大风条件下货车篷布和绳网试验分析

李 鑫，熊小慧

（1.铁道部 运输局，北京 100844；2.中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410075）

大风条件下货车篷布和绳网试验分析

李 鑫1，熊小慧2

（1.铁道部 运输局，北京 100844；2.中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410075）

在南疆线前百公里风区和兰新线百里风区，进行了3 次大风条件下的货车篷布、篷布绳索和绳网试验。试验结果表明：D 型篷布主要技术指标优于X 型篷布；篷布的强度指标能够满足大风条件下的运输安全要求；挡风墙和防风网可以有效降低篷布绳索受到的气动力；最大平均风速达到 32 m/s以上时，篷布、篷布绳索和绳网均出现损坏，影响运输安全；篷布绳网可以有效降低篷布绳索气动力；弹力绳可以有效解决货物沉降造成的篷布松懈问题。

铁路运输；货车篷布；篷布绳网；安全；大风条件

货车篷布是铁路货车辅助用具，主要用于苫盖敞车装运的怕湿、易燃货物。20 世纪 90 年代以后，铁路运输中开始使用涤纶涂塑篷布 ( X 型篷布)。X 型篷布大小为 9.1 m × 5.5 m，一车苫盖2张。近年来，为满足客、货运列车大面积提速的需要，铁道部研制了采用新技术、新材料的 D 型篷布和篷布绳网，D 型篷布大小为15.0 m × 5.3 m，一车苫盖1张。为测试 D 型篷布和 X 型篷布的技术性能，分析绳网和弹力绳的使用效果，提出符合运输安全要求的技术指标，完善大风条件下铁路行车组织办法，铁道部组织开展了大风条件下的货车篷布、篷布绳索和绳网试验。

1 大风条件下的篷布试验概况

货车空气动力学研究表明，车辆空气动力效应在3种条件下最为突出，即货物列车在隧道内高速运行及交会、通过大风地区、与高速旅客列车交会，此时货车篷布、篷布绳索及绳网的受力最为不利。对敞车而言，装载的货物种类繁多，装载方式多样 (如是否超车帮) 直接影响篷布、篷布绳索及绳网的受力状态，而且在列车高速运行过程中可能会因货物沉降等原因导致货物的装载状态发生改变，从而影响篷布、篷布绳索及绳网的受力。因此，货车篷布、篷布绳索和绳网的受力是一个随列车运行状态、货物装载状态的变化而动态变化的过程[1]。

1.1 试验方案设计

在新疆风区中，阿拉山口和兰新线三十里风口的风向与线路夹角较小，一般不会造成列车翻车事故，但却存在列车溜逸、集装箱或篷布等设备被刮落的危险；在南疆线前百公里风区和兰新线百里风区，列车主要受横向风影响，对铁路运输安全的威胁最大，几乎所有的铁路风灾事故都发生在这一地区[2-4]。

试验一共进行3次，试验列车最高运行速度为80 km/h，主要测试内容是货车篷布、篷布绳索和绳网受到的气动力和篷布应力，同时进行了运行状态图像监控。

第1次试验在南疆线前百公里风区进行1个往返测试，从吐鲁番出发至望布，再从望布返回吐鲁番，期间最大瞬时风速为 22.1 m/s，最大平均风速为 21.9 m/s。试验列车编组如图1所示。为检验防风网效果，到达望布站后，在敞车2上加盖了防风网。试验共布置 210 个篷布绳索和绳网拉力测点、32 个篷布应力测点。

第2次试验在南疆线前百公里风区进行2个往返测试。第1个往返从吐鲁番出发至望布，再从望布返回吐鲁番，期间最大瞬时风速为 28.0 m/s，最大平均风速为 27.4 m/s；第2个往返从吐鲁番出发至珍珠泉，再从珍珠泉返回吐鲁番，期间最大瞬时风速为 37.1 m/s，最大平均风速为 32.7 m/s。试验列车编组如图2所示。试验共布置 203 个篷布绳索和绳网拉力测点、24 个篷布应力测点。

第3次试验在兰新线百里风区进行2个往返试验，从鄯善出发至红层，再从红层返回至鄯善。试验期间最大瞬时风速为 40 m/s (13 级)、平均风速 35 m/s(12 级)。试验列车编组如图3所示。试验共布置 40 个篷布绳索拉力测点、28 个绳网拉力测点和12 个防风网拉力测点。

