè)計(jì)了凸耳，安裝S1Z型連接鎖時(shí)，凸耳須朝向集裝箱外側(cè)，并提起滑塊，固定底部才可裝入角件內(nèi)；另外，中間板設(shè)有“OUT”標(biāo)記，并涂打黃色熒光漆，用于安裝方向確認(rèn)。S1Z型連接鎖安裝方向如圖2所示。

圖2 S1Z型連接鎖安裝方向示意圖Fig.2 Scheme of mounting direction of S1Z connecting lock

滑塊位置設(shè)計(jì)在鎖體鏤空部位，起到限位裝置的作用。提起滑塊時(shí)，S1Z型連接鎖可相對(duì)角件轉(zhuǎn)動(dòng)，便于連接鎖裝卸，旋轉(zhuǎn)到位后，滑塊因重力作用自動(dòng)落下，實(shí)現(xiàn)連接鎖入位卡牢。S1Z型連接鎖轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖如圖3所示。

圖3 S1Z型連接鎖轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖Fig.3 Scheme of rotation of S1Z connecting lock

銷用于連接滑塊與鎖體。銷鉚壓后不超過(guò)基面，從而保護(hù)鉚壓部分在使用過(guò)程中免受損傷。

S1Z型連接鎖采用整體式、自動(dòng)鎖閉機(jī)械結(jié)構(gòu)，可有效防止裝車漏鎖、運(yùn)輸途中意外解鎖的風(fēng)險(xiǎn)，日常維修工作量較小。作業(yè)時(shí)，該鎖須安裝在下層集裝箱頂角件上，集裝箱裝、卸車各需一次登車作業(yè)，提高了車站作業(yè)效率和人身安全性。S1Z型連接鎖重量約5.6 kg，較F3A型連接鎖減重約10.7%。

2.2 S1Z型連接鎖應(yīng)用技術(shù)條件研究

為了確保雙層集裝箱運(yùn)輸安全，需要對(duì)S1Z型連接鎖的外形尺寸及公差、性能參數(shù)和材質(zhì)成分等應(yīng)用技術(shù)條件進(jìn)行研究確定，以規(guī)范S1Z型連接鎖的生產(chǎn)、運(yùn)用和日常維護(hù)。

2.2.1 外形尺寸及公差

在借鑒F-TR鎖、F3A型連接鎖外形尺寸基礎(chǔ)上，充分考慮S1Z型連接鎖與集裝箱角件配合關(guān)系，確定S1Z型連接鎖外形尺寸及公差范圍。S1Z型連接鎖尺寸如圖4所示，S1Z型連接鎖外形基本尺寸及公差如表1所示。

圖4 S1Z型連接鎖尺寸示意圖Fig.4 Scheme of dimensions of S1Z connecting lock

2.2.2 性能參數(shù)

為更好地保證雙層集裝箱運(yùn)輸安全，在借鑒水路運(yùn)輸用集裝箱連接鎖性能要求的基礎(chǔ)上，研究分析鐵路雙層集裝箱運(yùn)輸過(guò)程中連接鎖受力狀況及特點(diǎn)，確定S1Z型連接鎖拉伸最小破斷載荷420 kN，剪切最小破斷載荷450 kN，且剪切載荷225 kN (±5%)情況下，以頻率0.2 Hz循壞20 000次后不應(yīng)產(chǎn)生裂紋，進(jìn)行磁粉探傷，質(zhì)量等級(jí)2級(jí)。

2.2.3 材質(zhì)成份

依據(jù)性能參數(shù)，S1Z型連接鎖鑄鋼材質(zhì)確定采用TB/T 2942—2015規(guī)定的E級(jí)鋼[7]，布氏硬度為241～311 HB?；瘜W(xué)成分如表2所示，力學(xué)性能如表3所示。

表1 S1Z型連接鎖外形基本尺寸及公差Tab.1 Basic size and tolerance of S1Z connecting lock

表2 化學(xué)成分 %Tab.2 Chemical composition of material

表3 力學(xué)性能Tab.3 Mechanical property of material

S1Z型連接鎖可選用力學(xué)性能優(yōu)于表3的材質(zhì)進(jìn)行制造。為更好地保護(hù)S1Z型連接鎖免于銹蝕，鎖體表面進(jìn)行熱鍍鋅，鍍層厚度不小于65μm[8]。

