王偉

近年來，我國罐式集裝箱（以下簡稱“罐箱”）運(yùn)輸發(fā)展迅速，滿足鐵路運(yùn)輸要求的罐箱也呈現(xiàn)快速增長趨勢。鐵路罐箱不僅須通過鐵路主管部門規(guī)定的沖擊試驗(yàn)（以下簡稱“鐵路沖擊試驗(yàn)”），還須通過船級社規(guī)定的沖擊試驗(yàn)（以下簡稱“動態(tài)撞擊試驗(yàn)”）。本文針對不同型號和尺寸罐箱進(jìn)行鐵路沖擊試驗(yàn)和動態(tài)撞擊試驗(yàn)實(shí)例研究，分別獲得兩種沖擊試驗(yàn)結(jié)果和規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，對罐箱耐沖擊設(shè)計(jì)提出建議。

1 鐵路罐箱沖擊試驗(yàn)要求及目的

1.1 鐵路沖擊試驗(yàn)要求及目的

根據(jù)中國國家鐵路集團(tuán)有限公司發(fā)布的TG/HY 105―2017《鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸管理規(guī)則》第13章第86條規(guī)定，罐箱應(yīng)進(jìn)行框架靜強(qiáng)度及沖擊試驗(yàn)。鐵路沖擊試驗(yàn)的目的是考核當(dāng)列車運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生急劇變化（突然啟動、 制動等）時以及車輛受到調(diào)車沖擊時，罐體與框架聯(lián)結(jié)部位及框架的工作應(yīng)力能否滿足強(qiáng)度要求。

1.2 動態(tài)撞擊試驗(yàn)要求及目的

2006年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織將動態(tài)撞擊試驗(yàn)納入 ISO 1496-3-1995 《系列1 貨運(yùn)集裝箱 規(guī)范與試驗(yàn)第3部分：液體、氣體及加壓干散貨用罐式集裝箱》。同年，聯(lián)合國修訂《關(guān)于危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)慕ㄗh書――試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)手冊》（以下簡稱《試驗(yàn)手冊》）第4部分第41節(jié)有關(guān)撞擊試驗(yàn)的要求，使之與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的規(guī)定保持一致。隨后，國際海事組織發(fā)布的《國際海運(yùn)危險(xiǎn)貨物規(guī)則》也對動態(tài)撞擊試驗(yàn)作出規(guī)定，要求從2008年1月1日起，符合《國際集裝箱安全公約》定義的罐箱樣箱設(shè)計(jì)必須符合《試驗(yàn)手冊》的撞擊試驗(yàn)要求。在針對動態(tài)撞擊試驗(yàn)的研究中，劉剛[1]詳細(xì)闡述了動態(tài)撞擊試驗(yàn)的發(fā)展歷程。動態(tài)撞擊試驗(yàn)的目的是以國際通用和公認(rèn)的方法，模擬罐箱在真實(shí)環(huán)境下遭受的沖擊，并測試罐箱在遭受沖擊后能否保持正常的使用狀態(tài)。

2 鐵路罐箱沖擊試驗(yàn)方法

2.1 鐵路沖擊試驗(yàn)方法

鐵路沖擊試驗(yàn)的參照標(biāo)準(zhǔn)主要是TB/T 1335―1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》和TB/T 2369―2010《鐵道車輛沖擊試驗(yàn)方法》。如圖1所示，鐵路沖擊試驗(yàn)裝置包括帶坡道的沖擊線、被沖擊車輛和罐箱、阻擋車輛等。

2.1.1 沖擊車及被試罐箱狀態(tài)

