我國鐵路小型集裝箱技術研究

陸 松，丁文贏，張 輝

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 運輸及經濟研究所，北京 100081)

隨著我國鐵路快捷貨運的發展，先后開發了以最高運行速度為160 km/h特快貨物班列、最高運行速度120 km/h快速貨物班列、中歐(中亞)快速集裝箱班列為主的系列快捷貨運產品[1]，鐵路高附加值產品運輸在貨運量中所占比例不斷提高[2-3]，具有“多品種、小批量、多批次、短周期”的運輸特點[4]，為鐵路快捷貨運集裝化器具運用奠定基礎[5]。目前，鐵路集裝化器具存在種類較多、標準不統一、兼容性不夠等缺點[6]，根據我國鐵路快捷貨運特點，考慮我國鐵路裝卸設備條件、載運車輛條件、場站條件、運輸安全等多種因素，主要開展1.5 t小型集裝箱技術研究。

1 鐵路小型集裝箱基本技術要求

（1）小型集裝箱主要用于裝載價值高、運輸時效性高的快運貨物，為確保貨物運輸安全，應具備一定的結構強度、剛度，并有良好的密封性，防止因雨水等產生的貨損。

（2）快運貨物具備批次多、批量少的特點，裝載用小型集裝箱不需要設計的太大、太重[7]，應適應現有鐵路站場常規配置的叉車等裝卸設備作業能力，因而總重設計為不超過2 t。

（3）我國地域遼闊，鐵路網已覆蓋全國大部分地區，據項目組前期測試研究[8]，棚車內最高溫度可達66℃，冬季測得最低溫度-21℃。因此，運輸貨物的裝載器具應滿足相應的環境要求，參考20 ft 35 t敞頂箱等研究經驗，采用小型集裝箱應滿足在-40℃至80℃環境溫度范圍內使用要求。

（4）經大量調研并廣泛征求使用單位和生產企業意見，小型集裝箱堆碼能力應設計為在鐵路棚車等鐵路車輛或公路汽車內堆碼2層，在貨場內堆碼3層。

（5）為降低制造成本、方便采購，在保證集裝箱強度和使用壽命的前提下，小型集裝箱主要部件應采用集裝箱行業應用比較成熟的材料。

（6）小型集裝箱主要部件應采用波紋板結構，并對箱體結構進行優化設計，以減少小型箱自重，增大小型箱的容積。

2 鐵路小型集裝箱主要結構與技術參數

小型集裝箱主要裝載于既有鐵路快運棚車內，影響小型集裝箱外形尺寸的最主要參數是快運棚車寬度。經調研，鐵路快運棚車內寬、內高多大于2 800 mm，綜合鐵路車輛內部結構特點及叉車等裝卸設備在車廂內作業便捷性，小型集裝箱寬度不超過1 300 mm，為實現鐵路車廂內堆碼2層目標，高度不超過1 300 mm。基于以上基本技術要求，項目組提出1.5 t小型集裝箱設計方案，主要技術參數如表1所示。

表1 1.5 t小型集裝箱主要技術參數Tab.1 Principal parameters of the 1.5 t small containers

1.5 t小型集裝箱主要由底架、前端、側墻、門端和頂部組成，1.5 t小型集裝箱結構示意圖如圖1所示。

圖1 1.5 t小型集裝箱結構示意圖Fig.1 Structure of the 1.5 t small containers

（1）底架結構。底架由底側梁，底橫梁、底縱梁、鋼地板以及支座組焊而成。底橫梁和底縱梁采用井字型結構，底架上焊有4個支座，分別位于底部的四角，起支撐箱體堆碼時定位作用。支座尺寸及組裝位置滿足叉車、液壓搬運車四向進叉作業要求。

（2）前端、側墻結構。前端、側墻均由壓型波紋板焊接而成，在減輕自重的情況下保證箱體剛度和強度。角柱上方設有堆碼板，堆碼板帶有導向限位，與底部支座相對應，便于上層箱的堆疊，滿足鐵路貨車和公路卡車運輸時滿載雙層堆碼或在貨場滿載3層堆碼的作業要求。

（3）箱頂結構。箱頂由壓型盲波板并焊于楣板(梁)、頂側梁之上，波紋板具有一定的拱度以利于排水。為了實現集裝箱堆碼功能，箱頂采用整體折壓的回字形凸起結構，四周為平臺。在集裝箱堆碼時，上部集裝箱支座落入下部集裝箱頂的回字形平臺上，集裝箱箱頂凸起的豎邊，可對上部集裝箱落裝起導向和定位作用，即能保證支座順利落入回字形平臺，又可限制上部集裝箱的竄動。

（4）門端結構。門端由門框和左、右門扇組成，門扇通過鉸鏈銷安裝在門框上，可以轉動約270°，保證箱門開閉靈活并密封良好。

3 鐵路小型集裝箱結構強度仿真計算

參照GB/T 18832《箱式、立柱式托盤》、中國船級社《集裝箱檢驗規范》相關要求，確定1.5 t小型集裝箱結構強度仿真計算工況表如表2所示。

表2 1.5 t小型集裝箱結構強度仿真計算工況表Tab.2 Simulative calculated working conditions of of the 1.5 t small containers

