李善坡

（中國鐵道科學(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)

隨著我國鋼軌生產(chǎn)質(zhì)量的提高，鋼軌出口量也逐年上升。目前我國各鋼廠已經(jīng)向全球20 多個國家和地區(qū)出口鋼軌，出口鋼軌的長度主要是 12.5 m，18 m 和25 m[1]，鋼軌一般經(jīng)鐵路運(yùn)輸至港口，再經(jīng)海運(yùn)出口至國外。其中，12.5 m 和25 m長鋼軌[2]可直接采用或參照《鐵路貨物裝載加固規(guī) 則》[3](以下簡稱《加規(guī)》)附件1 中定型方案進(jìn)行裝運(yùn)，18 m 長鋼軌原方案采用一輛15.4 m 長平車承載、兩端突出加掛游車的方式裝運(yùn)，平均每車裝載量只有20 t 左右。為了提升鐵路貨運(yùn)服務(wù)質(zhì)量，提高鐵路運(yùn)輸競爭力，充分考慮18 m 出口長鋼軌的長度和規(guī)格，依據(jù)《加規(guī)》的技術(shù)要求，研究提出一種“低－高－低－…－低”交錯承載方式的18 m 長鋼軌普通平車裝運(yùn)優(yōu)化方案[4]，同時設(shè)計可循環(huán)使用裝載加固裝置[5]，低承載方式采用鋼墊梁，高承載方式采用鋼托架。

1 18 m 長出口鋼軌采用普通平車裝運(yùn)優(yōu)化方案指標(biāo)計算

1.1 優(yōu)化方案設(shè)計

表1 18 m 長出口鋼軌規(guī)格Tab.1 Specifications of 18 m rail for exporting purpose

圖1 最小編組裝運(yùn)方案示意圖Fig.1 Loading plan under the minimum train combination

根據(jù)18 m 長出口鋼軌規(guī)格，考慮車組的最大裝載量，采用“低－高－低－…－低”交錯承載方式進(jìn)行方案優(yōu)化設(shè)計?？紤]鋼軌長度與車輛長度的匹配性，選擇換長為1.5 的普通平車作為承載車，僅在車組兩端加掛游車。車組中承載車的最大數(shù)量可按采用的機(jī)車牽引能力進(jìn)行計算確定。最小編組裝運(yùn)方案采用5 輛普通平車，分別為游車、低承載車、高承載車、低承載車、游車。18 m 長出口鋼軌規(guī)格如表1 所示，最小編組裝運(yùn)方案示意圖如圖1 所示。

低承載方式采用4 個鋼墊梁支承鋼軌，鋼墊梁由20 號工字鋼和鋼板焊接而成。以UIC54 鋼軌為例(下同)，低承載方式可裝載2 層，最多裝載46根，約45.07 t。在鋼墊梁上方鋼軌層間放置橫隔木，在兩端鋼墊梁內(nèi)側(cè)各采用盤條4 股采用反又字下壓1 道，捆綁在車側(cè)丁字鐵上。在鋼軌中部，用盤條3 股將第1 層和第2 層鋼軌整體捆綁1 道。在每層鋼軌兩端分別用盤條4 股倒八字形拉牽捆綁在車側(cè)丁字鐵或支柱槽上。低承載方式裝運(yùn)方案示意圖如圖2 所示。

高承載方式采用4 個鋼托架將鋼軌抬高，避免與低承載車鋼軌干涉，鋼托架由22 號、20 號槽鋼和鋼板焊接而成。根據(jù)《加規(guī)》第二十九條規(guī)定“一輛平車裝載超長貨物，兩端突出車端小于1.5 m時，車輛容許載重量為58 t”，最多可裝載3 層，可裝載57 根，約55.85 t。在鋼托架承載位置上方各層間放置隔木，端部托架外側(cè)約200 mm 處，各用盤條3 股將第二、三層捆為一體，在端部托架內(nèi)側(cè)約200 mm 處，各用盤條3 股將第一、二層捆為一體，在鋼軌中部，用盤條3 股將第一至第三層鋼軌整體捆綁1 道。在兩端部托架內(nèi)側(cè)各采用盤條4 股采用反又字下壓1 道，捆綁在車側(cè)丁字鐵上。在第1 層鋼軌兩端分別用盤條2 股倒八字形拉牽捆綁在端部鋼托架上，在第2 層和第3 層鋼軌兩端分別用盤條4 股倒八字形拉牽捆綁在車側(cè)丁字鐵或支柱槽上，高承載方式裝運(yùn)方案示意圖如圖3 所示。如果采用43 車編組成列，可有41 輛車承載，21 低20 高承載，可裝載2 102.67 t，平均每車裝載48.9 t。若采用42 車編組成列，3 個11 車裝9 車 (5低4高)小編組，1個9車裝7車(4低3高)小編組，可裝載1 723.48 t，平均每車裝載41.03 t。這2 種編組形式應(yīng)用較多，各鋼廠還可根據(jù)各自裝車線條件和運(yùn)輸組織模式，自行選擇編組數(shù)量，但最低編組車輛數(shù)量不低于5 輛。

