某重型運輸車鐵路運輸加固方案優(yōu)化研究

文 / 汪慶雷 黃宏偉 高強

目前，貨物在陸地上進行遠距離運輸通常采用鐵路和公路兩種方式，其中鐵路運輸具有運能大、速度快、安全性高、受天候季節(jié)影響小等優(yōu)勢，對于大型設(shè)備或貨物，特別是數(shù)量較多時，通常采用鐵路方式進行遠距離運輸。我國鐵路運輸貨物種類多樣，加固起來往往存在一定困難，而相對科學合理的加固方案及方法，不僅可以大大提升工作質(zhì)量以和效率，也有助于進一步提升鐵路運輸服務(wù)質(zhì)量和安全性[1]。

一、原有加固方案的問題分析

在進行鐵路運輸前，轉(zhuǎn)載到鐵路運輸車上的重型運輸車需進行加固，以確保重型運輸車在運輸過程中在鐵路車輛上保持原有位置，不發(fā)生竄動、滾動、傾覆等情況，圖1為某重型運輸車加固方案。

針對該重型運輸車的加固方案，用戶反映，重型運輸車加固時存在操作時間長、工作強度大、操作人員多等問題，具體情況如表1所示。

經(jīng)調(diào)研，引起加固操作時間長、工作強度大、操作人員多等問題的直接原因如下：

圖1 某重型運輸車鐵路運輸加固方案

（1）掩擋采用三角木形式，使用抓釘將三角木和鐵路車輛人工楔入固連，造成工作強度大，加固時間長；

（2）使用加固材料多，造成操作人員配備較多；

（3）牽拉繩現(xiàn)場制作和安裝，造成操作時間長。

經(jīng)過對加固方案進行梳理和分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行方案主要存在兩方面問題：

一是，加固方案沿襲經(jīng)驗制定，未針對鐵路運輸?shù)奶攸c進行加固受力分析，制定方便快捷加固方案；

二是，不合理的方案造成加固材料多，加固方式復(fù)雜。

因此，針對特種車加固過程操作時間長、工作強度大、操作人員多，無法滿足快速加固，實現(xiàn)快捷轉(zhuǎn)運要求，迫切需要對重型運輸車鐵路運輸加固方案進行優(yōu)化研究。

二、鐵路運輸受力分析

1.鐵路車輛運動狀態(tài)

在鐵路運輸車輛行駛過程中，由于軌道、地形、速度、車輛連掛等因素影響，鐵路運輸車輛運動狀態(tài)變化主要有縱向運動（連掛、啟動、加速、制動）、垂向運動（沉浮、點頭）、橫向運動（轉(zhuǎn)彎、搖頭、側(cè)擺）等。

2.重型運輸車的受力情況

由于鐵路運輸車輛行駛過程中存在運動狀態(tài)變化，造成加固于鐵路運輸車輛上的重型運輸車受到運動狀態(tài)變化引起的力的作用，作用力主要由縱向慣性力、橫向慣性力、垂直慣性力、風力以及摩擦力等組成[2]。

（1）縱向慣性力

縱向慣性力主要由鐵路運輸車輛啟動、加速、制動、連掛等狀態(tài)變化造成，作用點位于重型運輸車的質(zhì)心，方向與線路中心線平行或相切，力的大小由縱向加速度大小而定。

（2）橫向慣性力

橫向慣性力主要由鐵路運輸車輛轉(zhuǎn)彎經(jīng)過曲線軌道時產(chǎn)生的離心力，作用點位于質(zhì)心，方向為軌道面的水平方向。

（3）垂直慣性力

垂直慣性力主要由鐵路運輸車輛經(jīng)軌道接縫處、線路下沉處以及鐵路車輛彈簧的沉浮運用造成，作用點位于質(zhì)心，方向為垂直方向。

（4）風力

風力主要由空氣流動產(chǎn)生，作為鐵路運輸車輛運輸時非單一貨物，縱向風力由前方貨物平衡，故僅考慮與橫向風力。

（5）摩擦力

摩擦力主要由重型運輸車輪胎與鐵路車輛地板之間的摩擦造成，方向與作用在重型運輸車合力的反向，作用點位于重型運輸車輪胎與鐵路運輸車輛地板的接觸面。

3.重型運輸車受力計算

結(jié)合某型重型運輸車外形尺寸，選用鐵路車輛為鐵路平車（N17）進行裝載；另外，按照通常鐵路車輛的運輸條件（最大運輸不大于120km/h，調(diào)車連掛速度不大于5km/h），對重型運輸車的受力進行計算。