采用SolidWorks Simulation軟件對結構強度進行有限元分析，采用基于曲率的網格劃分方式，建立箱體模型，共有單元45 938個，節點88 941個。箱體有限元計算模型如圖2所示。

圖2 箱體有限元計算模型Fig.2 Finite element calculation model of the container structure

仿真計算結果顯示:箱體前端內側施加均布載荷0.6P時，箱體最大應力值143.99 MPa，最大變形量1.91 mm；箱體側壁內側施加均布載荷0.6P時，最大應力值114.21 MPa，最大變形量2.3 mm；模擬叉舉計算最大應力值22.93 MPa，最大變形量0.24 mm；箱體頂板中部施加均布載荷300 kg，最大應力值220.41 MPa，最大變形量2.26 mm；模擬堆碼仿真計算最大應力值137.26 MPa，最大變形量2.07 mm。

以上計算最大應力值為220.41 MPa，出現在箱體頂部，小于箱體所用材料SPA-H的第二工況許用應力值301 MPa。小型集裝箱部分仿真計算結果如圖3所示。

4 試驗研究

項目組先后完成了1.5 t小型集裝箱設計、樣箱制造等工作，參照集裝箱試驗方法，項目組對新造1.5 t小型集裝箱進行了堆碼、叉舉試驗，側墻、端墻、頂部加載試驗和風雨密試驗，以驗證1.5 t小型集裝箱的使用性能，研究小型集裝箱在使用過程中可能的損壞因素，為制定小型集裝箱的維修管理辦法提供基礎試驗數據。

（1）堆碼試驗。小型集裝箱放在水平地面上，箱內按1.8R-T載荷要求配載2 520 kg，箱頂加載4 000 kg，滿足每個角柱承載1 000 kg的要求，橫向、縱向分別偏置25.4 mm，38 mm，持續5 min，試驗滿載的小型集裝箱在運輸條件下，在箱垛中出現偏碼時的承載能力。

（2）叉舉試驗。小型集裝箱箱內按1.6R-T配載2 220 kg，試驗采用叉車從箱底四向進叉叉舉，持續5 min，試驗滿載的小型集裝箱在搬運條件下，箱體底架的承載能力。

（3）箱頂試驗。小型集裝箱箱頂件配載300 kg，載荷均勻分布600 mm×300 mm面積上，持續5 min，試驗小型集裝箱承受人員在箱頂作業時所產生載荷的能力。

（4）堆碼水平強度試驗。2個小型集裝箱分別滿載，在上層小型箱長度和寬度方向上的支座處，施加水平外力2 940 N，各持續5 min，試驗滿載的小型集裝箱在疊裝運輸條件下，在箱垛中承載水平外力的能力。

（5）側墻強度試驗。箱內按0.6P配載792 kg，載荷均勻分布在一邊側壁上，持續5 min，測試側壁及側梁自由變形量，試驗小型集裝箱在鐵路運輸動載荷情況下，側墻的承載能力。

（6）端部強度試驗。在箱內配載按0.6P配載792 kg，載荷均勻分布在要測試的一端，持續5 min，測試該端結構自由變形量，試驗小型集裝箱在鐵路運輸動載荷情況下，前端和門端的承載能力。

（7）風雨密試驗。向1.5 t小型集裝箱外表面各個連接處和接縫噴水，噴嘴的內徑為12.5 mm，出口壓力為100 kPa (相當于10 m高的水柱)，噴嘴距離試驗箱1.5 m，水流以100 mm/s的速度橫貫集裝箱，持續5 min，試驗小型集裝箱密封情況。

（8）試驗結果分析。試驗內容及試驗結果如表3所示。按照小型集裝箱堆碼、叉舉等使用工況對新造樣箱進行試驗，各工況最大變形值均較小，最大變形出現在堆碼和門端試驗中，最大值2 mm，小于集裝箱常用的試驗后變形值(因部件不同最大允許變形值3 ～ 7 mm之間)，也與仿真計算最大變形量2.3 mm接近。

對小型集裝箱使用情況大量調研發現，由于小型集裝箱使用了與標箱相同的制造材料，并且材料厚度相同，而小型集裝箱體積較標箱更小，承載能力及承受外部碰撞等損傷能力更強，在用的小型集裝箱因損壞引起修理的比例很少。

圖3 小型集裝箱部分仿真計算結果Fig.3 Some simulative calculated results of the small container

表3 試驗內容及試驗結果Tab.3 Test contents and results

5 結束語

隨著國家產業結構調整、經濟轉型升級，以快捷貨物為主的社會物流需求越來越多，對鐵路集裝化運輸提出更高要求。研究基于快運貨物運輸時效性強、運輸質量要求高、批次多、批量少的特點，結合鐵路裝卸設備現狀，提出適應鐵路快運貨物運輸的小型集裝箱設計基本技術要求，并研制1.5 t鐵路小型集裝箱。以1.5 t鐵路小型集裝箱為主的系列小型集裝箱的推廣應用，解決了快運貨物兩端配送裝卸問題，實現了快運貨物快裝快卸和運輸安全，目前1.5 t小型集裝箱已投入運用10萬只，裝箱數108.99萬只，有力地推動了鐵路快運貨物運輸市場發展[9]。