铁路平车装载加固用关键部件的安全可靠性研究

王武建

（中国南车集团 二七车辆有限公司，北京100072）

平车是铁路货车4大车型之一，截至2010年底，我国铁路平车约有3.8万辆（不包括集装箱专用平车），占货车总数的6%，其中以N17、N17A系列为主型的普通平车保有量为14 223辆，占平车总量的38%，这些普通平车主要运输钢材、汽车、拖拉机、成箱货物、大型混凝土桥梁及军用装备等货物。自1998年开始兼有普通平车和集装箱车的共用平车开始批量生产，主要车型有NX17系列、NX17B、NX70系列，其保有量为23 080辆，占平车总量的62%，这些共用平车除了具有普通平车的功能外，车体上设置有可翻转的集装箱锁闭装置，还可以运输集装箱。随着多功能、高性能车型的不断投入，一些性能较低、制造年代较长的载重60t级的车辆，尤其是普通平车的运用率有所减少，有的站段和货运港口出现平车积压现象。为充分运用闲置车辆，并在不改变车辆结构的前提下，平车货物运输的安全措施因地制宜地运用车辆的部件和结构特点，研发出了多种平车运输产品，使平车的适载范围不断扩展，车辆运用率不断提高。这些运输产品的装载加固安全依存于铁路平车的装载加固用关键部件的可靠性，直接影响车辆及货物在运行过程中的安全，所以这些关键部件与装载加固方案一样，其安全可靠性成为了运用部门和用户关注的焦点。

1 铁路平车运输安全措施及其装载加固用关键部件的作用

目前，铁路平车的运输产品主要有木材装载架、钢卷加载架、长钢轨运输架、散粒货物箱（如图1～图6），这些产品采用刚性为主、柔性为辅的运输安全措施实现其在铁路平车上的定位和传载，使得普通平车具有了敞车、特种车的功能。运输安全措施因地制宜地运用了铁路平车的部件和结构特点，按与其依存的平车车辆部件和结构划分，可分为柱插类、绳栓类、侧梁类、端梁类、集装箱锁闭类、地板类6种。

图1 普通平车用木材装载架

图2 共用平车用钢卷装载架

图3 普通平车矿石装载箱

图4 平车长钢轨运输架

图5 普通平车用散粒货物箱

图6 共用平车用散粒货物箱

1.1 柱插类

柱插类安全措施是利用铁路平车的柱插来定位或紧固衍生产品的，分柱插夹紧、柱插止挡和柱插捆绑3种，不同的方式产生的作用力也不同。柱插夹紧（如图7）是通过螺纹紧固产生垂直于车体地板的紧固力，垂向紧固力除克服运输产品在运输中的垂向力、防止运输产品的倾覆，与地板形成的摩擦还可克服运输中的纵向力和横向力。结构上，柱插夹紧装置主要是采用焊固在运输产品上的螺柱自上而下穿过柱插，通过螺母将设置在柱插底部的挡板、柱插和运输产品三者紧固为一体。柱插止挡是通过结构配合产生纵向、横向阻挡力保证运输产品的定位和承载，其中柱插纵向止挡（如图8）是柱插在车辆纵向方向受力阻止货物及加固防止纵向移动，而柱插横向止挡是柱插在车辆横向方向受力阻止货物及加固防止横向外涨。柱插捆绑属柔性定位。

图7 柱插紧固

图8 柱插止挡

1.2 绳栓类

绳栓捆绑是利用铁路平车的绳栓来定位或紧固衍生产品的，属柔性紧固。

1.3 侧梁类

侧梁紧固（图9）与柱插夹紧作用一样，只是结构及其作用力点不一样。侧梁紧固采用焊固在运输产品上但可旋转的弓形夹具以及夹具上的螺柱夹紧运输产品和铁路平车的侧梁。螺柱与侧梁的接触点处设置有调整板以适应平车工字钢或H型钢不同结构的侧梁，保证侧梁作用点处的面接触，改善作用力分布。

图9 侧梁紧固

1.4 端梁类

端梁紧固（如图10）是采用螺纹紧固装置实现运输产品与铁路平车端梁的定位和承载，螺纹紧固力直接克服运输产品运输中产生的纵向力，与紧固力转换成摩擦力来克服纵向、横向力的方式相比，其作用效果最显著。但是，适应于铁路平车的端梁紧固类安全措施因平车端渡板、端渡板支架、手制动机结构空间和作业空间的限制，其结构设计空间非常狭小，制造难度较大。

图10 端梁紧固类

1.5 集装箱锁闭类

集装箱锁闭锁固（如图11）是利用共用平车上的集装箱锁头定位、承载运输产品。为与集装箱锁闭装置配合，运输产品对应位置需设置集装箱角件，与国际标准集装箱的运输安全措施方式一样。

图11 集装箱锁闭锁固

1.6 地板类

地板紧固（如图12）是运输产品底部设置的枣核钉钉入铁路平车木地板中来克服运输产品的运输纵向力、横向力的装置，枣核钉在木地板中的握钉力具有防倾覆的功效。

图12 地板枣核钉紧固图

2 装载加固用关键部件的可靠性研究

铁路平车运输产品依存平车车辆部件和结构来实现其安全保障，平车车辆部件和结构的可靠性直接影响安全措施的设计、应用安全。

2.1 柱插强度分析

柱插原设计目的主要是用于在平车侧梁上安装木侧柱，用作装运原木时的横挡，即柱插止挡，尤其是横向止挡为原设计目的，有时也用柱插捆绑定位。近年来各种装载加固方案多采用柱插紧固方式，即柱插主要承受垂直于车体的垂向紧固力。

