18 m 长出口钢轨采用普通平车 装运优化方案研究

李善坡

（中国铁道科学研究院集团有限公司 运输及经济研究所，北京 100081)

随着我国钢轨生产质量的提高，钢轨出口量也逐年上升。目前我国各钢厂已经向全球20 多个国家和地区出口钢轨，出口钢轨的长度主要是 12.5 m，18 m 和25 m[1]，钢轨一般经铁路运输至港口，再经海运出口至国外。其中，12.5 m 和25 m长钢轨[2]可直接采用或参照《铁路货物装载加固规 则》[3](以下简称《加规》)附件1 中定型方案进行装运，18 m 长钢轨原方案采用一辆15.4 m 长平车承载、两端突出加挂游车的方式装运，平均每车装载量只有20 t 左右。为了提升铁路货运服务质量，提高铁路运输竞争力，充分考虑18 m 出口长钢轨的长度和规格，依据《加规》的技术要求，研究提出一种“低－高－低－…－低”交错承载方式的18 m 长钢轨普通平车装运优化方案[4]，同时设计可循环使用装载加固装置[5]，低承载方式采用钢垫梁，高承载方式采用钢托架。

1 18 m 长出口钢轨采用普通平车装运优化方案指标计算

1.1 优化方案设计

表1 18 m 长出口钢轨规格Tab.1 Specifications of 18 m rail for exporting purpose

图1 最小编组装运方案示意图Fig.1 Loading plan under the minimum train combination

根据18 m 长出口钢轨规格，考虑车组的最大装载量，采用“低－高－低－…－低”交错承载方式进行方案优化设计。考虑钢轨长度与车辆长度的匹配性，选择换长为1.5 的普通平车作为承载车，仅在车组两端加挂游车。车组中承载车的最大数量可按采用的机车牵引能力进行计算确定。最小编组装运方案采用5 辆普通平车，分别为游车、低承载车、高承载车、低承载车、游车。18 m 长出口钢轨规格如表1 所示，最小编组装运方案示意图如图1 所示。

低承载方式采用4 个钢垫梁支承钢轨，钢垫梁由20 号工字钢和钢板焊接而成。以UIC54 钢轨为例(下同)，低承载方式可装载2 层，最多装载46根，约45.07 t。在钢垫梁上方钢轨层间放置横隔木，在两端钢垫梁内侧各采用盘条4 股采用反又字下压1 道，捆绑在车侧丁字铁上。在钢轨中部，用盘条3 股将第1 层和第2 层钢轨整体捆绑1 道。在每层钢轨两端分别用盘条4 股倒八字形拉牵捆绑在车侧丁字铁或支柱槽上。低承载方式装运方案示意图如图2 所示。

高承载方式采用4 个钢托架将钢轨抬高，避免与低承载车钢轨干涉，钢托架由22 号、20 号槽钢和钢板焊接而成。根据《加规》第二十九条规定“一辆平车装载超长货物，两端突出车端小于1.5 m时，车辆容许载重量为58 t”，最多可装载3 层，可装载57 根，约55.85 t。在钢托架承载位置上方各层间放置隔木，端部托架外侧约200 mm 处，各用盘条3 股将第二、三层捆为一体，在端部托架内侧约200 mm 处，各用盘条3 股将第一、二层捆为一体，在钢轨中部，用盘条3 股将第一至第三层钢轨整体捆绑1 道。在两端部托架内侧各采用盘条4 股采用反又字下压1 道，捆绑在车侧丁字铁上。在第1 层钢轨两端分别用盘条2 股倒八字形拉牵捆绑在端部钢托架上，在第2 层和第3 层钢轨两端分别用盘条4 股倒八字形拉牵捆绑在车侧丁字铁或支柱槽上，高承载方式装运方案示意图如图3 所示。如果采用43 车编组成列，可有41 辆车承载，21 低20 高承载，可装载2 102.67 t，平均每车装载48.9 t。若采用42 车编组成列，3 个11 车装9 车 (5低4高)小编组，1个9车装7车(4低3高)小编组，可装载1 723.48 t，平均每车装载41.03 t。这2 种编组形式应用较多，各钢厂还可根据各自装车线条件和运输组织模式，自行选择编组数量，但最低编组车辆数量不低于5 辆。

图2 低承载方式装运方案示意图Fig.2 Loading plan under the low loading mode

图3 高承载方式装运方案示意图Fig.3 Loading plan under the high loading mode

1.2 优化方案指标计算

1.2.1 钢垫梁和钢托架最小设计高度

依据《加规》，钢垫梁最小设计高度可表示为

式中：a为钢轨突出端至负重车最近轮轴轴心所在垂直平面的距离，a= 2 665 mm；h车差为游车地板高度与负重车地板高度差，h车差= 20 mm；f取各轨型中最大值4 mm。