鐵路沖擊試驗(yàn)中，用沖擊車沖撞停在平直線路上處于非制動狀態(tài)的受試車（用于承載被試罐箱），另有數(shù)輛處于制動狀態(tài)的車輛（阻擋車）停在受試車后方（非沖擊端）約1 m處，以限制受試車受沖擊后的移動距離。沖擊車通常選用總質(zhì)量為92 t左右、裝有MT-2型緩沖器、裝載散裝或袋裝貨物的敞車，試驗(yàn)時其從斜坡上的適當(dāng)高度處靠重力作用自由溜下斜坡。受試車一般選用鐵路集裝箱平車。在保證試驗(yàn)安全的前提下，被試罐箱充裝的試驗(yàn)介質(zhì)可以是工作介質(zhì)，也可以是水等其他介質(zhì)，裝載后被試罐箱總質(zhì)量須達(dá)到額定質(zhì)量。當(dāng)采用非工作介質(zhì)時，應(yīng)模擬工作介質(zhì)實(shí)際裝載質(zhì)量及重箱重心高度。

2.1.2 測試參數(shù)

鐵路沖擊試驗(yàn)測試參數(shù)包括沖擊速度、沖擊加速度、構(gòu)件應(yīng)力等，其中，構(gòu)件應(yīng)力為主要考評指標(biāo)。罐箱框架應(yīng)力采用電阻應(yīng)變片法測量，測點(diǎn)通常位于結(jié)構(gòu)斷面突變、圓弧過渡等應(yīng)力集中區(qū)域及材料變化位置，并盡可能地布置在焊縫附近或零部件邊緣。測點(diǎn)的選擇參考有限元強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。

2.1.3 沖擊試驗(yàn)方法

將沖擊車沿斜坡拉至一定位置后溜放，使沖擊車與被沖擊車相撞。試驗(yàn)要求沖擊車分別以3～/h的速度對罐箱兩端進(jìn)行沖擊，每個速度級至少進(jìn)行3次數(shù)據(jù)重復(fù)性較好的沖擊;測量罐箱框架及其與罐體聯(lián)結(jié)部位的應(yīng)力，在試驗(yàn)過程中隨時觀察罐箱狀態(tài)（有無變形或損傷）。

2.1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果判定

在處理沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)時，構(gòu)件動應(yīng)力濾波截止頻率為100 Hz，加速度濾波截止頻率不小于32 Hz。在沖擊記錄參數(shù)隨時間變化的歷程中，單個測試項(xiàng)只取最大值作為測量值。參照TB/T 1335―1996 《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》中車輛沖擊試驗(yàn)的第二工況，評價罐箱與框架聯(lián)結(jié)部位及框架的強(qiáng)度要求，此時合成應(yīng)力

3= 1+ 2

式中： 3為第二工況合成應(yīng)力; 1為垂向靜應(yīng)力; 2為第二工況壓縮時的應(yīng)力。合成后的應(yīng)力值應(yīng)不大于第二工況下的許用應(yīng)力。如果罐箱框架上任何測點(diǎn)的合成應(yīng)力超過所用材料的許用應(yīng)力，則判定該罐箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足鐵路運(yùn)輸安全要求。

2.2 動態(tài)撞擊試驗(yàn)方法

動態(tài)撞擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)主要有《試驗(yàn)手冊》和ISO 1496-3-1995《系列1貨運(yùn)集裝箱 規(guī)范與試驗(yàn) 第3部分：液體、氣體及加壓干散貨用罐式集裝箱》。動態(tài)撞擊試驗(yàn)裝置與鐵路沖擊試驗(yàn)裝置基本相同甚至共用。

2.2.1 沖擊車及被試罐箱狀態(tài)

對沖擊車質(zhì)量和速度無剛性規(guī)定，原則上沖擊車與被沖擊車質(zhì)量盡可能相等且一般裝有MT-2型緩沖器。被試罐箱裝水至罐體容積的97%;如果因?yàn)榭赡艹囟灰搜b至罐體容積的97%，則被試罐箱裝水后的試驗(yàn)質(zhì)量（包括罐箱自身質(zhì)量）應(yīng)盡可能接近其最大額定質(zhì)量。試驗(yàn)時無須模擬重箱重心高度。

2.2.2 測試參數(shù)

動態(tài)撞擊試驗(yàn)測試參數(shù)包括沖擊速度、沖擊加速度、沖擊響應(yīng)譜（shock response spectrum，SRS）曲線等。