载重60t级平车多采用的是焊接柱插，比旧型的铸造件相比，其自重降低的同时，Q235或09CuPCrNi-A的材料性能也得到了大幅度提高。以焊接柱插建模，模拟柱插止挡、柱插夹紧的作用力，对柱插施加纵向、横向以及垂向面力的有限元计算结果表明（如表1）：柱插最能承受的是垂向力，极限值可达75kN；而柱插的受力薄弱环节是纵向，纵向力极限值仅为8.5kN，当柱插所受面力超过该极限值时，可能引起柱插的永久变形或断裂，计算情况与柱插纵向压扁的惯性故障（如图13）相符，柱插在外力作用下易纵向压扁。所以设计柱插类安全措施时应多考虑柱插垂向和横向的受力方式，避免柱插纵向受力。

表1 柱插各方向承受极限力值

图13 柱插纵向压扁的惯性故障

针对实际存在的柱插捆绑运用实例，考虑捆绑对柱插的作用，模拟柱插外壁和外角分别为捆绑着力点、捆绑拉力垂向向上或斜向上45°的有限元强度分析得出（如表2）柱插能承受的捆绑拉力为19.9～22.5kN，捆绑的最佳位置是柱插外壁垂直向上，其次是方口外角斜向上45°处，安全措施的方案设计时应优先考虑。另外，柱插方口棱边对捆绑绳索的摩擦切割也应该避免，需增加胶垫等措施加以防护。

表2 柱插捆绑拉力极限值

2.2 绳栓强度分析

既有铁路平车大多采用的绳栓符合TB 1764-1999，材料为ZG 230-450，直径φ30过渡到φ35，铆钉φ16。考虑捆绑对绳栓的作用，模拟绳栓主杆外缘和横杆分别为捆绑着力点、按捆绑拉力垂向向上或斜向上45°两种方向对绳拴进行有限元强度计算，计算结果（如表3）表明，其能承受的捆绑拉力为6.4～12kN，捆绑最佳位置是绳栓横柄斜向上拉，其次是主杆外缘处，安全措施方案设计、实施时应优先考虑绳栓横柄斜向上拉。

表3 绳栓各受力点承受极限力值

2.3 车体侧梁、端梁强度分析

铁路平车侧梁多采用大型工字钢或H型钢，材料性能等级较好。侧梁紧固的作用点为型钢翼边，该处板厚大，结构刚度强，对H型钢侧梁翼边柱插位置处施加柱插75kN的极限垂向载荷，强度计算结果表明作用点处的应力水平很低。铁路平车端梁为L形，连接中、侧梁的端头。端梁紧固的作用点设置在侧梁腹板和端梁L形折弯附近，可以充分应用侧梁腹板和折弯点的压缩强度，应力水平也很低。

2.4 锁闭装置强度分析

铁路平车集装箱锁头定位在集装箱角件底孔内，使得安装角件的集装箱、货物箱、台架式承载架等货物载具拴固在平车上以安全运输。锁头形式由老式的直台锁、突台锁逐步发展到现在的F-TR型鹰头锁，可运输的集装箱单箱总重也由标准的24，30.48t提升到了现在的35t。载重60t级平车多采用突台式锁，其材质为C级铸钢，有限元计算表明锁头能承受的载具总质量约为34t，即以锁闭为安全措施的平车运输产品允许的最大总重为34t，超过该质量的运输产品在铁路平车上运输时可能造成锁头的屈服、断裂。

2.5 地板强度分析

枣核钉在运输产品装载时钉入铁路平车木地板中产生阻力。根据《木材学》资料提供，按松木类（红松）横纹承压时挤压容许应力（任一木构件在使用和载荷条件下，能长期安全承担的最大应力）1.47MPa计算，一般规格为φ12×35的一个枣核钉钉入木地板后可产生约36kg的阻力，枣核钉对地板的挤压超过该值后地板被压变形，造成钉的松动，阻力将丧失。鉴于铁路平车木地板为横铺，为充分利用木材横纹承压大于顺纹承压的特点，枣核钉应尽量纵向分布以避免楔钉力顺纹劈开木地板，且应充分考虑钉的直径和分布数量以免楔钉力过大。由于枣核钉阻力功效不显著，设计平车运输产品的安全措施时建议不以地板紧固为主导安全措施，仅作为提高安全可靠度的方案。

3 结束语

铁路货物运输安全成为我国经济持续快速发展的重要保障，铁路平车运输产品的安全措施方案须依存平车的车辆部件和结构可靠性、可用性、安全性，深入分析平车装载加固用关键部件的结构和强度可以看出，每种部件具有不同的可靠程度，同一部件不同的加固点、不同的加固方向或方式也具有不同的安全性能，只有合理运用平车部件、合理设计安全措施，才能保证平车货物装载加固的安全可靠，充分发挥铁路运输装备的能效，提高装备的适载程度，促进我国铁路货物运输的快速发展。

［1］TB／T 1335-1996.铁道车辆强度设计及试验鉴定规范［S］.

［2］南车二七车辆有限公司.平车用柱插和绳栓强度计算报告［R］.2006.

［3］铁道部科学研究院运输及经济研究所铁路货物装载加固技术研究试验中心.铁科运试字［2007］第13号.铁路普通平车用整体式敞口货物箱稳定性计算及试验报告［R］.2007.

［4］连建华，孙晓云.平车用散堆装货物箱［J］.铁道车辆.2004（11）：18-20.

［5］孙晓云，戴安国，徐海涛.普通平车用敞口货物箱的研制［J］.铁道车辆.2009（2）：24-26.