3 S1Z型連接鎖理論計(jì)算及案例分析

3.1 理論計(jì)算

理論計(jì)算選取的惡劣工況為：雙層集裝箱運(yùn)輸專用平車(車型X2K)滿載運(yùn)行，重車總重Q總為99.4 t；上層為滿載40 ft集裝箱，貨物重量Q為30.48 t。外部尺寸：長(zhǎng)×寬×高=L×W×H=12 192 mm×2 438 mm×2 896 mm；層間采用4只連接鎖固定。按照列車運(yùn)行速度v運(yùn)≤120 km/h、調(diào)車連掛速度v調(diào)≤5 km/h的計(jì)算條件，計(jì)算雙層集裝箱運(yùn)輸過(guò)程中作用于上層集裝箱上的慣性力、風(fēng)力和摩擦力[9]，并校核上層集裝箱傾覆和水平移動(dòng)的穩(wěn)定性。

3.1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

依據(jù)《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》，計(jì)算上層集裝箱受到的縱向慣性力T、橫向慣性力N、垂向慣性力Q垂、風(fēng)力P、縱向摩擦力和橫向摩擦力

縱向慣性力T可以表示為

式中：t0為每噸貨物的縱向慣性力，0.32Q總+ 29.85 = 9.9 kN/t。

橫向慣性力N可以表示為

橫式中：n0為每噸貨物的橫向慣性力，n0= 2.82 + 2.2a/l=2.82 kN/t，其中a為上層集裝箱重心偏離車輛橫中心線的距離，l為負(fù)重車轉(zhuǎn)向架中心距。

以長(zhǎng)大貨物車裝載計(jì)算，垂向慣性力Q垂可以表示為

式中：q垂為每噸貨物的垂向慣性力，q垂= 4.53 +7.84a/l= 4.53 kN/t。

風(fēng)力P可表示為

式中：q為側(cè)向計(jì)算風(fēng)壓，kN/m2；F為側(cè)向迎風(fēng)面的投影面積，m2。

式中：μ為鋼板與鋼板的摩擦系數(shù)。

3.1.2 上層集裝箱傾覆的穩(wěn)定性

上層集裝箱傾覆的縱向穩(wěn)定系數(shù)為

式中：h為上層集裝箱重心與連接鎖中間板上表面之間的高度。

上層集裝箱傾覆的橫向穩(wěn)定系數(shù)為

由公式 ⑺、公式 ⑻ 可知，上層集裝箱縱向和橫向的傾覆穩(wěn)定系數(shù)均大于1.25，因而上層集裝箱的傾覆穩(wěn)定性滿足安全技術(shù)要求。

3.1.3 上層集裝箱水平移動(dòng)的穩(wěn)定性

3.2 有限元仿真分析

采用SolidWorks Simulation軟件，建立S1Z型連接鎖有限元計(jì)算模型如圖5所示。該模型采用曲率的網(wǎng)格劃分方法，劃分45 306個(gè)單元，69 109個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析。

圖5 S1Z型連接鎖有限元計(jì)算模型Fig.5 Finite element computational model of S1Z connecting lock

鎖體實(shí)際受力部位按縱向、橫向和雙向加載進(jìn)行有限元仿真計(jì)算。仿真結(jié)果顯示：鎖體縱向加載的載荷為106 kN時(shí)，最大應(yīng)力值341.6 MPa，最大變形量0.04 mm；鎖體橫向加載的載荷為41 kN時(shí)，最大應(yīng)力值271.0 MPa，最大變形量0.06 mm；鎖體雙向加載，橫向加載載荷41 kN、縱向加載載荷106 kN時(shí)，最大應(yīng)力值359.2 MPa，最大變形量0.04 mm。依照《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》附件5鋼制加固材料的許用應(yīng)力規(guī)定，計(jì)算S1Z型連接鎖材料受剪狀態(tài)下的許用應(yīng)力為441.6 MPa。根據(jù)鎖體的有限計(jì)算結(jié)果，在雙向加載時(shí)所受應(yīng)力最大，為359.2 MPa，小于材料受剪狀態(tài)下的許用應(yīng)力，因而鎖體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足相關(guān)規(guī)定要求。

3.3 實(shí)物現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)校核

2018年7月13日，蘆潮港站采用BK-4型壓力傳感器、德國(guó)imc C1型動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀、B310PDC型便攜式磁粉探傷儀等測(cè)試設(shè)備對(duì)S1Z型連接鎖進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)。試驗(yàn)場(chǎng)景：在空載40 ft集裝箱前端兩角柱上部分別布置壓力傳感器，左側(cè)壁兩角柱上部分別布置壓力傳感器；在滿載40 ft集裝箱左側(cè)壁兩角柱上部分別布置壓力傳感器，與空箱布置位置一致。

（1）裝卸試驗(yàn)。多次裝卸試驗(yàn)表明，S1Z型連接鎖在下層集裝箱上的安裝、拆卸操作簡(jiǎn)單，上層集裝箱裝卸作業(yè)順暢，能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求。