2.2.3 沖擊試驗(yàn)方法

被試罐箱安裝在被沖擊車上靠近撞擊端的位置，用4個角件加以固定，使之在所有方向的移動均受到限制。沖擊速度等級和沖擊次數(shù)沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，沖擊速度跨度較大，每個速度僅沖擊一次，且僅對罐箱一端進(jìn)行沖擊，一般經(jīng)過3～4次沖擊即可達(dá)到試驗(yàn)終止條件。

2.2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果判定

對于罐箱主體結(jié)構(gòu)（容器及框架）來說，角件上的沖擊波相當(dāng)于罐箱整體的外激勵，將角件實(shí)測的加速度時域響應(yīng)通過一定的SRS算法轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的SRS曲線，并與標(biāo)準(zhǔn)的SRS曲線進(jìn)行比較，模擬罐箱在當(dāng)次沖擊下是否達(dá)到所需的沖擊環(huán)境要求。在針對動態(tài)撞擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的研究中，劉鳳芹和閆偉[2]詳細(xì)描述了SRS算法和動態(tài)撞擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程。

動態(tài)撞擊試驗(yàn)合格的判定依據(jù)為：被試罐箱2個底角件上的SRS曲線在3～100 Hz范圍內(nèi)所有頻率都必須等于或超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小SRS曲線;沖擊前后被試罐箱頂面對角線長度差值變化量不大于13 mm，側(cè)面對角線長度差值變化量不大于;被試罐箱不得出現(xiàn)明顯的屈服變形、焊縫開裂或其他結(jié)構(gòu)損壞。

2.3 鐵路沖擊試驗(yàn)與動態(tài)撞擊試驗(yàn)比較

（1）試驗(yàn)裝置基本相同甚至共用。

（2）鐵路沖擊試驗(yàn)過程比較煩瑣復(fù)雜，而動態(tài)撞擊試驗(yàn)則相對直接簡單。不過，鐵路沖擊試驗(yàn)有嚴(yán)格的沖擊速度等級和沖擊次數(shù)，并從低速開始逐步提高沖擊速度，可最大程度地避免對被試罐箱造成非正常損壞。

（3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和考評依據(jù)不同。鐵路沖擊試驗(yàn)對罐箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的評價主要依據(jù)關(guān)鍵部位的應(yīng)力值，無法直接得到整體結(jié)構(gòu)對沖擊的響應(yīng)特性;而采用SRS的縱向動態(tài)撞擊試驗(yàn)?zāi)軌颢@得整體結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊作用的效果，從而評估沖擊對結(jié)構(gòu)的損傷和破壞勢。

3 鐵路罐箱沖擊試驗(yàn)實(shí)例

結(jié)合不同尺寸和不同結(jié)構(gòu)的4種罐箱，對鐵路沖擊試驗(yàn)和動態(tài)撞擊試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)例研究。

3.1 鐵路沖擊試驗(yàn)實(shí)例

分別對1個20英尺罐箱（罐箱A）和1個40英尺罐箱（罐箱B）的鐵路沖擊試驗(yàn)進(jìn)行分析研究。罐箱A和罐箱B鐵路沖擊試驗(yàn)裝置主要技術(shù)參數(shù)見表1。為了便于后文分析，表1同時給出另外兩種罐箱（罐箱C和罐箱D）的主要技術(shù)參數(shù)。

3.1.1 罐箱A鐵路沖擊試驗(yàn)

罐箱A框架及其與罐體聯(lián)結(jié)部位共計(jì)37個應(yīng)力測點(diǎn)，其中有效測點(diǎn)30個，部分測點(diǎn)及貼片位置如圖2所示。罐箱A有限元模型按沖擊加速度為40 m/s2施加載荷。罐箱A試驗(yàn)測點(diǎn)理論應(yīng)力與實(shí)測應(yīng)力比較見表2。30個試驗(yàn)測點(diǎn)中：理論應(yīng)力與實(shí)測應(yīng)力接近（差值在25 MPa以內(nèi)）的測點(diǎn)有13個;實(shí)測應(yīng)力明顯高于理論應(yīng)力的測點(diǎn)有14個;實(shí)測應(yīng)力明顯低于理論應(yīng)力的測點(diǎn)有3個;除測點(diǎn)5、測點(diǎn)6的實(shí)測應(yīng)力與許用應(yīng)力較為接近外，其余測點(diǎn)無論是實(shí)測應(yīng)力還是理論應(yīng)力均遠(yuǎn)低于許用應(yīng)力。

