李可佳，陸 松，殷 濤，劉 飛

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081)

鐵路輪渡運(yùn)輸是鐵路在水上延伸運(yùn)輸?shù)膫鹘y(tǒng)模式，鐵路列車開進(jìn)渡船，通過渡輪將水域與陸路的鐵路線連接起來，實(shí)現(xiàn)直達(dá)運(yùn)輸。鐵路輪渡運(yùn)輸采用滾動(dòng)裝卸方式替代吊機(jī)裝卸方式，具有低碳優(yōu)勢(shì)，可以避免鐵水聯(lián)運(yùn)途中兩裝兩卸、效率低、周期長(zhǎng)、損耗大、成本高等缺點(diǎn)[1]。全球的鐵路輪渡線主要集中在歐洲和北美地區(qū)，其中歐洲約占45%，北美約占30%，亞洲及南太平洋地區(qū)約占25%。我國(guó)有粵海鐵路輪渡、煙大鐵路輪渡和長(zhǎng)江鐵路輪渡?；浐ｈF路輪渡于2003年初投入運(yùn)營(yíng)，對(duì)海南的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和自貿(mào)港建設(shè)發(fā)揮了重要作用。根據(jù)《關(guān)于粵?；疖囕喍?、海南西環(huán)線?？谀隙伍_通運(yùn)營(yíng)及辦理貨物直通運(yùn)輸?shù)耐ㄖ?鐵運(yùn)函[2003]47號(hào))規(guī)定對(duì)平車、罐車等車型、敞車裝載的貨物高出端側(cè)墻等情況限制通過，在較大程度上限制了輪渡的運(yùn)輸能力。近年來，隨著海南省經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，進(jìn)出海南島貨物種類日益增多，對(duì)放開裝載車型限制有著強(qiáng)烈需求[2-3]。目前由于缺乏鐵路列車渡船設(shè)計(jì)能力下的實(shí)際航運(yùn)測(cè)試數(shù)據(jù)，裝載技術(shù)條件不盡完善。因此，為最大限度解除目前對(duì)平車、罐車等車型的限制，充分釋放粵海鐵路輪渡鐵水聯(lián)運(yùn)能力，需要開展粵海輪渡鐵路列車甲板貨車裝載技術(shù)條件理論及試驗(yàn)研究。

1 粵海鐵路輪渡貨物運(yùn)輸穩(wěn)定性模型構(gòu)建

鐵路列車在渡船甲板上有車鉤拉牽加固和千斤頂支撐，但由于船體振動(dòng)、搖擺產(chǎn)生的慣性加速度和傾角會(huì)對(duì)車輛及所裝載貨物的穩(wěn)定性造成影響。既有研究通過動(dòng)力學(xué)仿真分析粵海鐵路輪渡運(yùn)輸?shù)陌踩裕鄙僭囼?yàn)數(shù)據(jù)支撐[4-6]。特別是在6 ～ 8級(jí)風(fēng)的臨界封港海況下航運(yùn)時(shí)，渡船鐵路列車甲板加速度、搖擺角變化情況，以及鐵路列車所裝貨物的加速度、加固力都會(huì)影響貨物的穩(wěn)定狀態(tài)。為充分驗(yàn)證粵海鐵路輪渡貨物運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性，需要通過測(cè)量貨物的加速度和傾斜角對(duì)其裝載加固效果進(jìn)行校驗(yàn)[7]。

1.1 穩(wěn)定性影響因素

（1）慣性力。輪渡運(yùn)輸與鐵路運(yùn)輸對(duì)貨物產(chǎn)生慣性力的誘因不同。貨物在輪渡運(yùn)輸途中所受的慣性力，主要源于船體的振動(dòng)、搖擺和沖擊等因素[8]。發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳的干擾力、波浪對(duì)船體的沖擊和舵力都會(huì)對(duì)貨物的振動(dòng)和搖擺產(chǎn)生影響，振動(dòng)和搖擺疊加后呈現(xiàn)正弦規(guī)律。渡船航行時(shí)沖擊主要由波浪拍擊船體導(dǎo)致，但波浪沖擊不影響船體搖擺的正弦規(guī)律。碰撞一般出現(xiàn)在船體靠岸時(shí)，但由于碰撞的偶然性較大，因此海運(yùn)部門在校核貨物加固強(qiáng)度時(shí)不予考慮。在鐵路運(yùn)輸中，粗糙的軌道軌面、軌道接點(diǎn)的不連續(xù)、車輪不平衡、踏面磨損均會(huì)造成貨物垂向振動(dòng)，車輪輪緣在軌道上的橫向竄動(dòng)會(huì)引起貨物橫向振動(dòng)，列車起動(dòng)、制動(dòng)會(huì)給貨物提供縱向慣性力，垂向、橫向和縱向的慣性加速度疊加形成隨機(jī)振動(dòng)。在甩掛、駝峰調(diào)車等工況下，列車會(huì)對(duì)貨物產(chǎn)生縱向沖擊力。