1.2 主要测试设备

试验气动力测试系统组成及原理如图4所示。该系统以计算机为中心，在软件的支持下集成多种虚拟仪器功能，能对多点、多种随时间变化的参量(篷布空气压力和篷布绳索、绳网拉力等) 进行动态的实时测量，有效排除噪声干扰、消除偶然误差、修正系统误差，从而实现测量结果的高准确度和对被测信号的高分辨能力。

2 试验数据分析

2.1 篷布绳索、绳网最大拉力和篷布最大应力测试

通过3次试验得知，大风环境下 D 型篷布和X型篷布最大绳索拉力分别为 2 238 N 和 2 420 N，篷布绳网受到的最大拉力为 720 N。

第1次试验测得的篷布最大应力为 13.28 MPa，第2次试验测得的篷布最大应力为 21.03 MPa。根据《货车D型篷布技术条件》，篷布的破断拉力取3 500 N/50 mm，可计算其极限应力：

参考《铁路车辆强度设计及试验鉴定规范》(TB1335—78)，安全系数取为1.5，可得到篷布许用应力：

按照技术条件规定，篷布绳索破断拉力不小于8 400 N，绳网绳索破断拉力不小于 1 500 N。试验中篷布绳索、绳网最大拉力和篷布最大应力均小于许用值。

分析第1次试验数据可知，篷布绳索拉力随着风速增加迅速增大，篷布绳索拉力约与风速的1.8次方成正比，两者的关系为：

y＝4.2 4 1 7 x1.7523⑴式中：y 为篷布绳索拉力；x 为风速。

货车篷布绳索拉力随风速变化曲线如图5所示。

2.2 篷布、绳网破损情况

在无挡风墙区段，最大平均风速达到 31.5 m/s以上时，货车篷布、篷布绳索、绳网均出现不同程度的损坏，具体情况如下。

（1）X 型篷布撕裂较为严重，篷布搭接处明显兜风。D 型篷布因摩擦和应力集中出现局部破损和撕裂现象，其眼圈处有被拉脱的现象。

（2）D 型篷布绳索出现损坏，且因摩擦出现拉毛现象。每张 D 型篷布有7根弹力绳，第3次试验中，有2辆车的篷布非弹力绳有磨断的情况；使用了弹力绳的6辆车中，5 辆车 10 根弹力绳的系绳有拔脱的情况，2 辆车2根弹力绳的橡胶棒有断开的情况，只有1辆车的弹力绳没有损坏。

（3）篷布绳网出现了较为严重的断裂。第3次试验中，9 辆车中共有8辆车的篷布绳网有磨断的情况，但磨断的部位较少，磨断处一般都在车厢上凸出的部位。

列车通过有挡风墙区段 (最大平均风速 34.8 m/s)时，货车篷布、篷布绳索和绳网磨损程度明显减轻，只有少量篷布绳索和绳网被磨断。

2.3 不同装载方式下的篷布绳索受力比较

表1—表3为3次试验中测得的不同装载方案下货车篷布绳索拉力平均值。

（1）在有绳网或无绳网情况下，无论是 D 型篷布还是 X 型篷布，货物不超出车帮时，由于敞车内部用篷布支架架空，兜风现象严重，所以篷布绳索受到的气动力比货物超出车帮但小于 1 m 时大 10%～20%。

（2）篷布绳网在降低篷布绳索气动力中发挥了重要作用，大部分工况下无绳网时篷布绳索受到的气动力比有绳网时大 30%～40%。

表1 第 1 次试验中不同装载方案下篷布绳索拉力平均值 N

表2 第 2 次试验中不同装载方案下篷布绳索拉力平均值 N

表3 第 3 次试验中不同装载方案下篷布绳索拉力平均值 N

（3）第1次试验时，工况6和工况2发生在同一地点，工况6的平均风速为 19.3 m/s，工况2的平均风速为 21.9 m/s。其中，在有绳网 X 型篷布的装载方式下，工况6加盖了防风网，工况2没有加盖防风网，工况6的篷布绳索拉力比工况2小约46%；在其他5种装载方式下，工况6和工况2均没有加盖防风网，工况6的篷布绳索拉力比工况2小约 11%。由此可见，防风网能使篷布绳索拉力减小30%～40%。

2.4 弹力绳的效果分析

使用弹力绳的目的是防止货车在经过一段时间运行后，内装货物沉降导致的篷布松懈。在第3次试验中，对弹力绳的使用效果进行了跟踪测量，试验区段为乌西—鄯善—红层，运行里程约 900 km，运行时间约3天，风力平均9级。试验中共有6辆货车使用了弹力绳。经统计分析，始发站货物装车后弹力部分平均拉伸量为 132 mm，终到站货物卸车前弹力部分平均缩短量为 76 mm，其变化范围如表4所示。由此可见，弹力绳起到了很好的加固作用。

