特种装备铁路装运方案设计

2015-05-09孙跃坤唐宏伟鲍平鑫

军事交通学院学报 2015年7期

孙跃坤，唐宏伟，鲍平鑫，郑旭

(1.军事交通学院联合投送系，天津300161;2.总后勤部军事交通运输部，北京100842)

特种装备是指用于作战和保障作战及其他军事行动，具有信息化、一体化、大型化特征，且对军事运输有特殊要求、需要重点防护的武器系统、电子信息系统和技术设备［1］。特种装备铁路运输方案设计复杂，涉及装备的安全性分析、模拟仿真、试验验证、运输环境设计、加固技术运用等诸多方面内容。目前，一些装备主管部门在装备运输性要求上观念淡薄，下达装备研制任务只提运用指标，不提运输要求;一些设计研发单位对装备运输性要求不清楚，对相关的国标和行标不了解，加之国家军用标准在装备运输性管理方面与铁道行业标准存在一定差异，影响装备的铁路运输组织以及部队的列装列配，从而制约战斗力的快速形成。基于 GJB 3008A—2004《铁路军事运输装载标准——装载加固基本要求》、铁运〔2006〕161号《铁路货物装载加固规则》、铁运〔2007〕62号《铁路超限超重货物运输规则》、GJB5733—2006《军事装备运输性基本要求》等要求，结合近几年来特种装备铁路军事运输装运方案编制实践，提出特种装备铁路装运方案基本构架和编制要求，对于规范特种装备装运方案编制，增加在特种装备研制过程中贯彻运输性要求的主动性，并快速形成保障能力具有重要意义。

1 特种装备装运方案基本构架

特种装备具有信息化水平高、危险程度高、运输要求高、组织保障复杂等特点，编制特种装备铁路装运方案，应包括以下5项内容。

1.1 铁路装运方案

装运方案涉及特种装备铁路运输属性与运输要求界定、安全责任区分、装卸载注意事项、组织管理要求、试运组织基本条件以及车型选用、装载方法、加固要求等内容。它是在安全综合分析、装载加固方案、运输组织及应急保障预案确定后，综合提炼出的结论性内容，需要在运输组织过程中进行全面贯彻落实。

1.2 综合分析报告

综合分析报告主要包括企业资质、装备战技指标适应性分析、火工品铁路运输危险性分析、装备运输强度安全性分析等内容。危险性安全分析主要包括火工品的理化特性、组成结构、电磁干扰、环境试验结果等内容;强度安全分析包括设计原理、运输试验验证、模拟仿真或数据计算等内容，涵盖主体结构、运输包装、内外部连接部件等方面。

1.3 装载加固方案

装载加固方案主要包括装备规格、准用货车、加固材料、加固装置、装载方法、加固方法、其他要求和附件等内容。主要是根据装备在铁路运输过程中的温度、湿度、震动、电磁环境适应性和车种车型适应性，选择装载方式，制订配载方案，确定运行条件，计算加固强度，挑选加固器材，明确加固方法，设计装载加固方案。

1.4 运输组织及应急保障预案

运输组织主要包括发到场地条件、车辆挑选及安全措施、装卸作业组织、连挂方式、编组隔离和调车作业、运行组织、押运工作等，应急保障预案包括组织措施、应急处置、应急保障器材、应急措施和后期处理等。该部分是结合相关规章制度和运输组织工作实际，对运输组织重点事项和关键问题的细化。

1.5 相关资料

主要是指能够对装备铁路运输安全起到支撑、证明作用的材料，以及相关试验报告、试验证明等资料，且不便在上述4项内容说明的可作为相关资料，对装备铁路运输安全性起到支撑性作用。

2 特种装备运输环境因素

特种装备铁路运输安全涉及气候环境、机械环境、化学性物资、机械活性物质、生物环境等因素的影响。在铁路运输过程中主要考虑气候环境和机械环境两个方面。

2.1 气候环境

气候环境条件主要根据我国范围内可能遇到的气候情况及载运工具内的微气候情况综合确定。铁路运输过程中，对气候环境诸要素中影响较大且最为关注的是温度环境，即特种装备的运输温度环境问题，它主要是由特种装备的本身结构形式、运输包装特点、使用载运工具类型、运输组织方式和所经由地区温度环境极值等综合确定。

在全国671个测站中，我国的高温记录极值为47.7℃，加之夏天太阳直接辐射导致封闭舱室内附加升温，所以国军标将70℃作为铁路运输环境温度最高值;我国的低温记录极值为－52.3℃，时间风险率为1%的低气温全国工作极值为－48.8℃，所以国军标将－50℃作为铁路运输环境温度最低值［2］。由于铁路线路走向与气象测站有一定的距离，加之特种装备在封闭舱室内附加升温，故将－40℃作为铁路运输环境温度最低值。

