粵海鐵路輪渡貨物運輸穩定性試驗研究

李可佳，陸 松，殷 濤，劉 飛

(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)

鐵路輪渡運輸是鐵路在水上延伸運輸的傳統模式，鐵路列車開進渡船，通過渡輪將水域與陸路的鐵路線連接起來，實現直達運輸。鐵路輪渡運輸采用滾動裝卸方式替代吊機裝卸方式，具有低碳優勢，可以避免鐵水聯運途中兩裝兩卸、效率低、周期長、損耗大、成本高等缺點[1]。全球的鐵路輪渡線主要集中在歐洲和北美地區，其中歐洲約占45%，北美約占30%，亞洲及南太平洋地區約占25%。我國有粵海鐵路輪渡、煙大鐵路輪渡和長江鐵路輪渡。粵海鐵路輪渡于2003年初投入運營，對海南的經濟發展和自貿港建設發揮了重要作用。根據《關于粵海火車輪渡、海南西環線海口南段開通運營及辦理貨物直通運輸的通知》(鐵運函[2003]47號)規定對平車、罐車等車型、敞車裝載的貨物高出端側墻等情況限制通過，在較大程度上限制了輪渡的運輸能力。近年來，隨著海南省經濟的發展，進出海南島貨物種類日益增多，對放開裝載車型限制有著強烈需求[2-3]。目前由于缺乏鐵路列車渡船設計能力下的實際航運測試數據，裝載技術條件不盡完善。因此，為最大限度解除目前對平車、罐車等車型的限制，充分釋放粵海鐵路輪渡鐵水聯運能力，需要開展粵海輪渡鐵路列車甲板貨車裝載技術條件理論及試驗研究。

1 粵海鐵路輪渡貨物運輸穩定性模型構建

鐵路列車在渡船甲板上有車鉤拉牽加固和千斤頂支撐，但由于船體振動、搖擺產生的慣性加速度和傾角會對車輛及所裝載貨物的穩定性造成影響。既有研究通過動力學仿真分析粵海鐵路輪渡運輸的安全性，但缺少試驗數據支撐[4-6]。特別是在6 ～ 8級風的臨界封港海況下航運時，渡船鐵路列車甲板加速度、搖擺角變化情況，以及鐵路列車所裝貨物的加速度、加固力都會影響貨物的穩定狀態。為充分驗證粵海鐵路輪渡貨物運輸的穩定性，需要通過測量貨物的加速度和傾斜角對其裝載加固效果進行校驗[7]。

1.1 穩定性影響因素

（1）慣性力。輪渡運輸與鐵路運輸對貨物產生慣性力的誘因不同。貨物在輪渡運輸途中所受的慣性力，主要源于船體的振動、搖擺和沖擊等因素[8]。發動機和螺旋槳的干擾力、波浪對船體的沖擊和舵力都會對貨物的振動和搖擺產生影響，振動和搖擺疊加后呈現正弦規律。渡船航行時沖擊主要由波浪拍擊船體導致，但波浪沖擊不影響船體搖擺的正弦規律。碰撞一般出現在船體靠岸時，但由于碰撞的偶然性較大，因此海運部門在校核貨物加固強度時不予考慮。在鐵路運輸中，粗糙的軌道軌面、軌道接點的不連續、車輪不平衡、踏面磨損均會造成貨物垂向振動，車輪輪緣在軌道上的橫向竄動會引起貨物橫向振動，列車起動、制動會給貨物提供縱向慣性力，垂向、橫向和縱向的慣性加速度疊加形成隨機振動。在甩掛、駝峰調車等工況下，列車會對貨物產生縱向沖擊力。

（2）搖擺頻率。船體在航行中的搖擺頻率遠小于鐵路車輛行駛中的振動頻率。以正常運行速度產生最大橫向加速度的工況為例，船體的最大橫向加速度一般發生在橫浪海況下，此時船的搖擺周期在4 ～ 12 s間；鐵路車輛的最大橫向加速度經常發生在“S”曲線或側向通過小號道岔時，其搖頭和側擺振動的周期在1/100 ～ 1/2 s間。因此，鐵路輪渡中貨物垂向、橫向和縱向慣性力最大值同時出現的概率比鐵路運輸大。