经计算得H垫= 186.6 mm，低承载方式的钢垫梁实际高度按215 mm 设计，满足要求。

考虑18 m 长出口钢轨各规格钢轨最大高度188.9 mm，高承载方式钢托架的最小设计高度H托应为215 + 2×188.9 + 30 + 186.6 = 809.4 mm，实际设计高度为815 mm，满足要求。

1.2.2 重车重心高

以高承载方式为例进行计算，车辆自重23.8 t，空车重心高度为738 mm；托架重量约1.8 t，重心高度为1 617 mm。第一层钢轨重量约24.50 t，重心高度2 111 mm；第二层钢轨重量约22.53 t，重心高度2 330 mm；第三层钢轨重量约8.82 t，重心高度2 548 mm。经计算，重车重心高为1 806.8 mm，重车重心不超高。高承载方式重心高度示意图如图4 所示。

图4 高承载方式重心高度示意图Fig.4 Gravity center height under the high loading mode

1.2.3 加固强度计算

以最小编组(2 低1 高2 游车)为例进行计算，货物重量约145.99 t，垫梁及托架重量2.86 t，车组重量112 t，车组总重为260.85 t。只需校核顶层钢轨的纵向加固强度和装载加固装置的横挡强度是否满足要求，低承载时顶层装载21 根UIC54 轨，高承载时装载9 根UIC54 轨。根据《加规》，通过计算纵向惯性力、横向惯性力、垂直惯性力、风力和摩擦力，得出顶层钢轨所需的纵向加固力和装载加固装置横挡所受的横向加固力。

（1）纵向惯性力。每吨货物的纵向惯性力t0= 5.88 kN/t，则低承载方式顶层钢轨的纵向惯性力T低=t0×21×18×54.43 / 1 000 = 120.98 kN。高承载方式顶层钢轨的纵向惯性力T高=t0×9×18×54.43 / 1 000 = 51.85 kN。

图5 货物纵向拉牵加固示意图Fig.5 Longitudinal pulling and reinforcement of goods

（2）横向惯性力。每吨货物的横向惯性力n0= 2.82 kN/t，则低承载方式钢轨的横向惯性力N低=n0×46×18×54.43 / 1 000 = 127.09 kN。高承载方式钢轨的横向惯性力N高=n0×57×18×54.43 / 1 000 = 157.48 kN。

（3）垂直惯性力。每吨货物的垂直惯性力q垂= 3.54 kN/t，则低承载方式钢轨的垂直惯性力Q低=q垂×46×18×54.43 / 1 000 = 159.54 kN。高承载方式钢轨的垂直惯性力Q高=q垂×57×18×54.43 /1 000=197.69 kN。

（4）风力。低承载方式钢轨的所受风力W低= 0.49×0.159×18×2 = 2.80 kN。高承载方式钢轨的所受风力W高= 0.49×0.159×18×3 = 4.21 kN。

（6）货物水平移动稳定性校核。通过纵向和横向加固强度校核，验证钢轨的纵向和横向加固强度是否满足要求。货物纵向拉牵加固示意图如图5 所示，图中O点为拉牵绳在货物上的拴结点，A点为拉牵绳在车辆上的拴结点，B点为O点在车地板上的投影，C点为O点所在纵向垂直平面与车辆边线的交点。

①低承载方式纵向加固强度校核。根据低承载方式顶层钢轨的纵向惯性力和摩擦力，计算出其所需的加固力= 120.98 - 80.65 =

②高承载方式纵向加固强度校核。根据高承载方式顶层钢轨的纵向惯性力和摩擦力，计算出其所需的加固力= 51.85 - 34.57 =17.28 kN，从而计算出拉牵绳所需的拉牵力

③低承载方式加固方案横向加固强度校核。低承载方式钢垫梁所受的横向加固力ΔN低=1.25×

④高承载方式加固方案横向加固强度校核。高承载方式钢托架所受的横向加固力ΔN高=1.25×

1.2.4 钢垫梁及钢托架承重计算

为避免钢轨之间及钢轨与相邻车地板的干涉，同时考虑钢垫梁和钢托架与车地板的加固问题，通过位置优选，将钢垫梁和钢托架均布置在从车端数第1和第3 支柱槽处。

按照钢垫梁承载46 根18 m长钢轨、钢托架承载57 根18 m长钢轨进行计算，钢垫梁和钢托架承重如表2 所示。

由表2 可知，钢托架最大承重148.59 kN，考虑动核系数1.4，钢托架承受的最大垂向载荷为208.03 kN，考虑纵向最大摩擦力74.30 kN。采用有限元软件对钢托架进行结构分析[6-7]，钢托架应力分布云图如图6 所示，钢托架最大应力为 96.2 MPa，小于Q235 材料的许用应力160 MPa，满足强度要求。

