某重型運(yùn)輸車鐵路運(yùn)輸加固方案優(yōu)化研究

文 / 汪慶雷 黃宏偉 高強(qiáng)

目前，貨物在陸地上進(jìn)行遠(yuǎn)距離運(yùn)輸通常采用鐵路和公路兩種方式，其中鐵路運(yùn)輸具有運(yùn)能大、速度快、安全性高、受天候季節(jié)影響小等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于大型設(shè)備或貨物，特別是數(shù)量較多時(shí)，通常采用鐵路方式進(jìn)行遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。我國(guó)鐵路運(yùn)輸貨物種類多樣，加固起來往往存在一定困難，而相對(duì)科學(xué)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(jìn)一步提升鐵路運(yùn)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(jìn)行鐵路運(yùn)輸前，轉(zhuǎn)載到鐵路運(yùn)輸車上的重型運(yùn)輸車需進(jìn)行加固，以確保重型運(yùn)輸車在運(yùn)輸過程中在鐵路車輛上保持原有位置，不發(fā)生竄動(dòng)、滾動(dòng)、傾覆等情況，圖1為某重型運(yùn)輸車加固方案。

針對(duì)該重型運(yùn)輸車的加固方案，用戶反映，重型運(yùn)輸車加固時(shí)存在操作時(shí)間長(zhǎng)、工作強(qiáng)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(shí)間長(zhǎng)、工作強(qiáng)度大、操作人員多等問題的直接原因如下：

圖1 某重型運(yùn)輸車鐵路運(yùn)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(qiáng)度大，加固時(shí)間長(zhǎng)；

（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(chǎng)制作和安裝，造成操作時(shí)間長(zhǎng)。

經(jīng)過對(duì)加固方案進(jìn)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(yàn)制定，未針對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)進(jìn)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(duì)特種車加固過程操作時(shí)間長(zhǎng)、工作強(qiáng)度大、操作人員多，無法滿足快速加固，實(shí)現(xiàn)快捷轉(zhuǎn)運(yùn)要求，迫切需要對(duì)重型運(yùn)輸車鐵路運(yùn)輸加固方案進(jìn)行優(yōu)化研究。

二、鐵路運(yùn)輸受力分析

1.鐵路車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

在鐵路運(yùn)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(yùn)輸車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化主要有縱向運(yùn)動(dòng)（連掛、啟動(dòng)、加速、制動(dòng)）、垂向運(yùn)動(dòng)（沉浮、點(diǎn)頭）、橫向運(yùn)動(dòng)（轉(zhuǎn)彎、搖頭、側(cè)擺）等。

2.重型運(yùn)輸車的受力情況

由于鐵路運(yùn)輸車輛行駛過程中存在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化，造成加固于鐵路運(yùn)輸車輛上的重型運(yùn)輸車受到運(yùn)動(dòng)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(fēng)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(yùn)輸車輛啟動(dòng)、加速、制動(dòng)、連掛等狀態(tài)變化造成，作用點(diǎn)位于重型運(yùn)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(yùn)輸車輛轉(zhuǎn)彎經(jīng)過曲線軌道時(shí)產(chǎn)生的離心力，作用點(diǎn)位于質(zhì)心，方向?yàn)檐壍烂娴乃椒较颉?/p>

（3）垂直慣性力

垂直慣性力主要由鐵路運(yùn)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(yùn)用造成，作用點(diǎn)位于質(zhì)心，方向?yàn)榇怪狈较颉?/p>

（4）風(fēng)力

風(fēng)力主要由空氣流動(dòng)產(chǎn)生，作為鐵路運(yùn)輸車輛運(yùn)輸時(shí)非單一貨物，縱向風(fēng)力由前方貨物平衡，故僅考慮與橫向風(fēng)力。

（5）摩擦力

摩擦力主要由重型運(yùn)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(yùn)輸車合力的反向，作用點(diǎn)位于重型運(yùn)輸車輪胎與鐵路運(yùn)輸車輛地板的接觸面。

3.重型運(yùn)輸車受力計(jì)算

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

（1）縱向慣性力

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

經(jīng)計(jì)算，T = 481(kN)