圖2 低承載方式裝運(yùn)方案示意圖Fig.2 Loading plan under the low loading mode

圖3 高承載方式裝運(yùn)方案示意圖Fig.3 Loading plan under the high loading mode

1.2 優(yōu)化方案指標(biāo)計算

1.2.1 鋼墊梁和鋼托架最小設(shè)計高度

依據(jù)《加規(guī)》，鋼墊梁最小設(shè)計高度可表示為

式中：a為鋼軌突出端至負(fù)重車最近輪軸軸心所在垂直平面的距離，a= 2 665 mm；h車差為游車地板高度與負(fù)重車地板高度差，h車差= 20 mm；f取各軌型中最大值4 mm。

經(jīng)計算得H墊= 186.6 mm，低承載方式的鋼墊梁實(shí)際高度按215 mm 設(shè)計，滿足要求。

考慮18 m 長出口鋼軌各規(guī)格鋼軌最大高度188.9 mm，高承載方式鋼托架的最小設(shè)計高度H托應(yīng)為215 + 2×188.9 + 30 + 186.6 = 809.4 mm，實(shí)際設(shè)計高度為815 mm，滿足要求。

1.2.2 重車重心高

以高承載方式為例進(jìn)行計算，車輛自重23.8 t，空車重心高度為738 mm；托架重量約1.8 t，重心高度為1 617 mm。第一層鋼軌重量約24.50 t，重心高度2 111 mm；第二層鋼軌重量約22.53 t，重心高度2 330 mm；第三層鋼軌重量約8.82 t，重心高度2 548 mm。經(jīng)計算，重車重心高為1 806.8 mm，重車重心不超高。高承載方式重心高度示意圖如圖4 所示。

圖4 高承載方式重心高度示意圖Fig.4 Gravity center height under the high loading mode

1.2.3 加固強(qiáng)度計算

以最小編組(2 低1 高2 游車)為例進(jìn)行計算，貨物重量約145.99 t，墊梁及托架重量2.86 t，車組重量112 t，車組總重為260.85 t。只需校核頂層鋼軌的縱向加固強(qiáng)度和裝載加固裝置的橫擋強(qiáng)度是否滿足要求，低承載時頂層裝載21 根UIC54 軌，高承載時裝載9 根UIC54 軌。根據(jù)《加規(guī)》，通過計算縱向慣性力、橫向慣性力、垂直慣性力、風(fēng)力和摩擦力，得出頂層鋼軌所需的縱向加固力和裝載加固裝置橫擋所受的橫向加固力。

（1）縱向慣性力。每噸貨物的縱向慣性力t0= 5.88 kN/t，則低承載方式頂層鋼軌的縱向慣性力T低=t0×21×18×54.43 / 1 000 = 120.98 kN。高承載方式頂層鋼軌的縱向慣性力T高=t0×9×18×54.43 / 1 000 = 51.85 kN。

圖5 貨物縱向拉牽加固示意圖Fig.5 Longitudinal pulling and reinforcement of goods

（2）橫向慣性力。每噸貨物的橫向慣性力n0= 2.82 kN/t，則低承載方式鋼軌的橫向慣性力N低=n0×46×18×54.43 / 1 000 = 127.09 kN。高承載方式鋼軌的橫向慣性力N高=n0×57×18×54.43 / 1 000 = 157.48 kN。

