鐵路罐式集裝箱運輸沖擊試驗方法研究

殷 濤

(中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081)

罐式集裝箱是液體貨物運輸單元，目前主要用于液化氣體、液態(tài)貨物和粉末狀有毒害、易燃易爆、腐蝕性強的危險品運輸，85%運輸需求來自化工市場。罐式集裝箱適用性好，便于開展多式聯(lián)運，有助于提高作業(yè)效率，減少倒裝產(chǎn)生的貨損，降低運輸成本。在歐美液體貨物運輸中，罐式集裝箱運輸已占據(jù)了液體運輸市場65%左右的市場份額。我國從20世紀80年代開始逐步采用罐式集裝箱運輸并得到快速的發(fā)展。為適應(yīng)集裝箱市場多樣性需求，國內(nèi)鐵路集裝箱種類也逐漸由單一的通用箱，發(fā)展到擁有不同規(guī)格和用途的罐箱、水泥箱等10余種特種箱[1]，這些箱型使用多年，取得良好的效果，逐步被國內(nèi)企業(yè)所認識、接受，集裝箱運量增長速度大大高于鐵路貨運量增長速度[2]。按照《鐵路危險貨物運輸管理規(guī)則》要求，采用罐式集裝箱運輸危險貨物時，應(yīng)開展靜強度及鐵路沖擊試驗，并研究提出安全運輸條件。

1 罐式集裝箱試驗方法現(xiàn)狀分析

1.1 國際海運罐式集裝箱沖擊試驗

根據(jù)《國際海運危險貨物規(guī)則》要求，國際海運罐式集裝箱鐵路沖擊試驗方法執(zhí)行標準為《關(guān)于危險貨物運輸?shù)慕ㄗh書(試驗和標準手冊第5 修訂版)》[3]。該標準規(guī)定了罐式集裝箱樣箱鐵路沖擊試驗的技術(shù)要求、試驗方法及評定標準。罐式集裝箱樣品裝載97%容積(或接近額定載荷)的水，主要測試參數(shù)為加速度，采用頻率1 kHz，濾波頻率200 Hz(低通)，采樣時間為沖擊開始前0.05 s至沖擊后2 s。當測試各頻點加速度值曲線位于標準加速度(1.95f0.355，f為當前頻率)曲線上方時，即認為該次沖擊條件滿足要求。判定規(guī)則：①測量沖擊前后2次罐式集裝箱頂面和側(cè)面對角線角件距離變化量，頂面距離變化量不大于13 mm，側(cè)面距離變化量不大于10 mm；②試驗前后檢查，罐式集裝箱結(jié)構(gòu)、開口等位置無變形、焊縫開裂、泄露等影響使用的損壞。

1.2 國內(nèi)鐵路罐式集裝箱沖擊試驗

通過前期調(diào)研和規(guī)章查詢，國內(nèi)鐵路罐式集裝箱試驗缺乏統(tǒng)一的試驗標準和現(xiàn)場試驗條件限制，各試驗單位的試驗方案存在差異。例如，宋著堅[4]對40 ft液化石油氣罐式集裝箱鐵路沖擊試驗時，充填介質(zhì)為21 t水，沖擊車為滿載沙子的70 t敞車，沖擊速度從2.9 km/h到8.7 km/h，累計沖擊19次。測試參數(shù)為車輛沖擊速度和罐式集裝箱應(yīng)力。靜應(yīng)力等比放大修正，動應(yīng)力為沖擊速度6 km/h應(yīng)力峰值。合成應(yīng)力不超過材料第二工況許用應(yīng)力作為評定標準。曹菁等[5]提到液化天然氣罐式集裝箱鐵路沖擊試驗充填介質(zhì)泡沫板和水，模擬液體重心。

1.3 試驗條件差異及風險

國際海運罐式集裝箱沖擊試驗方法中對沖擊車的速度和質(zhì)量沒有限制，為了更快獲得沖擊載荷，試驗中沖擊速度大于8 km/h。例如，李光[6]介紹了29 m3普通液體罐式集裝箱在沖擊速度達到9.60 km/h；回鳳娜等[7]介紹罐式集裝箱沖擊速度達到13.4 km/h?！惰F路貨車縱向沖擊特性》[8]中試驗了25 t軸重全鋼運煤車不同沖擊速度條件下車鉤力變化情況，近似擬合公式y(tǒng) = 14.66x2+ 58.76x + 487.6，其中y為車鉤力，x為沖擊速度。當沖擊速度為8.18 km/h時，車鉤力為1 848.2 kN，而當沖擊速度達到9.39 km/h時，車鉤力為2 555.3 kN，已經(jīng)超過了標準中限定的車鉤力，對車鉤和車輛結(jié)構(gòu)構(gòu)成損壞。我國鐵路運行線路較長，從裝車站到目的地編組作業(yè)次數(shù)多于國外，現(xiàn)行海運沖擊試驗方法中2 ～ 3次沖擊明顯少于我國實際運輸過程編組次數(shù)。因此，沖擊試驗中有必要嚴格控制沖擊速度和沖擊次數(shù)，并從低速開始逐步增加沖擊速度，提高現(xiàn)場試驗安全性和接近實際運輸工況。