3.1.2 罐箱B鐵路沖擊試驗(yàn)

罐箱B框架及其與罐體聯(lián)結(jié)部位共計(jì)32個應(yīng)力測點(diǎn)，其中有效測點(diǎn)32個，部分測點(diǎn)及貼片位置如圖3所示。罐箱B有限元模型按沖擊加速度為45 m/s2施加載荷。罐箱B試驗(yàn)測點(diǎn)理論應(yīng)力與實(shí)測應(yīng)力比較見表3（由于對罐箱B的兩端分別進(jìn)行沖擊，所以實(shí)測應(yīng)力有2個數(shù)據(jù)）。32個試驗(yàn)測點(diǎn)中：理論應(yīng)力與實(shí)測應(yīng)力接近（差值在25 MPa以內(nèi)）的測點(diǎn)有5個;實(shí)測應(yīng)力明顯高于理論應(yīng)力的測點(diǎn)有26個;實(shí)測應(yīng)力明顯低于理論應(yīng)力的測點(diǎn)有1個;除測點(diǎn)3、測點(diǎn)9、測點(diǎn)26、測點(diǎn)28和測點(diǎn)32的實(shí)測應(yīng)力與許用應(yīng)力較為接近外，其余測點(diǎn)無論是實(shí)測應(yīng)力還是理論應(yīng)力均遠(yuǎn)低于許用應(yīng)力。另外，32個試驗(yàn)測點(diǎn)中有3組對稱結(jié)構(gòu)點(diǎn)，分別是測點(diǎn)5與測點(diǎn)32、測點(diǎn)15與測點(diǎn)30、測點(diǎn)8與測點(diǎn)31，其中，前兩組對稱點(diǎn)的實(shí)測應(yīng)力大體相當(dāng)，后一組對稱點(diǎn)的實(shí)測應(yīng)力相差較大。

3.2 動態(tài)撞擊試驗(yàn)實(shí)例

四種罐箱（罐箱E、F、G和H）動態(tài)撞擊試驗(yàn)裝置主要技術(shù)參數(shù)見表4，其中，罐箱E由不同試驗(yàn)單位分別進(jìn)行一次試驗(yàn)。通過分析四種罐箱在試驗(yàn)終止時的沖擊速度及SRS曲線可知：（1）在沖擊車和被沖擊車的質(zhì)量均不相同的條件下，同一被試罐箱在不同的沖擊速度下均可獲得滿足要求的SRS曲線;（2）在沖擊車質(zhì)量相同的條件下，被沖擊車質(zhì)量較小的同一被試罐箱可以在相對較低的沖擊速度下獲得滿足要求的SRS曲線。需要注意的是，由于實(shí)測的SRS曲線遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)SRS曲線，還需要進(jìn)一步積累數(shù)據(jù)驗(yàn)證本結(jié)論。

