粤海铁路轮渡货物运输稳定性试验研究

李可佳，陆 松，殷 涛，刘 飞

(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)

铁路轮渡运输是铁路在水上延伸运输的传统模式，铁路列车开进渡船，通过渡轮将水域与陆路的铁路线连接起来，实现直达运输。铁路轮渡运输采用滚动装卸方式替代吊机装卸方式，具有低碳优势，可以避免铁水联运途中两装两卸、效率低、周期长、损耗大、成本高等缺点[1]。全球的铁路轮渡线主要集中在欧洲和北美地区，其中欧洲约占45%，北美约占30%，亚洲及南太平洋地区约占25%。我国有粤海铁路轮渡、烟大铁路轮渡和长江铁路轮渡。粤海铁路轮渡于2003年初投入运营，对海南的经济发展和自贸港建设发挥了重要作用。根据《关于粤海火车轮渡、海南西环线海口南段开通运营及办理货物直通运输的通知》(铁运函[2003]47号)规定对平车、罐车等车型、敞车装载的货物高出端侧墙等情况限制通过，在较大程度上限制了轮渡的运输能力。近年来，随着海南省经济的发展，进出海南岛货物种类日益增多，对放开装载车型限制有着强烈需求[2-3]。目前由于缺乏铁路列车渡船设计能力下的实际航运测试数据，装载技术条件不尽完善。因此，为最大限度解除目前对平车、罐车等车型的限制，充分释放粤海铁路轮渡铁水联运能力，需要开展粤海轮渡铁路列车甲板货车装载技术条件理论及试验研究。

1 粤海铁路轮渡货物运输稳定性模型构建

铁路列车在渡船甲板上有车钩拉牵加固和千斤顶支撑，但由于船体振动、摇摆产生的惯性加速度和倾角会对车辆及所装载货物的稳定性造成影响。既有研究通过动力学仿真分析粤海铁路轮渡运输的安全性，但缺少试验数据支撑[4-6]。特别是在6 ～ 8级风的临界封港海况下航运时，渡船铁路列车甲板加速度、摇摆角变化情况，以及铁路列车所装货物的加速度、加固力都会影响货物的稳定状态。为充分验证粤海铁路轮渡货物运输的稳定性，需要通过测量货物的加速度和倾斜角对其装载加固效果进行校验[7]。

1.1 稳定性影响因素

（1）惯性力。轮渡运输与铁路运输对货物产生惯性力的诱因不同。货物在轮渡运输途中所受的惯性力，主要源于船体的振动、摇摆和冲击等因素[8]。发动机和螺旋桨的干扰力、波浪对船体的冲击和舵力都会对货物的振动和摇摆产生影响，振动和摇摆叠加后呈现正弦规律。渡船航行时冲击主要由波浪拍击船体导致，但波浪冲击不影响船体摇摆的正弦规律。碰撞一般出现在船体靠岸时，但由于碰撞的偶然性较大，因此海运部门在校核货物加固强度时不予考虑。在铁路运输中，粗糙的轨道轨面、轨道接点的不连续、车轮不平衡、踏面磨损均会造成货物垂向振动，车轮轮缘在轨道上的横向窜动会引起货物横向振动，列车起动、制动会给货物提供纵向惯性力，垂向、横向和纵向的惯性加速度叠加形成随机振动。在甩挂、驼峰调车等工况下，列车会对货物产生纵向冲击力。

（2）摇摆频率。船体在航行中的摇摆频率远小于铁路车辆行驶中的振动频率。以正常运行速度产生最大横向加速度的工况为例，船体的最大横向加速度一般发生在横浪海况下，此时船的摇摆周期在4 ～ 12 s间；铁路车辆的最大横向加速度经常发生在“S”曲线或侧向通过小号道岔时，其摇头和侧摆振动的周期在1/100 ～ 1/2 s间。因此，铁路轮渡中货物垂向、横向和纵向惯性力最大值同时出现的概率比铁路运输大。

（3）惯性加速度。轮渡运输时，单件货物质量占整船质量的比重小，作用在货物上的惯性加速度主要源于船舶的摇摆。由于船体在航行途中随波浪沉浮，其俯仰和翻滚摇摆幅度相对较大，加上船体质量大、加速性能差，因此铁路轮渡中垂向和横向加速度大于纵向加速度，其中垂向加速度最大。然而，铁路运输中纵向加速度大于横向和垂向加速度，是校核货物装载加固强度的主要参数。

（4）装载位置。轮渡航行过程中，货物垂向、横向和纵向的惯性加速度值均与其装载位置相关，与货物本身的物理形状无关。货物离船体摇摆中心的距离越远，其惯性加速度值越大。纵向和垂向加速度最大值出现在船艏、船艉或船舷最高堆装处，横向加速度最大值出现在船舯船舷处。而在铁路运输中，横向与垂向加速度值与货物在车上装载位置的相关性较小，纵向加速度值与货物位置无关。