（3）慣性加速度。輪渡運輸時，單件貨物質量占整船質量的比重小，作用在貨物上的慣性加速度主要源于船舶的搖擺。由于船體在航行途中隨波浪沉浮，其俯仰和翻滾搖擺幅度相對較大，加上船體質量大、加速性能差，因此鐵路輪渡中垂向和橫向加速度大于縱向加速度，其中垂向加速度最大。然而，鐵路運輸中縱向加速度大于橫向和垂向加速度，是校核貨物裝載加固強度的主要參數。

（4）裝載位置。輪渡航行過程中，貨物垂向、橫向和縱向的慣性加速度值均與其裝載位置相關，與貨物本身的物理形狀無關。貨物離船體搖擺中心的距離越遠，其慣性加速度值越大。縱向和垂向加速度最大值出現在船艏、船艉或船舷最高堆裝處，橫向加速度最大值出現在船舯船舷處。而在鐵路運輸中，橫向與垂向加速度值與貨物在車上裝載位置的相關性較小，縱向加速度值與貨物位置無關。

1.2 穩定性模型構建

1.2.1 貨物橫向傾覆穩定性模型

在鐵路輪渡運輸過程中，船體翻滾對裝載的貨物產生橫向慣性力，船體俯仰對貨物產生垂向慣性力。支撐面為平面的貨物，其橫向慣性力、垂向慣性力以及重力沿支撐面水平方向分力均會形成貨物的橫向傾覆力矩，可能導致貨物橫向傾覆。鐵路輪渡車輛貨物橫向傾覆示意圖如圖1所示。圖中，b為貨物重心與傾覆點在支撐面水平方向上的距離；h為貨物重心距支撐面的距離；FZ為垂向慣性力；FX為橫向慣性力；G為貨物重力；θ為翻滾角。

圖1?鐵路輪渡車輛貨物橫向傾覆示意圖Fig.1 Transverse overturning of cargo on railway ferry

貨物重力相對于支撐面的垂向分力可以形成橫向穩定力矩，在不采取加固措施時，按力矩平衡原理計算出特殊海況條件下，貨物免于橫向傾覆的條件為

式中：η為貨物橫向傾覆安全系數；M穩定為貨物的橫向穩定力矩；M傾覆為貨物的橫向傾覆力矩；m為貨物質量；g為重力加速度；aX為貨物橫向加速度；aZ為貨物垂向加速度。

將公式 ⑵ 至 ⑹ 代入公式 ⑴，整理可得貨物免于橫向傾覆的條件即為

1.2.2 貨物橫向滑動模型

在不同風浪等級下的航行途中，船體的俯仰角、偏航角和翻滾角隨風浪實時變化，對不加固或進行簡易加固的貨物，船體的俯仰和翻滾可能導致貨物滑動。貨物重力的橫向分力由貨物自重及船體翻滾角θ決定，輪渡航行途中車輛所裝貨物的橫向滑動受力情況如圖2所示。圖中，N為車輛地板對貨物的支撐力；F摩擦為車輛地板對貨物的摩擦力。

圖2?輪渡航行途中車輛所裝貨物的橫向滑動受力情況Fig.2 Lateral sliding force of the cargo

貨物的穩定性(不滑動)條件為

式中：f為摩擦系數。

經過整理可以得到各種風浪等級下貨物穩定性(不滑動)判斷依據為

按照公式 ⑻ 至 ⑾ 對部分貨物在不同風浪下的受力情況進行計算，得到僅靠摩擦加固的貨物通過粵海鐵路輪渡時對風浪等級的適應性。貨物僅靠摩擦加固的風浪等級適應性如表1所示。

表1?貨物僅靠摩擦加固的風浪等級適應性Tab.1 Adaptability of goods to wind and waves only under friction condition