（2）空箱試驗(yàn)過(guò)程。在雙層集裝箱運(yùn)輸專用平車上下層裝載2只空載20 ft集裝箱，上層裝載40 ft空載試驗(yàn)箱裝，上下2層依靠4只S1Z型連接鎖鎖固。門式起重機(jī)起吊1只40 ft重箱靠住試驗(yàn)箱左側(cè)壁提供橫向力(理論計(jì)算橫向慣性力與風(fēng)力之和為28.0 kN)，3次力值分別為25.2 kN，28.1 kN和29.8 kN。門式起重機(jī)起吊1只40 ft重箱靠住試驗(yàn)箱前端提供縱向力(理論計(jì)算縱向慣性力為81.6 kN)，3次力值分別為72.5 kN，80.3 kN和77.6 kN。在空箱橫向、縱向?qū)嵻囋囼?yàn)過(guò)程中，S1Z型連接鎖對(duì)40 ft試驗(yàn)箱加固狀態(tài)良好。試驗(yàn)后對(duì)S1Z型連接鎖進(jìn)行磁粉探傷，未發(fā)現(xiàn)缺陷。

（3）重箱試驗(yàn)過(guò)程。在雙層集裝箱運(yùn)輸專用平車上下層裝載2只重載的20 ft集裝箱，上層裝載40 ft滿載試驗(yàn)箱，上下2層依靠4只S1Z型連接鎖鎖固。門式起重機(jī)起吊1只40 ft重箱靠住試驗(yàn)箱左側(cè)壁提供橫向力(理論計(jì)算橫向慣性力與風(fēng)力之和為103.3 kN)，3次力值分別為91.6 kN，97.9 kN和104.6 kN。重箱橫向?qū)嵻囋囼?yàn)過(guò)程中，S1Z型連接鎖對(duì)40 ft試驗(yàn)箱加固狀態(tài)良好。試驗(yàn)后對(duì)S1Z型連接鎖進(jìn)行磁粉探傷，未發(fā)現(xiàn)缺陷。

4 結(jié)論

雙層集裝箱連接鎖固問(wèn)題是雙層集裝箱運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)難題，該難題的解決對(duì)保證雙層集裝箱運(yùn)輸安全、提高車站作業(yè)效率具有重要意義。S1Z型連接鎖采用新型結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)連接鎖缺陷，適應(yīng)鐵路雙層集裝箱運(yùn)輸工況，經(jīng)過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和技術(shù)評(píng)審，得出以下結(jié)論。

（1）有限元仿真計(jì)算結(jié)果表明：鎖體縱向最大應(yīng)力值341.6 MPa，橫向最大應(yīng)力值271.0 MPa，雙向最大應(yīng)力值359.2 MPa，均小于材料受剪狀態(tài)下的許用應(yīng)力441.6 MPa，鎖體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足相關(guān)規(guī)定要求。

（2）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：S1Z型連接鎖在下層集裝箱上的安裝、拆卸操作簡(jiǎn)單，并能防止鎖頭方向誤裝，上層集裝箱裝卸作業(yè)順暢，能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求?？?、重箱實(shí)車試驗(yàn)過(guò)程中，S1Z型連接鎖對(duì)40 ft試驗(yàn)箱加固狀態(tài)良好，試驗(yàn)后對(duì)S1Z型連接鎖進(jìn)行磁粉探傷，未發(fā)現(xiàn)缺陷，滿足運(yùn)輸安全要求。

（3）國(guó)家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心出具的檢驗(yàn)報(bào)告表明：外觀尺寸、磁粉探傷、最小破斷載荷、疲勞強(qiáng)度、鋅層厚度、鎖體化學(xué)成分、布氏硬度等各項(xiàng)檢驗(yàn)全部合格，連接鎖結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和鎖閉性能滿足鐵路運(yùn)輸安全要求。

（4）技術(shù)評(píng)審表明：S1Z型連接鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，與原F3A型連接鎖相比，可防止裝車漏鎖、途中意外開(kāi)鎖的風(fēng)險(xiǎn)，提高了運(yùn)輸安全性；裝、卸車各減少一次登車作業(yè)，自重減輕10.7%，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了裝卸作業(yè)效率，并能夠減少連接鎖維修量。

（5）根據(jù)評(píng)審結(jié)果，中國(guó)鐵路總公司印發(fā)《雙層集裝箱連接鎖暫行技術(shù)條件》，適用于S1Z型連接鎖的生產(chǎn)、檢驗(yàn)和使用，規(guī)定了S1Z型連接鎖的技術(shù)要求、檢驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、產(chǎn)品標(biāo)志、包裝和運(yùn)輸?shù)葍?nèi)容。