《篷布使用作业技术条件》规定弹力绳在现场捆绑时应伸长 300 mm，但从实际测试来看，伸长量在 100～150 mm 较为合适。

2.5 挡风墙的效果分析

在第2次试验中，货车篷布绳索拉力在路堤上且无挡风墙时 (工况6) 最大，在路堑中 (工况7) 最小。经分析试验中的其他数据，篷布绳索在挡风墙区域受到的气动力仅为无挡风墙区域的 45%～70%。

表4 弹力绳弹力部分的变化范围

2.6 货车篷布远程录像监视结果及分析

为监视货车篷布在大风条件下的状态，3 次试验均布置了摄像头，监控结果如下：背风面篷布晃动程度大于迎风面；篷布晃动的剧烈程度取决于环境风速，随着试验风速的增大，篷布兜风与晃动情况越发显著；货车速度对篷布晃动的剧烈程度影响较小；无绳网 X 型篷布晃动剧烈，搭接口很容易吹开；有绳网篷布的晃动幅度明显小于无绳网篷布；篷布兜风与晃动情况与挡风墙类型无显著联系；整个实验过程中，篷布绳索和绳网无明显松动，无绳扣松脱。

3 结论

（1）D 型篷布主要技术指标优于 X 型篷布，应淘汰 X 型篷布，大力发展 D 型篷布，这样既能保证运输安全，又能显著节省篷布购置资金和苫盖成本。

（2）在最大瞬时风速 40 m/s (13级)、平均风速35 m/s (12级) 的条件下，篷布绳索、绳网最大拉力和篷布最大应力均小于许用值，说明篷布的强度指标能够满足列车运行安全要求。

（3）在大风地区试验中，挡风墙和防风网可以有效降低货车篷布绳索受到的气动力，在大风剧烈地区，为保证运输安全，修建挡风墙、苫盖防风网是必要的。

（4）最大平均风速达到 31.5 m/s 以上时，无论是 D 型篷布、X型篷布，还是篷布绳索、绳网均出现不同程度的损坏，可能会影响运输安全。可参考试验结果，完善大风条件下的行车组织办法。

（5）篷布绳网可以有效降低篷布绳索受到的气动力，保证运输安全。

（6）弹力绳可以有效解决货物沉降造成的篷布松懈问题，但弹力绳的质量有待加强，关键是要避免出现弹力棒拔脱或断开的情况，弹力绳在现场捆绑时伸长量应更改为 100～150 mm。

[1] 中南大学，中国铁道科学研究院标准计量研究所. 篷布、篷布绳网和篷布绳索综合试验研究总报告[R]. 长沙：中南大学，2010.

[2] 葛盛昌. 新疆铁路风区大风天气列车安全运行办法研究[J].铁道运输与经济，2009，31(8)：32-34.

[3] 赵紫红. 铁路货车篷布管理存在问题的分析与建议[J]. 铁道货运，2006，24(9)：31-33.

[4] 田红旗. 中国列车空气动力学研究进展[J]. 交通运输工程学报，2006，6(1)：1-9.

Test Analysis of Freight Cars Tarpaulin and Rope Network under Strong Wind

LI Xin1, XIONG Xiao-hui2

(1. Transport Bureau, Ministry of Railways, Beijing 100844, China; 2. School of Traffic and Transport Engineering,Changsha 410075, Hunan, China)

This paper introduces the three times freight car tarpaulin and rope network test under strong wind in the area of hundred-mile wind area of South Xinjiang Line and Lanzhou-Xinjiang Line. The test result shows the main technical indices of D type tarpaulin are excelled to that of X type tarpaulin; the intensity index of the tarpaulin could satisfy the requirement of traf fi c safety under strong wind; the windbreak wall and wind-break network could effectively reduce the aerodynamic force on tarpaulin rope; when the maximum average wind speed above 32 m/s, the tarpaulin rope and rope network will be all damaged and influence the traffic safety; the tarpaulin rope network could effectively reduce the aerodynamic force of tarpaulin rope; and the elastic ropes could resolve the problem of tarpaulin loosening produced by goods settlement.

Railway Transportation; Freight Car Tarpaulin;Tarpaulin Rope Network; Safety; Strong Wind Condition

1003-1421(2011)01-0075-06

U294.22；U298.3

A

2010-12-25

铁道部科技研究开发计划项目(Z2007-081，2007X012-F)

责任编辑：冯姗姗