特种装备的运输温度环境指标不能满足上述温度极值要求的，铁路运输时段、运输区域将会受到一定限制，以保障运输安全和产品性能稳定。

2.2 机械环境

铁路运输机械环境包括运输振动、运输冲击两个方面。由于轨道的不均匀或粗糙，轨道接点的不连续，车轮不圆整或不平衡等因素均能引起载运工具的垂向振动;由于列车起动、制动、调车等作业以及通过道岔和曲线路段，能造成对载运工具的纵向和横向冲击，并作用于特种装备上，共同构成了装备运输的机械环境。不同的军事装备物资，国家军用标准的要求大不相同，与目前铁路执行的标准也存在一定的差异。因此，按照列车运行速度不大于120 km/h、调车连挂速度不大于5 km/h的运行环境条件，以及装载位置情况，确定特种装备运输受力环境比较科学。

(1)纵向惯性力。纵向惯性力的大小由特种装备自身质量、列车制动时运行速度或者调车作业时冲击速度大小等情况综合决定，影响特种装备铁路运输过程中纵向的稳定性，是决定特种装备加固强度的主要影响因素。计算公式为

式中:t0为装备每吨受到的纵向惯性力，kN/t;Q为装备质量，t。

不同加固形式每吨装备产生的纵向惯性力的大小不同:采用刚性加固时，t0=26.69 －0.13Q总;采用柔性加固时29.85。其中Q总为装备质量与车辆质量之和，t。

(2)横向惯性力。横向惯性力主要在列车行经曲线或者进入侧线道岔时产生的离心力、曲线外轨超高所产生的水平分力等运输环节中产生。横向惯性力的大小由特种装备自身质量、所使用车辆型号、装载位置，以及行经线路曲线半径大小或者线路道岔型号的大小等决定，影响特种装备铁路运输过程中横向的稳定性。计算公式为

式中n0为装备每吨所受到的横向惯性力，kN/t。

使用不同车型和不同的装载位置影响每吨装备的横向惯性力，计算方法为其中:c为装备质心偏离车辆横中心线距离，mm;d为车销间距离，mm。

(3)垂直惯性力。垂直惯性力主要在列车行经钢轨接缝处、线路下沉以及车辆弹簧的沉浮运动等运输环节中发生。垂直惯性力作用方向依次向上或向下交替变化，其大小由特种装备自身质量、所使用车辆型号、装载位置、行经线路质量、钢轨型号以及长度等情况决定，对摩擦力的大小构成影响。计算公式为

式中q垂为装备每吨所受到的垂直惯性力，kN/t。

使用不同车型和不同的装载位置每吨装备产生的垂直惯性力的大小不同:使用敞车和普通平车装载时;使用长大货物车装载时

(4)风力。风力有纵向力、侧向力之分。纵向风力是纵向惯性力的反作用力，不会对特种装备运输稳定性构成威胁，因此只考虑侧向风力的影响。风力的大小由列车行经地域的气候、特种装备侧向的迎风面的大小等因素决定。当风力的方向与横向惯性力方向一致时，风力有可能对特种装备或者列车的稳定性构成威胁。计算公式为

式中:q为侧向计算风压，根据经验数据，受风面为平面时，q=0.49 kN/m2，受风面为圆球体或圆柱体侧面时，q=0.245 kN/m2;F为装备侧向迎风面积，m2。

(5)摩擦力。摩擦力大小由特种装备的质量以及特种装备底座材质与货车地板间的摩擦系数所决定。摩擦力越大，特种装备在铁路运输过程中的稳定性越高，也是决定特种装备加固强度的主要影响因素。计算公式如下:

纵向摩擦力:

横向摩擦力:

式中μ为摩擦系数。

3 特种装备加固方案设计

方案设计主要根据装备战技指标、外部形态、规格大小、安全特性等条件，选择适型货车，预设装载状态，确定加固方式和加固强度，最终形成装载加固方案［3］。

3.1 稳定性分析

特种装备在铁路运输过程中有倾覆稳定性和水平移动稳定性之分，是决定加固方式和加固方法的基本依据。

3.1.1 装备倾覆稳定性

特种装备的倾覆稳定性分为纵向和横向。计算方法如下:

纵向:

横向:

式中:a为装备质心所在横向垂直平面至装备倾覆点之间的距离，mm;b为装备质心所在纵向垂直平面至装备倾覆点之间的距离，mm;T为装备的纵向惯性力，kN;N为装备的横向惯性力，kN;h为装备质心自倾覆点所在水平面起算的高度，mm;W为作用于装备上的风力，kN;h风为风力合力作用点自倾覆点所在水平面起算的高度，mm。