2 鐵路罐式集裝箱運輸沖擊試驗方法研究

沖擊試驗?zāi)M鐵路車站調(diào)車作業(yè)過程，采用單端連續(xù)沖擊的方式進行，以一輛具有一定速度的重車(沖擊車)向一輛停在平直線路上處于非制動狀態(tài)的試驗車(被沖擊車)沖撞，同時用測試設(shè)備等測量和記錄沖擊過程中速度、應(yīng)力等數(shù)據(jù)，以及罐式集裝箱完整狀況等。另用一輛或數(shù)輛處于制動狀態(tài)的車輛(阻擋車)或其他設(shè)備，停置于試驗車后面(非直接受沖擊的一端)，以限制沖擊后試驗車的移動距離，保證試驗安全。

2.1 試驗基本要求

（1）場地要求。試驗場地附近不能有強磁場、噪聲及振動等干擾，溫度、濕度等環(huán)境條件能夠滿足測試儀器、計量設(shè)備的要求。沖擊試驗區(qū)域內(nèi)無妨礙試驗進行的障礙物，并有安全防護措施。

（2）試驗設(shè)備要求。沖擊試驗線應(yīng)具備操縱和控制沖擊車產(chǎn)生沖擊動能的試驗裝備(含各種附屬設(shè)備)。沖擊車一般要求裝載70 t散裝貨物的70 t通用敞車。被沖擊車能承載被試集裝箱的集裝箱專用車或平集共用車。阻擋車一般為滿載的鐵路貨車2輛(車型無限制)。沖擊試驗各試驗車輛位置布置如圖1所示。

圖1 ?沖擊試驗各試驗車輛位置布置Fig.1 Locations of the test vehicles in impact tests

（3）測試儀器要求。沖擊試驗系統(tǒng)能在沖擊試驗中完成動態(tài)數(shù)據(jù)采集及處理，且采樣頻率不低于1 kHz；靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能完成罐式集裝箱靜態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試及箱重等數(shù)據(jù)采集處理；重量傳感器能將被試罐式集裝箱及試驗臺座重量信號轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可采集信號；測力車鉤能將沖擊過程中車鉤縱向力轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可采集信號；列車車速測試儀采集并記錄沖擊試驗中沖擊車通過固定點瞬間速度，測量范圍0 ～ 20 km/h；電阻應(yīng)變計能將沖擊過程中測點微變形轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可采集的電信號。

2.2 試驗測點布置

根據(jù)罐式集裝箱結(jié)構(gòu)形式差異，可依據(jù)按照罐式集裝箱設(shè)計圖紙建立有限元計算模型，對沖擊工況進行模擬，分析得出沖擊過程中罐式集裝箱結(jié)構(gòu)薄弱位置，確定應(yīng)力測點。其中應(yīng)重點關(guān)注以下位置：角柱與底角件連接處、沖擊端下端梁中部、下側(cè)梁靠近斜支撐處、裙圈與角柱連接處、裙圈與下端梁連接處。速度測點布置在被沖擊車車鉤前2 ～ 3 m處；車鉤力測點布置在被沖擊車車鉤上。

2.3 試驗測試方法

2.3.1 靜應(yīng)力測試方法

在結(jié)構(gòu)薄弱位置粘貼電阻式應(yīng)變計，用導(dǎo)線將各測點與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，組成完整的靜應(yīng)力測試系統(tǒng)。罐式集裝箱充填介質(zhì)至載重97%后采集各測點的應(yīng)力值，反復(fù)加載2次，2組數(shù)據(jù)取平均值，即為被試罐式集裝箱各測點的靜態(tài)應(yīng)力值。

2.3.2 沖擊過程測試方法

通過從高度溜放或者機車推送方式使沖擊車以一定速度沖擊試驗車。3 km/h速度預(yù)沖擊一次，確認車輛、設(shè)備工作正常后開始正式試驗。沖擊速度從5 km/h開始，每個速度沖擊2次，最高沖擊速度8 km/h。試驗車的車鉤沖擊力達到2 250 kN或沖擊瞬時速度達到8 km/h，以先達到者為準，則終止沖擊試驗。沖擊試驗過程中，被試罐式集裝箱出現(xiàn)明顯的屈服變形、焊縫開裂或其他結(jié)構(gòu)損壞，則中止沖擊試驗。沖擊過程中采集沖擊速度、車鉤力、應(yīng)力數(shù)據(jù)。

