铁路冲击工况下罐式集装箱结构设计

朱英波 王伟 贺军 兰丽华

近年来，随着集装箱多式联运的发展，我国铁路集装箱发送量逐年大幅上升。罐式集装箱（以下简称“罐箱”）作为液体货物多式联运的主要装备，越来越多地应用到铁路运输中。铁路罐箱必须满足铁路运行工况要求，其中包括纵向冲击载荷要求和铁路冲击试验要求等。可见，满足铁路冲击工况的强度要求是铁路罐箱结构设计必须考虑的重要因素。

1 我国铁路冲击工况相关要求

在列车启动、制动和调速等过程中，铁路货车（平车）牵引、制动等不同步会造成各车辆间速度不同，从而引起冲击;此外，在调车作业过程中也会产生冲击。TB/T 3550.2-2019《机车车辆强度设计及试验鉴定规范 车体 第2部分：货车车体》规定货车纵向力设计载荷，并对车体静强度试验和车辆冲击试验提出要求。通用货车（单列编组总质量小于或等于1万t）的第一工况惯性力为1 920 kN，第二工况惯性力为2 500 kN。

根据GB/T 16563-2017《系列1集装箱 技术要求和试验方法 液体、气体及加压干散货罐式集装箱》，罐箱在运动方向上的惯性力设计载荷为罐箱最大质量的2倍乘以重力加速度。当罐箱装载在铁路平车上运输时，罐箱和铁路平车作为一个整体承受铁路列车纵向惯性力;根据计算，该惯性力载荷大于铁路平车和罐箱最大总质量的2倍乘以重力加速度。为此，铁路罐箱需要满足较高的冲击强度要求。NB/T  47064-2017《液体危险货物罐式集装箱》和NB/T 47057-2017《液化气体罐式集装箱》等标准要求，铁路运输用液体罐箱原型箱的结构强度和刚度应能承受其满载时在铁路运输中因机械振动而产生的不小于额定质量的4倍乘以重力加速度的冲击力。此外，根据铁路部门的相关要求，危险货物罐箱还应通过铁路冲击试验，试验方法和评价规则与铁路货车冲击试验基本相同。

2 铁路冲击工况下罐箱结构承载情况分析

由于铁路冲击载荷较大，普通罐箱难以通过铁路冲击试验。如何在罐箱自身质量增加较少的条件下满足结构承载要求，是铁路罐箱结构设计必须解决的关键问题。

对普通罐箱结构（见图1）进行铁路冲击工况下的静强度有限元分析，基本条件为：罐箱4個底角件固定，对罐体一端封头内表面施加罐内液体货物质量的4倍乘以重力加速度的冲击压力。如图2所示，在铁路冲击工况下，大应力区域主要位于角柱与角件连接处以及裙座与端框连接处，最大应力达到422 MPa。罐箱内液体货物质量比罐箱自身质量大得多，是冲击力的主要来源。该冲击力直接作用于罐体冲击端封头，然后通过罐箱结构传递至角件，并且大部分冲击力传递至冲击端角件;角柱与角件连接处以及裙座与端框连接处是冲击力传递路径上最主要的结构不连续部位，因此其应力较大。

3 铁路冲击工况下罐箱结构设计方案

3.1 采用加强框架结构，补强应力集中部位

为了使罐箱结构强度满足铁路冲击工况的要求，加强罐箱框架结构，角柱、下端梁、下侧梁和各梁间的斜撑采用强度较大的材料或增大规格，并对各梁与角件连接处、裙座与角柱连接处等应力集中部位实施局部补强（见图3）。

3.2 采用底部斜撑结构，减少应力集中

加强框架结构会增大罐箱自身质量，对运输经济性产生负面影响。鉴于此，根据冲击力传递路径，采用底部斜撑连接罐体与角件（见图4），使部分冲击力经斜撑传递至角件，从而达到冲击力传递顺畅、应力集中减少的效果。

3.3 小结

罐体加强框架结构和底部斜撑结构都能满足铁路冲击工况的要求。罐体加强框架结构的优点在于罐体上没有连接件，便于安装加热和保温结构;罐体底部斜撑结构的优点在于冲击力传递顺畅，质量较轻，有利于提高罐箱运输经济性。

4 结束语

为了满足铁路冲击工况要求并通过铁路冲击试验，有必要对罐箱承载结构进行加强设计。罐体底部斜撑结构能够较好地传递冲击力，并且斜撑与水平面夹角较小为宜。与罐体下侧梁式框架结构相比，罐体底部斜撑结构质量较轻，能够更好地满足铁路冲击工况要求，适用于无保温和加热结构的罐箱。

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2020-12-25）