棒材铁路发运装载加固方式研究

宁春明，李世强

（广西柳钢物流有限责任公司，广西柳州 545003）

柳钢集团本部生产的建材，大多通过铁路火车运输外发。据统计，2020年仅从火车发运中心发出的建材就有36393节车皮，平均每天发运量约为100个车皮，按棒材占建材75%的比例计算，棒材的火车发运量约为27295节车皮。2016年1月1日，中国铁路总公司施行了新的《铁路货物装载加固规则》，棒材的铁路发运必须在该规则下进行装载加固才能满足铁路的规则。铁路货车运输结构的调整，给铁路装载加固材料和装置等相关运输配套生产企业带来新的发展机遇。目前柳钢物流公司开始介入柳钢棒线的火车发运工作。

1 目前棒材铁路发运装载加固方式

1.1 装载加固暂行方案

《南宁局集团公司铁路货物装载加固暂行方案》以下（简称《加固暂行方案》）中要求，对长6250～12000mm成捆棒材敞车发运，加固材料为条形草支垫或稻草绳。装载方法是在车辆中部装载一垛，货垛重心投影位于货车的纵、横中心线的交叉点上，货垛下在车辆横中心线两侧对称加垫2道条形草支垫或稻草绳把（每道并列摆放2根），装满车宽；加固方法是货物与车地板间、各捆间铺垫2道条形草支垫或稻草绳把。目前，柳钢主要使用条形草支垫（规格为2200mm×160mm×70mm）方案，如图1所示。广西区内发货要求60t、70t通用敞车每车皮各需要垫14、18根条形草支垫，发往云南、贵州、四川的棒材则要求加倍垫支垫，每车皮垫需垫24～28根支垫。

图1 条形草支垫装载加固方式

1.2 条形草支垫成本

据了解，2019年前柳钢集团采购条形草支垫每根费用为18元，2020年以后每根费用增至23元，不排除以后继续提价的可能。如按每天发运棒材100个车皮，每车皮平均垫16根支垫计算，每天需要1600根，支垫费用为1600×23=36800元，即每天需要支付3.68万元的稻草费。如果加上广西钢铁公司的棒材铁路发运量，整个柳钢集团用于购买支垫的费用还要多。

1.3 条形草支垫供应情况

目前，柳钢条形草支垫供应商仅有1～2家，供货量为一天一车，一车1800根，仅够112个车皮使用。供货商也为稻草材料供应不足而发愁。供货商主要在农村各地以收购的形式收集条形草支垫，由于农村已经大量使用机械化收割稻谷，收割的同时直接粉碎稻草，因此稻草的供应量日趋减少，势必影响条形草支垫的供应量。如果柳钢集团火车棒材发货量进一步加大，条形草支垫的供应问题将更加突出，会严重影响钢材铁路发运。

1.4 条形草支垫存在的问题

（1）随着农村水稻收割机械化，稻草粉碎还田，稻草资源日趋匮乏，未来将面临无稻草可用。

（2）需要有仓库堆放，不能淋雨，对消防要求高，有安全隐患。

（3）每次装车现场都会留下很多碎草，影响环境卫生，需要及时打扫现场。

（4）稻草支垫使用后变形严重，只能一次性使用，使用完后还需要处理。

（5）需要严格控制货物的装车温度，以防条形草支垫焦煳、燃烧造成失效。

（6）一个车皮的棒材运输需要条形草支垫费用为216～468元，价格不低。

2 棒材装载加固方案

随着火车的提速，铁路对货物装载加固方式也提出了新的要求。条形草支垫已经不适合未来铁路货物运输的要求，为此，要探索提高货物装载加固效率、降低加固成本的途径。

2.1 新加固材料应具备特点

《铁路货物装载加固规则》第七十条规定：积极发展、优先使用可循环使用、经济可靠的符合国家相关政策的装载加固材料及装置。针对条形草支垫存在的问题，有必要找到一种替代产品，一种低成本可多次复用的棒型材料运输座架，在满足铁路运输要求的情况下，替代传统稻草支垫进行棒形材料的火车运输。该产品应具有以下特点：①重复使用，耐用耐磨；②便于存放和返程运输；③使用成本比条形草支垫低；④防火防潮。

2.2 新方案

按照新型加固材料的特点原则，加固材料优选金属材料。具体方案如图2所示，一套座架自重约为1.5t，棒材座架由底架、端栏、边栏条一、边栏条二、扁通垫、U型连接架、边栏座、销耳和卡档等组成，在敞车上成对组合使用。棒材座架折叠后的状态如图3所示，棒材座架的边栏及扁通垫能够放倒，便于叠放运输。

图2 棒材座架组成

图3 棒材座架折叠状态

2.3 棒材座架特点

（1）底架由多根扁通垫焊接而成，承受棒材的重量。

（2）端栏由多根扁通垫及钢板焊接而成，起着阻挡棒材在敞车长度方向移动的作用。

（3）边栏由钢板折弯成U型钢，起着阻挡棒材在敞车宽度方向移动的作用；边栏底部通过销耳铰接到底架的两侧上，能够立起和放倒；在边栏的槽内通过连接架来连接扁通垫；边栏分为边栏一和边栏二两种，边栏一连接的扁通垫起着隔开底层和二层棒材的作用，边栏二连接的扁通垫起着隔开二层和三层棒材的作用。