当倾覆稳定系数η小于1.25时，需要采取加固措施，防止装备倾覆。故在军事装备研发过程中，尽量加大装备支重面的长度或者支重点间的距离，特殊情况下可采取加装垫木等措施，以增强装备的倾覆稳定性，从而减少装备运输的加固强度。

3.1.2 装备水平稳定性

特种装备的水平稳定性分为纵向和横向。计算方法如下:

纵向:

横向:

当ΔT、ΔN大于0时，应采取加固措施，防止装备水平位移。故在铁路运输过程中，可以加垫摩擦系数较高的材料，以降低△T、△N的数值，增强装备的水平稳定性，从而减少装备运输的加固强度。

3.2 加固强度确定

根据特种装备运输过程中产生作用力数据，按照平衡稳定性原则，确定能够满足特种装备运输安全要求的加固器材、加固方式。

3.2.1 采用对称拉牵加固时，每根拉牵绳应承受的力

对称拉牵加固时，拉牵位置如图1所示。

图1 拉牵对称加固示意

当同一方向有n根拉牵绳时，每根应承受的拉力可按下式计算:

防止纵向移动时:

防止横向移动时:

防止纵向倾覆时:

防止横向倾覆时:

式中:l纵为装备纵向倾覆点至拉牵绳在装备上拴结点所在横向垂直平面间的距离，mm;l横为装备横向倾覆点至拉牵绳在装备上拴结点所在纵向垂直平面间的距离，mm。

每根拉牵绳应承受的力:

选用钢丝绳拉牵时，钢丝绳的破断拉力不得小于2S。选用镀锌铁线或盘条拉牵时，每根拉牵绳需要股数为

式中P许为一股镀锌铁线或盘条的许用拉力，kN。

3.2.2 采用非对称拉牵加固时，每根拉牵绳应承受的力

非对称拉牵加固时，拉牵位置如图2所示。

图2 拉牵非对称加固示意

式中:b左、b右分别为A方向或B方向两侧左、右拉牵绳在装备上拴结点至装备质心所在纵垂直平面的距离，mm;AC左、AC右为左、右拉牵绳在装备上拴结点所在横向垂直平面分别至车辆上拴结点之间的距离，mm;BC左、BC右为左、右拉牵绳在装备上拴结点所在纵向垂直平面分别至车辆边线的距离，mm;BO左、BO右为左、右拉牵绳在装备上拴结点自车地板面起算的高度，mm。

式中l左、l右为左、右拉牵绳在装备上拴结点至装备质心所在横向垂直平面的距离，mm。

每根拉牵绳应承受的力:

当同一方向有n根拉牵绳时，在计算防止特种装备纵向移动需要拉牵绳承受的拉力时，b左及b右应分别取同一方向上左侧或右侧各拉牵绳在装备上拴结点至装备质心所在纵向垂直平面距离的平均值;BO、BC取较大者，AC取较小者。在计算防止特种装备横向移动需要拉牵绳承受的拉力时，l左、l右应分别取同一方向左侧或右侧各拉牵绳在特种装备上拴结点至特种装备质心所在横向垂直平面距离的平均值;BC取较小者，BO、AC取较大者。

3.3 特种装备加固技术措施

在特种装备研制过程中贯彻运输性要求，尽量降低装备质心高度，预留捆绑加固点，是提升装备适运性的关键所在。

3.3.1 特种装备质心超高的加固技术

我国铁路作业标准规定，重车质心高超过2 m时车辆运行速度就要受到限制。为此，特种装备在研制过程中应当尽可能地降低质心高度，尽量减少铁路运输限制。如果装备质心较高对铁路运行速度构成影响时，一是装备研究时应当考虑运输过程中的配重措施;二是预留掩挡加固的位置，降低质心相对高度，提高装备倾覆稳定系数;三是在加固系留点的设计上，尽可能保持在中间上部位置，并增加系留点的数量，以提高加固方案的适应性。

3.3.2 特种装备自重较大的加固技术

特种装备具有大型化的发展趋势，带来了加固强度的增大。由于装备以及铁路车辆使用材料的限制，对强度有一定的限制。一是在加固点材料选取上，应与铁路载运工具的丁字铁相适应，保持在98 kN左右;二是在加固材料的选取上，一般应选择公称抗拉强度1 670 N/mm2、直径9.3 mm、许用拉力不小于22.8 kN的钢丝绳双股，便于操作和加固，并以此设计加固点数量;三是加固点尽可能设计在距装备底部400 mm位置，尽可能增加纵向分力，减少加固器材使用数量。