（1）縱向慣性力

經(jīng)查閱資料，重型運輸車采用鋼絲繩等柔性材料加固，縱向慣性力計算如下：

經(jīng)計算，T = 481(kN)

式中，t0—每噸重型運輸車的縱向慣性力，kN/t；

Q總—重型運輸車與鐵路平板總重量，48.4t；

Q —重型運輸車重量，28t。

（2）橫向慣性力

經(jīng)計算，N = 79(kN)

式中，n0—每噸重型運輸車的橫向慣性力，kN/t；

Q —重型運輸車重量，28t；

a—重型運輸車重心偏離車輛橫中心線的距離，24mm；

l—鐵路運輸車轉(zhuǎn)向架中心距，9000mm。

（3）垂直慣性力

經(jīng)計算,Q垂= 99(kN)

式中參數(shù)同上。

（4）風力

式中， q —側(cè)向計算風壓。受風面為平面時， q =0.49kN/m2；

表2 鐵路貨物常用摩擦系數(shù)u表

F—側(cè)向迎風面的投影面積，40m2。

（5）摩擦力

摩擦力由縱向摩擦力和橫向摩擦力組成。

縱向摩擦力：

式中，Q后二橋軸核——3、4橋軸核，12t

橫向摩擦力：

式中，μ —摩擦系數(shù)，參考表2取值0.63。

其他式中參數(shù)同上。

4.重型運輸車穩(wěn)定性判定

重型運輸車在鐵路運輸車輛上欲保證穩(wěn)定，應(yīng)進行穩(wěn)定性判定。經(jīng)查閱相關(guān)資料，重型運輸車的穩(wěn)定性判定由傾覆性判定和水平移動判定組成，若存在不穩(wěn)定性風險，應(yīng)通過加固措施限制重型運輸車的縱向和橫向的移動。

（1）傾覆的穩(wěn)定性判定

傾覆的穩(wěn)定性由縱向傾覆縱向傾覆穩(wěn)定性和橫向傾覆穩(wěn)定性組成[3]。

縱向傾覆穩(wěn)定性：

橫向傾覆穩(wěn)定性：

式中：Q —重型運輸車重量，28t；

a—重型運輸車重心所在橫向垂直平面與重型運輸車傾覆點之間的距離，3567mm；

b—重型運輸車重心所在縱向垂直平面與貨物傾覆點之間的距離，1280mm；

T—重型運輸車的縱向慣性力，488kN；

N—重型運輸車的橫向慣性力，79kN；

h—重型運輸車重心自傾覆點所在水平面起算的高度，1159mm；

W—作用于貨物上的風力，20kN；

h風—風力合力作用點自傾覆點所在水平面起算的高度，1050mm。

經(jīng)查閱相關(guān)資料，若縱向及橫向傾覆穩(wěn)定系數(shù)大于1.25，重型運輸車傾覆性是穩(wěn)定的，由于縱向和橫向傾覆穩(wěn)定性系數(shù)（1.73、3.1）均大于1.25，因此針對傾覆性，重型運輸車無需采取加固措施。

（2）水平移動的穩(wěn)定性判定

水平移動的穩(wěn)定性由縱向水平移動的穩(wěn)定性和橫向水平移動的穩(wěn)定性組成。

縱向水平移動的穩(wěn)定性：

橫向水平移動的穩(wěn)定性：

經(jīng)查閱相關(guān)資料，若重型運輸車的縱向慣性力大于縱向摩擦力將產(chǎn)生縱向水平移動；若貨物橫向慣性力與風力之和的1.25倍摩大于擦橫向摩擦力，將產(chǎn)生橫向水平移動。