表2 钢垫梁和钢托架承重 kNTab.2 Loading of steel beam and steel bracket

图6 钢托架应力分布云图Fig.6 Stress distribution cloud map of steel bracket

2 18 m 长出口钢轨采用普通平车装运优化方案试验

2.1 试验概况

2015 年10 月9—10 日，在攀钢集团攀枝花钢钒有限公司(以下简称攀钢)轨梁厂厂区和专用线上进行了18 m 长出口钢轨装运优化方案(2 低1高2 游车的编组方式)的静态、冲击和运行试验。静态试验时，在受力较大的钢垫梁和钢托架危险截面上粘贴应变片，钢轨装载完毕后读取静态应力值。冲击试验时，用机车推动一辆满载的敞车，达到一定速度后将其溜放，与停在平直线路上的试验车组冲击。测量和记录冲击过程中钢托架和钢垫梁动态强度及18 m 长钢轨的装载加固状态，另用铁鞋限制冲击后被冲击车组的移动距离，以保证试验安全。运行试验主要观察钢轨高低错装时，钢轨及加固线在车辆通过小曲线半径时是否存在干涉现象。冲击试验工况示意图如图7 所示。

2.2 测点布置

根据表2，在被冲击端受力较大的钢托架(第3车上第1个钢托架)和钢垫梁(第2车上第4个钢垫梁)危险截面处粘贴应变片。钢托架测点布置示意图如图8 所示，钢垫梁测点布置示意图如图9 所示。

2.3 静态试验

钢轨装载完毕后，各测点静态应力值如表3 所示，第2 测点应力最大，最大为78.4 MPa，小于160 MPa，满足强度要求。

2.4 冲击试验

（1）强度测试。静态试验完成后，准备工作完成后，在攀钢专用线进行了冲击试验[8]。试验车组共冲击了11 次，冲击试验工况下各测点合成应力如表4 所示，当冲击速度为8 km/h，第7 测点的合成应力最大，为116.5 MPa，小于160 MPa，满足强度要求。

（2）装载加固状态。在冲击过程中，18 m 长钢轨的整体装载加固状态良好。调车连挂速度范围内，共冲击2 次，在第5 次冲击速度达到6.8 km/h 时，被冲击端低承载方式的中部钢轨开始发生移动，最大为30 mm，满足《加规》要求。整个试验过程中，被冲击端低承载方式的钢轨最大累积纵向位移为150 mm，高承载方式和冲击远端的钢轨均未发生移动，所有装载加固装置状态良好，未发生相对车体的移动情况。

2.5 试运行试验

图7 冲击试验工况示意图Fig.7 Impact test conditions

图8 钢托架测点布置示意图Fig.8 Sensor positions for steel bracket

图9 钢垫梁测点布置示意图Fig.9 Sensor positions for steel beam

表3 各测点静态应力值 MPaTab.3 Static stress of each sensor

钢轨装载加固完成后，采用调车机将试验车组迁出并通过通过厂区内半径为150 m 的S 形曲线，重点检查低承载方案钢轨端部与高承载方案钢轨拉牵绳线是否存在干涉现象，经检查，钢轨与拉牵绳不存在干涉现象，并且具有足够的安全余量。

表4 冲击试验工况下各测点合成应力 MPaTab.4 Synthetic stress of each sensor under impact test conditions

3 结束语

铁路货物装载加固是一项技术性较强的工作，应在保证运输安全的前提下做到巧装满载。研究提出的18 m 长出口钢轨采用普通平车装运优化方案装载加固强度均满足《加规》技术要求，该优化方案充分考虑了各型号出口钢轨特性，有效利用车辆载重能力，与原方案相比，优化方案可成倍提高装载量和运输效率，减少车辆使用，大幅降低运输成本，同时优化方案采用了可循环使用装载加固装置，安全环保。18 m 长出口钢轨采用普通平车装运优化方案可以进一步丰富我国长钢轨普通平车运输装载加固技术体系，对我国18 m 长钢轨“走出去”具有重要的现实意义。