1.2 稳定性模型构建

1.2.1 货物横向倾覆稳定性模型

在铁路轮渡运输过程中，船体翻滚对装载的货物产生横向惯性力，船体俯仰对货物产生垂向惯性力。支撑面为平面的货物，其横向惯性力、垂向惯性力以及重力沿支撑面水平方向分力均会形成货物的横向倾覆力矩，可能导致货物横向倾覆。铁路轮渡车辆货物横向倾覆示意图如图1所示。图中，b为货物重心与倾覆点在支撑面水平方向上的距离；h为货物重心距支撑面的距离；FZ为垂向惯性力；FX为横向惯性力；G为货物重力；θ为翻滚角。

图1 铁路轮渡车辆货物横向倾覆示意图Fig.1 Transverse overturning of cargo on railway ferry

货物重力相对于支撑面的垂向分力可以形成横向稳定力矩，在不采取加固措施时，按力矩平衡原理计算出特殊海况条件下，货物免于横向倾覆的条件为

式中：η为货物横向倾覆安全系数；M稳定为货物的横向稳定力矩；M倾覆为货物的横向倾覆力矩；m为货物质量；g为重力加速度；aX为货物横向加速度；aZ为货物垂向加速度。

将公式 ⑵ 至 ⑹ 代入公式 ⑴，整理可得货物免于横向倾覆的条件即为

1.2.2 货物横向滑动模型

在不同风浪等级下的航行途中，船体的俯仰角、偏航角和翻滚角随风浪实时变化，对不加固或进行简易加固的货物，船体的俯仰和翻滚可能导致货物滑动。货物重力的横向分力由货物自重及船体翻滚角θ决定，轮渡航行途中车辆所装货物的横向滑动受力情况如图2所示。图中，N为车辆地板对货物的支撑力；F摩擦为车辆地板对货物的摩擦力。

图2 轮渡航行途中车辆所装货物的横向滑动受力情况Fig.2 Lateral sliding force of the cargo

货物的稳定性(不滑动)条件为

式中：f为摩擦系数。

经过整理可以得到各种风浪等级下货物稳定性(不滑动)判断依据为

按照公式 ⑻ 至 ⑾ 对部分货物在不同风浪下的受力情况进行计算，得到仅靠摩擦加固的货物通过粤海铁路轮渡时对风浪等级的适应性。货物仅靠摩擦加固的风浪等级适应性如表1所示。

表1 货物仅靠摩擦加固的风浪等级适应性Tab.1 Adaptability of goods to wind and waves only under friction condition

2 粤海铁路轮渡货物运输稳定性试验

以卷钢和铁路罐车为例，通过测试货物在临界封港海况下(6 ～ 8级风)航运时的姿态角和惯性加速度，监测货物的相对位移和状态变化情况，检验货物的装载加固效果。试验用船为“粤海铁2号”渡船，采用的实验仪器设备包括数据采集系统、三向加速度传感器、三向角度传感器、压力传感器等，试验线路为琼州海峡铁路通道海安南(北港)—海口(南港)间日常固定航运线路。粤海铁路渡船为多功能滚装船，船舶的稳定性高度受铁路车辆、汽车、旅客甲板不同装载组合的影响。稳定性高度增加，摇摆周期变小，摇摆幅度、角加速度变大。船舶总重心高度的变化会造成船体横向和垂向加速度变化，但对垂向加速度的影响较小。

2.1 船体加速度和航姿测试

船体加速度传感器布置在渡船铁路列车甲板纵向中线及靠近1道的船艏、船舯、船艉处，船舶航行中的摇摆角度传感器布置在1道中间加速度传感器附近。根据航次的开航时间，截取相应时间段内的采集数据进行滤波分析，得到船体横向加速度、垂向加速度和翻滚角的最大值。

航行过程中横向加速度的原始数据极值为-0.142 g，中值滤波后的极值为-0.138 g，滤波后的船体横向加速度基本在(-0.15 g，0.1 g)范围内变化；船体停靠码头时船体的垂向加速度为1 g，航行过程中垂向加速度的原始数据极值为1.013 g，中值滤波后的极值为1.011 g，滤波后的船体垂向加速度基本在(0.975 g，1.015 g)范围内变化，即相对垂向加速度的极值为0.011 g，变化范围(-0.025 g，0.015 g)；船体停靠码头时翻滚角角度为2°，航行过程中翻滚角的原始数据极值为4.769°，中值滤波后的极值为4.7166°，滤波后的船体翻滚角基本在(0°，4.8°)范围内变化。渡船船体在航行过程中姿态比较平稳，横向和垂向加速度均较小。

2.2 敞车装载卷钢稳定性测试

2.2.1 卷钢立装

根据070301号装载加固定型方案，采用60 t级敞车立装2件卷钢，每件卷钢质量小于等于车辆标记载重量的1/2。2件卷钢质量之差小于等于2 t，分别装载在车辆两端的枕梁上方。卷钢与车地板之间加垫稻草垫，用双股钢丝绳或盘条对每件卷钢以反又字拉牵加固，拴结于车侧丁字铁上，拉牵高度大于卷钢板宽的1/2。