（3）垂直慣性力。每噸貨物的垂直慣性力q垂= 3.54 kN/t，則低承載方式鋼軌的垂直慣性力Q低=q垂×46×18×54.43 / 1 000 = 159.54 kN。高承載方式鋼軌的垂直慣性力Q高=q垂×57×18×54.43 /1 000=197.69 kN。

（4）風(fēng)力。低承載方式鋼軌的所受風(fēng)力W低= 0.49×0.159×18×2 = 2.80 kN。高承載方式鋼軌的所受風(fēng)力W高= 0.49×0.159×18×3 = 4.21 kN。

（6）貨物水平移動穩(wěn)定性校核。通過縱向和橫向加固強(qiáng)度校核，驗(yàn)證鋼軌的縱向和橫向加固強(qiáng)度是否滿足要求。貨物縱向拉牽加固示意圖如圖5 所示，圖中O點(diǎn)為拉牽繩在貨物上的拴結(jié)點(diǎn)，A點(diǎn)為拉牽繩在車輛上的拴結(jié)點(diǎn)，B點(diǎn)為O點(diǎn)在車地板上的投影，C點(diǎn)為O點(diǎn)所在縱向垂直平面與車輛邊線的交點(diǎn)。

①低承載方式縱向加固強(qiáng)度校核。根據(jù)低承載方式頂層鋼軌的縱向慣性力和摩擦力，計算出其所需的加固力= 120.98 - 80.65 =

②高承載方式縱向加固強(qiáng)度校核。根據(jù)高承載方式頂層鋼軌的縱向慣性力和摩擦力，計算出其所需的加固力= 51.85 - 34.57 =17.28 kN，從而計算出拉牽繩所需的拉牽力

③低承載方式加固方案橫向加固強(qiáng)度校核。低承載方式鋼墊梁所受的橫向加固力ΔN低=1.25×

④高承載方式加固方案橫向加固強(qiáng)度校核。高承載方式鋼托架所受的橫向加固力ΔN高=1.25×

1.2.4 鋼墊梁及鋼托架承重計算

為避免鋼軌之間及鋼軌與相鄰車地板的干涉，同時考慮鋼墊梁和鋼托架與車地板的加固問題，通過位置優(yōu)選，將鋼墊梁和鋼托架均布置在從車端數(shù)第1和第3 支柱槽處。

按照鋼墊梁承載46 根18 m長鋼軌、鋼托架承載57 根18 m長鋼軌進(jìn)行計算，鋼墊梁和鋼托架承重如表2 所示。

由表2 可知，鋼托架最大承重148.59 kN，考慮動核系數(shù)1.4，鋼托架承受的最大垂向載荷為208.03 kN，考慮縱向最大摩擦力74.30 kN。采用有限元軟件對鋼托架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析[6-7]，鋼托架應(yīng)力分布云圖如圖6 所示，鋼托架最大應(yīng)力為 96.2 MPa，小于Q235 材料的許用應(yīng)力160 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

表2 鋼墊梁和鋼托架承重 kNTab.2 Loading of steel beam and steel bracket

圖6 鋼托架應(yīng)力分布云圖Fig.6 Stress distribution cloud map of steel bracket

2 18 m 長出口鋼軌采用普通平車裝運(yùn)優(yōu)化方案試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)概況

2015 年10 月9—10 日，在攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司(以下簡稱攀鋼)軌梁廠廠區(qū)和專用線上進(jìn)行了18 m 長出口鋼軌裝運(yùn)優(yōu)化方案(2 低1高2 游車的編組方式)的靜態(tài)、沖擊和運(yùn)行試驗(yàn)。靜態(tài)試驗(yàn)時，在受力較大的鋼墊梁和鋼托架危險截面上粘貼應(yīng)變片，鋼軌裝載完畢后讀取靜態(tài)應(yīng)力值。沖擊試驗(yàn)時，用機(jī)車推動一輛滿載的敞車，達(dá)到一定速度后將其溜放，與停在平直線路上的試驗(yàn)車組沖擊。測量和記錄沖擊過程中鋼托架和鋼墊梁動態(tài)強(qiáng)度及18 m 長鋼軌的裝載加固狀態(tài)，另用鐵鞋限制沖擊后被沖擊車組的移動距離，以保證試驗(yàn)安全。運(yùn)行試驗(yàn)主要觀察鋼軌高低錯裝時，鋼軌及加固線在車輛通過小曲線半徑時是否存在干涉現(xiàn)象。沖擊試驗(yàn)工況示意圖如圖7 所示。