（4）扁通垫起着隔开底层、二层及三层棒材的作用，便于穿钢丝绳进行棒材的吊装；两侧的扁通垫错开布置，便于放倒时不相互干涉。

（5）卡挡作用是固定座架在敞车的相应固定位上。

（6）由于连接架的两组销孔有一定距离（假设50mm），连接架连接的扁通垫在上翻和下翻之间有±50mm的调节余地，方便调节扁通垫的放置高度，以适应在装载不同高度的棒材时，扁通垫均能与棒材良好接触。

2.4 座架材料的选择

将座架作为加固装载方案，就要考虑座架返回发货点的成本费用问题，座架的体积及重量的大小都会大大影响棒材运输的物流成本。在满足座架强度的情况下，需要想尽办法减轻座架的重量，因此座架以扁通垫型材结构材料为主。

2.5 受力分析方法

《加固暂行方案》中规定，当车地板铺垫的2道条形草支垫间距在7000～8700mm时，70t通用敞车容许装载量最大为65t。每个底架的承重部分主要由2根120mm×80mm×8mm的扁通垫承担，由于座架是成对组合使用，即每根扁通垫最大承受重力65/4=16.25t，即1625kgf（15925N）。扁通垫是用钢板或者带钢制作，选用材料Q325。为了保证座架的使用安全，按安全系数为3进行受力分析。SolidWorks Simulation是一个与SolidWorks完全集成的设计分析系统，提供了应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析方案，借助完全嵌入SolidWorks 3D CAD的一致、强大且直观的仿真功能，设计人员可在设计过程的早期了解产品性能及受力情况，避免成本高昂的过度设计，可以利用Solidworks Simulation对座架进行静态受力分析。现以单根扁通垫为例，说明使用SolidWorks软件做受力分析的方法及步骤。

（1）先在SolidWorks建立单根扁通垫的三维模型。

（2）打开Simulation插件，点击新算例，在常规模拟选择静应力分析。

（3）在“应用材料”里的材料库里找到屈服强度为325N/mm的金属材料，这里选择“AISI钢，冷拔（ss）”，点击应用。

（4）在“夹具顾问”选择“固定几何体”，选择扁通垫的三维模型的底面。

（5）在“外部载荷顾问”选择“力”，方向选“法向”，选择扁通垫的三维模型的上表面，力的大小输入1625kgf。

（6）选择“网格”，根据情况选择网格的密度并生成网格。

（7）点击“运行此算例”，就可以得到运行的结果。应力情况如图4所示，可以看出最大应力为45.17MPa，而材料的屈服强度为325MPa，325/45.17≈7.2，即安全系数达到7倍以上，表明选用的材料满足现场的应用场合。

图4 单根扁通垫的静应力分析

2.6 使用方法

按每层的棒材贴紧端栏按层错开摆放，并用扁通垫隔开不同层的棒材，替代稻草加固，满足棒材的敞车安全运输要求。

（1）先将两个棒材座架成对放进敞车，并将座架的卡挡卡进敞车的卡座上。

（2）将放倒的所有边栏条及扁通垫立起来，吊放第一层棒材，棒材的端头要求靠近座架的一侧端栏，并放满座架宽度。

（3）将边栏条一的扁通垫放倒于第一层棒材上，吊装第二层棒材，棒材的端头要求与第一层错开摆放，靠近座架的另一侧端栏，如图5所示。

图5 两层棒材堆放状态

（4）将边栏条二的扁通垫放倒于第二层棒材上，吊装第三层棒材，棒材的端头要求靠近座架的一侧端栏，并放满座架宽度，如图6所示。

图6 三层棒材堆放状态

3 预期效益

一套棒材座架的材料及制作成本约为1.6万元，当前条形草支垫成本为368元/车皮，只要棒材座架的返程运费、折旧费及管理成本少于368元，就可以产生一定的效益。据了解，广东返回柳州的汽车运费约为100元/t，一套棒材座架的返程费用为150元；每套座架按5年折旧，每年使用50次，每次折旧费约为64元；管理费每套每次按20元，即每个车皮棒材座架的成本费用约为234元。相比条形草支垫，使用棒材座架每个车皮可以节省134元的费用，按年发运棒材27295个车皮，估计每年将给柳钢集团带来365万元以上收益。

4 结论

《铁路货物装载加固规则》第七十一条规定：符合国家标准、行业标准或铁路总公司企业标准的新型装载加固材料及装置，取得技术检测合格报告后即可使用。由于棒材座架属于新型装载加固装置，涉及装载加固材料行业标准，需要公司与铁道部运输局及铁道部标准计量研究所等相关单位进行多次沟通，并经多次试验、技术检查、整改以形成新的装载加固材料行业标准，棒材座架才能投入实际应用。棒材座架的方案已经申请国家实用新型专利，如棒材座架能够推广使用，将推动柳钢集团乃至全国钢企的循环经济发展，具有很好的社会效益。