式中，t0—每噸重型運(yùn)輸車的縱向慣性力，kN/t；

Q總—重型運(yùn)輸車與鐵路平板總重量，48.4t；

Q —重型運(yùn)輸車重量，28t。

（2）橫向慣性力

經(jīng)計(jì)算，N = 79(kN)

式中，n0—每噸重型運(yùn)輸車的橫向慣性力，kN/t；

Q —重型運(yùn)輸車重量，28t；

a—重型運(yùn)輸車重心偏離車輛橫中心線的距離，24mm；

l—鐵路運(yùn)輸車轉(zhuǎn)向架中心距，9000mm。

（3）垂直慣性力

經(jīng)計(jì)算,Q垂= 99(kN)

式中參數(shù)同上。

（4）風(fēng)力

式中， q —側(cè)向計(jì)算風(fēng)壓。受風(fēng)面為平面時(shí)， 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(fēng)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(yùn)輸車穩(wěn)定性判定

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

（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(yùn)輸車重量，28t；

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

b—重型運(yùn)輸車重心所在縱向垂直平面與貨物傾覆點(diǎn)之間的距離，1280mm；

T—重型運(yùn)輸車的縱向慣性力，488kN；

N—重型運(yùn)輸車的橫向慣性力，79kN；

h—重型運(yùn)輸車重心自傾覆點(diǎn)所在水平面起算的高度，1159mm；

W—作用于貨物上的風(fēng)力，20kN；

h風(fēng)—風(fēng)力合力作用點(diǎn)自傾覆點(diǎn)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(yùn)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(duì)傾覆性，重型運(yùn)輸車無需采取加固措施。

（2）水平移動(dòng)的穩(wěn)定性判定

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

縱向水平移動(dòng)的穩(wěn)定性：

橫向水平移動(dòng)的穩(wěn)定性：

經(jīng)查閱相關(guān)資料，若重型運(yùn)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(dòng)；若貨物橫向慣性力與風(fēng)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(dòng)。

通過水平移動(dòng)的穩(wěn)定性計(jì)算，重型運(yùn)輸車不滿足縱向和橫向水平移動(dòng)的穩(wěn)定性條件，需進(jìn)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(yùn)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(yùn)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(shí)間的主要原因?yàn)椋?/p>

（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(qiáng)度大，例如：需要使用抓釘對(duì)掩擋和鐵路車輛平板進(jìn)行人工強(qiáng)力楔入。

四、加固方案優(yōu)化

1.原加固方案分析

通過重型運(yùn)輸車鐵路運(yùn)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(dòng)穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)，因此通過采取加固措施限制重型運(yùn)輸車水平移動(dòng)。

經(jīng)調(diào)研，鐵路運(yùn)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(dāng)重型運(yùn)輸車縱向水平移動(dòng)（向前或向后）時(shí)，由掩擋對(duì)重型運(yùn)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(yùn)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(yuǎn)大于橫向慣性力與風(fēng)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(jì)算可知，重型運(yùn)輸車垂向慣性力99kN遠(yuǎn)小于重型運(yùn)輸車重，垂向是穩(wěn)定的，重型運(yùn)輸車無垂向跳動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)；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(jìn)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(yùn)輸車緊固在鐵路車輛上的加固方式，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況操作，必要時(shí)還需現(xiàn)場(chǎng)制作牽拉繩，操作較復(fù)雜、加固強(qiáng)度大、耗時(shí)長(zhǎng)；經(jīng)調(diào)研，采用緊線器加固方式簡(jiǎn)單、輕便，可直接使用緊線器將重型運(yùn)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(yàn)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(yàn)證

按照新型加固方案進(jìn)行加固情況驗(yàn)證，驗(yàn)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(duì)某重型運(yùn)輸車在鐵路運(yùn)輸加固過程中，存在的操作人員多、加固時(shí)間長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，本文結(jié)合某重型運(yùn)輸車技術(shù)參數(shù)，提出了一種鐵路運(yùn)輸加固的受力計(jì)算方法，給出了穩(wěn)定性判據(jù)方法；根據(jù)受力計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行了加固時(shí)間驗(yàn)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(yùn)輸車的快捷轉(zhuǎn)運(yùn)要求。