2.2 測點(diǎn)布置

根據(jù)表2，在被沖擊端受力較大的鋼托架(第3車上第1個鋼托架)和鋼墊梁(第2車上第4個鋼墊梁)危險截面處粘貼應(yīng)變片。鋼托架測點(diǎn)布置示意圖如圖8 所示，鋼墊梁測點(diǎn)布置示意圖如圖9 所示。

2.3 靜態(tài)試驗(yàn)

鋼軌裝載完畢后，各測點(diǎn)靜態(tài)應(yīng)力值如表3 所示，第2 測點(diǎn)應(yīng)力最大，最大為78.4 MPa，小于160 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

2.4 沖擊試驗(yàn)

（1）強(qiáng)度測試。靜態(tài)試驗(yàn)完成后，準(zhǔn)備工作完成后，在攀鋼專用線進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)[8]。試驗(yàn)車組共沖擊了11 次，沖擊試驗(yàn)工況下各測點(diǎn)合成應(yīng)力如表4 所示，當(dāng)沖擊速度為8 km/h，第7 測點(diǎn)的合成應(yīng)力最大，為116.5 MPa，小于160 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

（2）裝載加固狀態(tài)。在沖擊過程中，18 m 長鋼軌的整體裝載加固狀態(tài)良好。調(diào)車連掛速度范圍內(nèi)，共沖擊2 次，在第5 次沖擊速度達(dá)到6.8 km/h 時，被沖擊端低承載方式的中部鋼軌開始發(fā)生移動，最大為30 mm，滿足《加規(guī)》要求。整個試驗(yàn)過程中，被沖擊端低承載方式的鋼軌最大累積縱向位移為150 mm，高承載方式和沖擊遠(yuǎn)端的鋼軌均未發(fā)生移動，所有裝載加固裝置狀態(tài)良好，未發(fā)生相對車體的移動情況。

2.5 試運(yùn)行試驗(yàn)

圖7 沖擊試驗(yàn)工況示意圖Fig.7 Impact test conditions

圖8 鋼托架測點(diǎn)布置示意圖Fig.8 Sensor positions for steel bracket

圖9 鋼墊梁測點(diǎn)布置示意圖Fig.9 Sensor positions for steel beam

表3 各測點(diǎn)靜態(tài)應(yīng)力值 MPaTab.3 Static stress of each sensor

鋼軌裝載加固完成后，采用調(diào)車機(jī)將試驗(yàn)車組遷出并通過通過廠區(qū)內(nèi)半徑為150 m 的S 形曲線，重點(diǎn)檢查低承載方案鋼軌端部與高承載方案鋼軌拉牽繩線是否存在干涉現(xiàn)象，經(jīng)檢查，鋼軌與拉牽繩不存在干涉現(xiàn)象，并且具有足夠的安全余量。

表4 沖擊試驗(yàn)工況下各測點(diǎn)合成應(yīng)力 MPaTab.4 Synthetic stress of each sensor under impact test conditions

3 結(jié)束語

鐵路貨物裝載加固是一項(xiàng)技術(shù)性較強(qiáng)的工作，應(yīng)在保證運(yùn)輸安全的前提下做到巧裝滿載。研究提出的18 m 長出口鋼軌采用普通平車裝運(yùn)優(yōu)化方案裝載加固強(qiáng)度均滿足《加規(guī)》技術(shù)要求，該優(yōu)化方案充分考慮了各型號出口鋼軌特性，有效利用車輛載重能力，與原方案相比，優(yōu)化方案可成倍提高裝載量和運(yùn)輸效率，減少車輛使用，大幅降低運(yùn)輸成本，同時優(yōu)化方案采用了可循環(huán)使用裝載加固裝置，安全環(huán)保。18 m 長出口鋼軌采用普通平車裝運(yùn)優(yōu)化方案可以進(jìn)一步豐富我國長鋼軌普通平車運(yùn)輸裝載加固技術(shù)體系，對我國18 m 長鋼軌“走出去”具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。