通過水平移動的穩(wěn)定性計算，重型運輸車不滿足縱向和橫向水平移動的穩(wěn)定性條件，需進行縱向和橫向加固。

三、加固方式與材料分析

1.加固方式和加固材料

原加固方式為：

（1）掩擋分別位于所有車輪前后端和內(nèi)側(cè)，采用人工楔入方式，使抓釘兩端固連鐵路運輸車輛和掩擋；

（2）拉牽繩兩端采用拉牽繩拉鉤連接鐵路車輛和重型運輸車。

原加固材料，如表3所示[4]。

2.加固方式和加固材料分析

通過加固方式和加固材料可以看出，影響加固時間的主要原因為：

（1）加固材料使用數(shù)量多，例如：掩擋和牽拉繩；

（2）加固方法復(fù)雜，例如：牽拉繩拉鉤需兩端連接并緊固；

（3）工作強度大，例如：需要使用抓釘對掩擋和鐵路車輛平板進行人工強力楔入。

四、加固方案優(yōu)化

1.原加固方案分析

通過重型運輸車鐵路運輸受力分析，在無任何加固措施情況下，僅存在縱向和橫向水平移動穩(wěn)定性風險，因此通過采取加固措施限制重型運輸車水平移動。

經(jīng)調(diào)研，鐵路運輸加固措施通常采用拉牽繩與掩擋方式。

按照原加固方式，當重型運輸車縱向水平移動（向前或向后）時，由掩擋對重型運輸車產(chǎn)生的縱向水平外力為：

式中，F(xiàn)外縱—縱向水平外力，kN；

a—掩擋角度，60°；

其他參數(shù)同上。

由掩擋重型運輸車產(chǎn)生的橫向水平外力為：

圖2 緊線器

表3 加固材料匯總表

式中，F(xiàn)外縱—橫向水平外力，kN；

其他參數(shù)同上。

2.方案及加固材料優(yōu)化

（1）方案優(yōu)化

由原加固方案分析數(shù)據(jù)可知，由于掩擋提供的縱向水平外力（536kN）大于縱向慣性力（481kN），因此通過掩擋即可滿足加固要求。

由于掩擋提供的橫向水平外力（164.6kN）遠大于橫向慣性力與風力之和與橫向摩擦力的差值（18kN），因此原加固方案橫向掩擋是富裕的，可大幅減少；為保持可靠性，經(jīng)核算，為方便加固，橫向可取消二三橋的掩擋。

通過上文中“垂直慣性力”部分的計算可知，重型運輸車垂向慣性力99kN遠小于重型運輸車重，垂向是穩(wěn)定的，重型運輸車無垂向跳動風險；為提高加固可靠性，使用前后各兩條牽拉繩按照向外45°狀態(tài)進行加固，以平衡垂向、橫向、縱向作用力。

（2）加固材料優(yōu)化

經(jīng)調(diào)研，使用牽拉繩拉鉤將兩根牽拉繩使重型運輸車緊固在鐵路車輛上的加固方式，需要根據(jù)現(xiàn)場情況操作，必要時還需現(xiàn)場制作牽拉繩，操作較復(fù)雜、加固強度大、耗時長；經(jīng)調(diào)研，采用緊線器加固方式簡單、輕便，可直接使用緊線器將重型運輸車快速加固在鐵路車輛上，緊線器如圖2所示。

圖3 新型加固方案

表4 新型加固方案加固材料數(shù)量

表5 優(yōu)化前后的加固方案驗證情況

3.新型加固方案及加固材料

（1）新型加固方案

經(jīng)過加固方案的優(yōu)化，形成新型加固方案，如圖3所示。

（2）新型加固方案加固材料及數(shù)量

新型加固方案加固材料及數(shù)量，如表4所示。

五、加固情況驗證

按照新型加固方案進行加固情況驗證，驗證情況如表5所示。

通過表5看出，新型加固方案相比原加固方案，其加固和解綁效率提高了78%。

六、結(jié)論

針對某重型運輸車在鐵路運輸加固過程中，存在的操作人員多、加固時間長、勞動強度大等問題，本文結(jié)合某重型運輸車技術(shù)參數(shù)，提出了一種鐵路運輸加固的受力計算方法，給出了穩(wěn)定性判據(jù)方法；根據(jù)受力計算數(shù)據(jù)進行了加固方案、加固材料和加固方式的優(yōu)化，提出了一種新型加固方案，并進行了加固時間驗證，優(yōu)化后新型加固方案可有效解決問題，使加固效率提高了78%，滿足了重型運輸車的快捷轉(zhuǎn)運要求。