4 鐵路罐箱設(shè)計(jì)建議

4.1 基于鐵路沖擊試驗(yàn)的罐箱設(shè)計(jì)建議

由表1可見：鐵路沖擊試驗(yàn)中，罐箱A、B、C、D實(shí)測20 Hz濾波下的沖擊加速度為30～40 m/s2，40 Hz濾波下的沖擊加速度為45～50 m/s2。由于集裝箱角件與車輛上的鎖座存在縱向間隙，導(dǎo)致在沖擊過程中集裝箱的縱向加速度較大。[3]根據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)沖擊速度為8 km/h時，集裝箱角件和下端梁中部實(shí)測加速度為40～60 m/s2。在本文涉及的罐箱A鐵路沖擊試驗(yàn)中，90%的測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)力大于或接近沖擊加速度按40 m/s2進(jìn)行有限元分析提取的應(yīng)力;在本文涉及的罐箱B鐵路沖擊試驗(yàn)中，97%的測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)力大于或接近沖擊加速度按45 m/s2進(jìn)行有限元分析提取的應(yīng)力。基于上述分析，對于進(jìn)行鐵路沖擊試驗(yàn)考核的罐箱，建議至少按沖擊加速度40～50 m/s2考慮設(shè)計(jì)其縱向慣性力，考評依據(jù)TB/T 1335―1996 《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》進(jìn)行。

4.2 基于動態(tài)撞擊試驗(yàn)的罐箱設(shè)計(jì)建議

根據(jù)ISO 1496-3-1995《系列1貨運(yùn)集裝箱 規(guī)范與試驗(yàn) 第3部分：液體、氣體及加壓干散貨用罐式集裝箱》附錄D，當(dāng)受試罐箱被撞擊速度高于臨界速度（緩沖裝置達(dá)到其最大行程和能量吸收能力時的速度）時，必然會得到最小SRS曲線（緩沖裝置完全壓縮）。緩沖裝置完全壓縮后達(dá)到其最大阻抗力，而根據(jù)力的相互作用原理，臨界速度下被沖擊車受到的沖擊力等于緩沖裝置的最大阻抗力。以罐箱E、F、G、H為例：沖擊車和被沖擊車均采用MT-2型緩沖器，其最大阻抗力為2 500 kN;采用動化靜的方式換算得到，要獲得合格的SRS曲線，罐箱E、F、G、H的沖擊加速度至少分別為 43.5 m/s2、35.0 m/s2、34.6 m/s2和43.6 m/s2。通過大量動態(tài)撞擊試驗(yàn)測得，當(dāng)達(dá)到試驗(yàn)終止條件時，罐箱底角件處加速度的范圍為40～ 60 m/s2（20 Hz濾波）。基于上述分析，對于進(jìn)行動態(tài)撞擊試驗(yàn)考核的罐箱，建議至少按沖擊加速度40～ 50 m/s2考慮設(shè)計(jì)其縱向慣性力，考評以試驗(yàn)工況下罐箱各構(gòu)件整體強(qiáng)度不超過其材料屈服強(qiáng)度為準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

（1）鐵路沖擊試驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)對罐箱關(guān)鍵部位受力情況的定量考評，但無法直觀評價結(jié)構(gòu)的整體抗沖擊性能，尤其在測點(diǎn)偏少或測點(diǎn)布置不合理的情況下更是如此。此外，試驗(yàn)結(jié)果受樣本個體差異影響較大，相同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在不同制造誤差下，同一測點(diǎn)測試結(jié)果可能存在明顯差別。

（2）動態(tài)撞擊試驗(yàn)?zāi)軌蚍从诚潴w結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊作用的響應(yīng)效果;但由于“SRS曲線高于標(biāo)準(zhǔn)SRS曲線”判定標(biāo)準(zhǔn)的自由度較大，在試驗(yàn)時，為了較易獲得合格的SRS曲線，沖擊速度變化過大極易損壞罐箱。

（3）在研制適用于鐵路沖擊試驗(yàn)和動態(tài)撞擊試驗(yàn)的罐箱時，可以統(tǒng)一按沖擊加速度40～50 m/s2考慮設(shè)計(jì)其縱向慣性力，但合格判據(jù)應(yīng)有所區(qū)別。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉剛. 基于流固耦合的罐式集裝箱鐵路沖擊試驗(yàn)仿真研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2011.

[2] 劉鳳芹，閆偉. 基于沖擊響應(yīng)譜法的罐式集裝箱沖擊試驗(yàn)研究[J]. 中國船檢，2014（4）：80-82.

[3] 王春山，金星，劉宏友，等. 鐵路貨車縱向沖擊特性[M]. 北京：中國鐵道出版社，2016.

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2019-09-25）