2.3.3 試驗結(jié)果評定

罐式集裝箱各測點的靜應(yīng)力與動應(yīng)力的合成應(yīng)力σ合成＝ σ沖擊+ σ靜載。其中，σ靜載為靜強度試驗時的垂向靜載荷下的應(yīng)力值；σ沖擊為沖擊力為2 250 kN或沖擊速度達到8 km/h時測點的應(yīng)力。達到試驗終止條件時，罐式集裝箱各測點的合成應(yīng)力值不大于所用材質(zhì)的第二工況許用應(yīng)力。

2.4 案例分析

以20 ft乙醇罐式集裝箱為例，根據(jù)設(shè)計圖紙，采用板殼單元建立有限元計算模型，進行必要簡化，如去掉扶梯、步道等，同時罐式集裝箱沖擊中無橫向慣性力作用，模型簡化為全模型的1/2。20 ft乙醇罐式集裝箱簡化計算模型如圖2所示。模型約束底角件，加載作用力分別為罐式集裝箱重力，罐體內(nèi)液體壓力，以及作用于罐式集裝箱端面縱向慣性力。20 ft乙醇罐式集裝箱模型有限元計算結(jié)果如圖3所示。

圖2 ?20?ft乙醇罐式集裝箱簡化計算模型Fig.2 Simplified calculation model of 20 ft ethanol tank container

根據(jù)有限元計算結(jié)果進行測點布置，應(yīng)力測點布置如圖4所示。

應(yīng)力測點布置完成，組成測試系統(tǒng)并調(diào)試完成后，將罐式集裝箱置于水平地面上(保證4個角柱承載)，不得傾斜和晃動。采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)置零，然后向罐式集裝箱內(nèi)注水至滿載，完成后靜置60 s，采集各測點的應(yīng)力值后卸載。靜載測試結(jié)果如表1所示。

靜載測試結(jié)束后，將滿載的罐式集裝箱吊裝至試驗車輛上，按照沖擊過程測試方法組織沖擊試驗，并嚴格監(jiān)控車鉤力和沖擊速度等試驗條件。20 ft乙醇罐式集裝箱共進行8次沖擊。沖擊試驗測試結(jié)果如表2所示，測試結(jié)果合成如表3所示。

由測試結(jié)果可見：在沖擊工況下，靠沖擊端立柱與角件連接位置應(yīng)力最大，理論計算達到302.2 MPa，試驗中實測為266.1 MPa；筒體裙圈與立柱連接位置理論計算152.0 MPa，試驗中實測138.7 MPa；筒體裙圈與底橫梁連接位置理論計算91.1 MPa，試驗中實測93.5 MPa?？紤]計算中流體與筒體耦合關(guān)系做了簡化，以及試驗中測點布置與理論計算點存在誤差，理論計算結(jié)果與沖擊速度8 km/h工況測試結(jié)果基本吻合。沖擊試驗結(jié)束后，被試罐式集裝箱外觀狀態(tài)良好，無變形現(xiàn)象，焊縫無開裂，所有測點合成應(yīng)力均小于材料許用應(yīng)力，被試罐式集裝箱結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求。

圖4 ?應(yīng)力測點布置圖Fig.4 Locations of stress test points

圖3 ?20?ft乙醇罐式集裝箱模型有限元計算結(jié)果Fig.3 Calculation results of finite element 20 ft ethanol tank container model

表1 ?靜載測試結(jié)果表? MPa Tab.1 Static load test results

表2 ?沖擊試驗測試結(jié)果表??Tab.2 Impact test results

?表 3?測試結(jié)果合成表? MPaTab.3 Table of static and impact test results

3 結(jié)束語

隨著我國鐵路集裝化運輸?shù)目焖侔l(fā)展和國家“一帶一路”倡議的推進，集裝箱運輸面臨著前所未有的發(fā)展契機，作為液體貨物運輸通用載具的罐式集裝箱作業(yè)效率、物流成本上的優(yōu)勢會越發(fā)顯現(xiàn)，逐步成為液體貨物運輸?shù)闹饕绞?。?guī)范罐式集裝箱沖擊試驗方法不僅有助于罐式集裝箱試驗統(tǒng)一條件和統(tǒng)一標準，確保測試結(jié)果準確可靠，為罐式集裝箱的設(shè)計和檢驗提供科學(xué)依據(jù)，提高鐵路罐式集裝箱整體質(zhì)量，切實保證罐式集裝箱鐵路運輸安全；同時提高我國鐵路罐式集裝箱技術(shù)和管理水平，提升國內(nèi)集裝箱企業(yè)在行業(yè)的話語權(quán)和競爭力。