2 粵海鐵路輪渡貨物運輸穩定性試驗

以卷鋼和鐵路罐車為例，通過測試貨物在臨界封港海況下(6 ～ 8級風)航運時的姿態角和慣性加速度，監測貨物的相對位移和狀態變化情況，檢驗貨物的裝載加固效果。試驗用船為“粵海鐵2號”渡船，采用的實驗儀器設備包括數據采集系統、三向加速度傳感器、三向角度傳感器、壓力傳感器等，試驗線路為瓊州海峽鐵路通道海安南(北港)—海口(南港)間日常固定航運線路。粵海鐵路渡船為多功能滾裝船，船舶的穩定性高度受鐵路車輛、汽車、旅客甲板不同裝載組合的影響。穩定性高度增加，搖擺周期變小，搖擺幅度、角加速度變大。船舶總重心高度的變化會造成船體橫向和垂向加速度變化，但對垂向加速度的影響較小。

2.1 船體加速度和航姿測試

船體加速度傳感器布置在渡船鐵路列車甲板縱向中線及靠近1道的船艏、船舯、船艉處，船舶航行中的搖擺角度傳感器布置在1道中間加速度傳感器附近。根據航次的開航時間，截取相應時間段內的采集數據進行濾波分析，得到船體橫向加速度、垂向加速度和翻滾角的最大值。

航行過程中橫向加速度的原始數據極值為-0.142 g，中值濾波后的極值為-0.138 g，濾波后的船體橫向加速度基本在(-0.15 g，0.1 g)范圍內變化；船體停靠碼頭時船體的垂向加速度為1 g，航行過程中垂向加速度的原始數據極值為1.013 g，中值濾波后的極值為1.011 g，濾波后的船體垂向加速度基本在(0.975 g，1.015 g)范圍內變化，即相對垂向加速度的極值為0.011 g，變化范圍(-0.025 g，0.015 g)；船體停靠碼頭時翻滾角角度為2°，航行過程中翻滾角的原始數據極值為4.769°，中值濾波后的極值為4.7166°，濾波后的船體翻滾角基本在(0°，4.8°)范圍內變化。渡船船體在航行過程中姿態比較平穩，橫向和垂向加速度均較小。

2.2 敞車裝載卷鋼穩定性測試

2.2.1 卷鋼立裝

根據070301號裝載加固定型方案，采用60 t級敞車立裝2件卷鋼，每件卷鋼質量小于等于車輛標記載重量的1/2。2件卷鋼質量之差小于等于2 t，分別裝載在車輛兩端的枕梁上方。卷鋼與車地板之間加墊稻草墊，用雙股鋼絲繩或盤條對每件卷鋼以反又字拉牽加固，拴結于車側丁字鐵上，拉牽高度大于卷鋼板寬的1/2。

航行過程中，立裝卷鋼加速度如圖3所示。船體停靠碼頭時卷鋼的橫向加速度為0，航行過程中卷鋼橫向加速度的原始數據極值為-0.05 g，中值濾波后的極值為-0.044 g，濾波后的卷鋼橫向加速度基本在(-0.05 g，0.03 g）范圍內變化；船體停靠碼頭時卷鋼的垂向加速度是-1 g，航行過程中卷鋼垂向加速度的原始數據極值為-1.021 g，中值濾波后的極值為-1.007 g，即相對垂向加速度的極值為0.007 g，濾波后的卷鋼垂向加速度在(-1.01 g，-0.99 g)范圍內變化。立裝卷鋼的最大橫向、垂向加速度值均小于鐵路貨物裝載加固計算參考的加速度值，沒有發生橫向傾覆和滑動。

2.2.2 卷鋼臥裝

根據070316號裝載加固定型方案，采用凹形草支墊在70 t級通用敞車上臥裝3件卷鋼。1件卷鋼裝載在車輛中部，其重心落在車輛縱中心線與橫中心線的交叉點上。另外2件卷鋼分別裝載在車輛兩端的枕梁上方，2件卷鋼質量之差小于等于2 t。鋼護板固定在凹形草支墊端部，用6股盤條或雙股鋼絲繩緊固器在凹形草支墊端部高度的1/2處穿過鋼護板上的護繩圈，兜頭拉牽凹形草支墊。