航行过程中，立装卷钢加速度如图3所示。船体停靠码头时卷钢的横向加速度为0，航行过程中卷钢横向加速度的原始数据极值为-0.05 g，中值滤波后的极值为-0.044 g，滤波后的卷钢横向加速度基本在(-0.05 g，0.03 g）范围内变化；船体停靠码头时卷钢的垂向加速度是-1 g，航行过程中卷钢垂向加速度的原始数据极值为-1.021 g，中值滤波后的极值为-1.007 g，即相对垂向加速度的极值为0.007 g，滤波后的卷钢垂向加速度在(-1.01 g，-0.99 g)范围内变化。立装卷钢的最大横向、垂向加速度值均小于铁路货物装载加固计算参考的加速度值，没有发生横向倾覆和滑动。

2.2.2 卷钢卧装

根据070316号装载加固定型方案，采用凹形草支垫在70 t级通用敞车上卧装3件卷钢。1件卷钢装载在车辆中部，其重心落在车辆纵中心线与横中心线的交叉点上。另外2件卷钢分别装载在车辆两端的枕梁上方，2件卷钢质量之差小于等于2 t。钢护板固定在凹形草支垫端部，用6股盘条或双股钢丝绳紧固器在凹形草支垫端部高度的1/2处穿过钢护板上的护绳圈，兜头拉牵凹形草支垫。

航行过程中，卧装卷钢加速度如图4所示。船体停靠码头时卷钢的横向加速度为-0.03 g，航行过程中卷钢横向加速度的原始数据极值为-0.043 g，中值滤波后的极值为-0.037 g，滤波后的卷钢横向加速度基本在(-0.04 g，-0.02 g)范围内变化；船体停靠码头时卷钢的垂向加速度为-1 g，航行过程中卷钢垂向加速度的原始数据极值为-1.043 g，中值滤波后的极值为-1.02 g，即相对垂向加速度的极值为0.02 g，滤波后的卷钢垂向加速度在(-1.02 g，-0.98 g)范围内变化。卧装卷钢的最大横向、垂向加速度值均小于铁路货物装载加固计算参考的加速度值，没有发生横向倾覆和滑动。

2.3 罐车稳定性测试

图3 立装卷钢加速度Fig.3 Acceleration of vertically-loaded coil steel

图4 卧装卷钢加速度Fig.4 Acceleration of horizontally-loaded coil steel

渡船在航行途中，车辆纵向有车钩拉牵加固，横向有轮缘阻挡，因而车辆不会发生纵向和横向滑动，因此仅对列车在极限状态下的抗倾覆稳定性进行测试。为保证列车的稳定，采用垂直螺杆支撑器对其进行加固。在70 t级满载罐车的左右两侧分别安装1个加固力测试点，监测罐车与车体千斤顶之间的加固力在航行中的变化情况。压力传感器安装在垂向螺杆支撑器和车体之间，垂向螺杆支撑器许用载荷200 kN。对采集到的测量数据进行分析处理可得，左侧测点的加固力变化范围在1 ～ 4.2 kN，右侧测点的加固力变化范围在0 ～ 7.5 kN。试验初期，2个测点的加固力变化范围很小，变化趋势平缓。随着试验的进行，出现数次突变值，加固力值的最大变化幅度为7.5 kN。加固力值与预顶力100 kN之和，远小于千斤顶的允许工作载荷200 kN。

罐车在轮渡过程中，罐车加速度如图5所示。船体停靠码头时罐车的横向加速度为-0.02 g，航行过程中罐车横向加速度的原始数据极值为-0.042 g，中值滤波后的极值为-0.027 g，滤波后罐车的横向加速度基本在(-0.03 g，-0.01 g)范围内变化；船体停靠码头时罐车的垂向加速度是-1 g，航行过程中罐车垂向加速度的原始数据极值-0.923 g为突变值，中值滤波后的极值-1.013 g，即相对垂向加速度的极值为0.013 g，滤波后罐车的垂向加速度在(-1.02 g，-0.98 g)范围内变化。罐车的最大横向、垂向加速度值均小于铁路货物装载加固计算参考的加速度值，没有发生横向倾覆。

3 研究结论

（1）渡船船体在航行过程中姿态比较平稳，横向和垂向加速度均较小；卷钢的各向加速度值均小于铁路货物装载加固规则中计算相应的加速度值；罐车与甲板的加固力小于加固材料(装置)许用力值。

（2）粤海铁路轮渡货物运输稳定性测试验证后货物装载状态良好，没有发生横向倾覆、滑动等现象。

图5 罐车加速度Fig.5 Tanker acceleration

（3）铁路列车甲板上铁路货车及货物装载技术状态优于陆上运行技术状态，试验研究结果为充分释放粤海铁路轮渡的运输能力提供技术支撑。