航行過程中，臥裝卷鋼加速度如圖4所示。船體停靠碼頭時卷鋼的橫向加速度為-0.03 g，航行過程中卷鋼橫向加速度的原始數據極值為-0.043 g，中值濾波后的極值為-0.037 g，濾波后的卷鋼橫向加速度基本在(-0.04 g，-0.02 g)范圍內變化；船體停靠碼頭時卷鋼的垂向加速度為-1 g，航行過程中卷鋼垂向加速度的原始數據極值為-1.043 g，中值濾波后的極值為-1.02 g，即相對垂向加速度的極值為0.02 g，濾波后的卷鋼垂向加速度在(-1.02 g，-0.98 g)范圍內變化。臥裝卷鋼的最大橫向、垂向加速度值均小于鐵路貨物裝載加固計算參考的加速度值，沒有發生橫向傾覆和滑動。

2.3 罐車穩定性測試

圖3?立裝卷鋼加速度Fig.3 Acceleration of vertically-loaded coil steel

圖4?臥裝卷鋼加速度Fig.4 Acceleration of horizontally-loaded coil steel

渡船在航行途中，車輛縱向有車鉤拉牽加固，橫向有輪緣阻擋，因而車輛不會發生縱向和橫向滑動，因此僅對列車在極限狀態下的抗傾覆穩定性進行測試。為保證列車的穩定，采用垂直螺桿支撐器對其進行加固。在70 t級滿載罐車的左右兩側分別安裝1個加固力測試點，監測罐車與車體千斤頂之間的加固力在航行中的變化情況。壓力傳感器安裝在垂向螺桿支撐器和車體之間，垂向螺桿支撐器許用載荷200 kN。對采集到的測量數據進行分析處理可得，左側測點的加固力變化范圍在1 ～ 4.2 kN，右側測點的加固力變化范圍在0 ～ 7.5 kN。試驗初期，2個測點的加固力變化范圍很小，變化趨勢平緩。隨著試驗的進行，出現數次突變值，加固力值的最大變化幅度為7.5 kN。加固力值與預頂力100 kN之和，遠小于千斤頂的允許工作載荷200 kN。

罐車在輪渡過程中，罐車加速度如圖5所示。船體停靠碼頭時罐車的橫向加速度為-0.02 g，航行過程中罐車橫向加速度的原始數據極值為-0.042 g，中值濾波后的極值為-0.027 g，濾波后罐車的橫向加速度基本在(-0.03 g，-0.01 g)范圍內變化；船體停靠碼頭時罐車的垂向加速度是-1 g，航行過程中罐車垂向加速度的原始數據極值-0.923 g為突變值，中值濾波后的極值-1.013 g，即相對垂向加速度的極值為0.013 g，濾波后罐車的垂向加速度在(-1.02 g，-0.98 g)范圍內變化。罐車的最大橫向、垂向加速度值均小于鐵路貨物裝載加固計算參考的加速度值，沒有發生橫向傾覆。

3 研究結論

（1）渡船船體在航行過程中姿態比較平穩，橫向和垂向加速度均較小；卷鋼的各向加速度值均小于鐵路貨物裝載加固規則中計算相應的加速度值；罐車與甲板的加固力小于加固材料(裝置)許用力值。

（2）粵海鐵路輪渡貨物運輸穩定性測試驗證后貨物裝載狀態良好，沒有發生橫向傾覆、滑動等現象。

圖5?罐車加速度Fig.5 Tanker acceleration

（3）鐵路列車甲板上鐵路貨車及貨物裝載技術狀態優于陸上運行技術狀態，試驗研究結果為充分釋放粵海鐵路輪渡的運輸能力提供技術支撐。