（2）搖擺頻率。船體在航行中的搖擺頻率遠(yuǎn)小于鐵路車輛行駛中的振動(dòng)頻率。以正常運(yùn)行速度產(chǎn)生最大橫向加速度的工況為例，船體的最大橫向加速度一般發(fā)生在橫浪海況下，此時(shí)船的搖擺周期在4 ～ 12 s間；鐵路車輛的最大橫向加速度經(jīng)常發(fā)生在“S”曲線或側(cè)向通過小號(hào)道岔時(shí)，其搖頭和側(cè)擺振動(dòng)的周期在1/100 ～ 1/2 s間。因此，鐵路輪渡中貨物垂向、橫向和縱向慣性力最大值同時(shí)出現(xiàn)的概率比鐵路運(yùn)輸大。

（3）慣性加速度。輪渡運(yùn)輸時(shí)，單件貨物質(zhì)量占整船質(zhì)量的比重小，作用在貨物上的慣性加速度主要源于船舶的搖擺。由于船體在航行途中隨波浪沉浮，其俯仰和翻滾搖擺幅度相對(duì)較大，加上船體質(zhì)量大、加速性能差，因此鐵路輪渡中垂向和橫向加速度大于縱向加速度，其中垂向加速度最大。然而，鐵路運(yùn)輸中縱向加速度大于橫向和垂向加速度，是校核貨物裝載加固強(qiáng)度的主要參數(shù)。

（4）裝載位置。輪渡航行過程中，貨物垂向、橫向和縱向的慣性加速度值均與其裝載位置相關(guān)，與貨物本身的物理形狀無關(guān)。貨物離船體搖擺中心的距離越遠(yuǎn)，其慣性加速度值越大?？v向和垂向加速度最大值出現(xiàn)在船艏、船艉或船舷最高堆裝處，橫向加速度最大值出現(xiàn)在船舯船舷處。而在鐵路運(yùn)輸中，橫向與垂向加速度值與貨物在車上裝載位置的相關(guān)性較小，縱向加速度值與貨物位置無關(guān)。

1.2 穩(wěn)定性模型構(gòu)建

1.2.1 貨物橫向傾覆穩(wěn)定性模型

在鐵路輪渡運(yùn)輸過程中，船體翻滾對(duì)裝載的貨物產(chǎn)生橫向慣性力，船體俯仰對(duì)貨物產(chǎn)生垂向慣性力。支撐面為平面的貨物，其橫向慣性力、垂向慣性力以及重力沿支撐面水平方向分力均會(huì)形成貨物的橫向傾覆力矩，可能導(dǎo)致貨物橫向傾覆。鐵路輪渡車輛貨物橫向傾覆示意圖如圖1所示。圖中，b為貨物重心與傾覆點(diǎn)在支撐面水平方向上的距離；h為貨物重心距支撐面的距離；FZ為垂向慣性力；FX為橫向慣性力；G為貨物重力；θ為翻滾角。

圖1?鐵路輪渡車輛貨物橫向傾覆示意圖Fig.1 Transverse overturning of cargo on railway ferry

貨物重力相對(duì)于支撐面的垂向分力可以形成橫向穩(wěn)定力矩，在不采取加固措施時(shí)，按力矩平衡原理計(jì)算出特殊海況條件下，貨物免于橫向傾覆的條件為

式中：η為貨物橫向傾覆安全系數(shù)；M穩(wěn)定為貨物的橫向穩(wěn)定力矩；M傾覆為貨物的橫向傾覆力矩；m為貨物質(zhì)量；g為重力加速度；aX為貨物橫向加速度；aZ為貨物垂向加速度。

將公式 ⑵ 至 ⑹ 代入公式 ⑴，整理可得貨物免于橫向傾覆的條件即為

1.2.2 貨物橫向滑動(dòng)模型

在不同風(fēng)浪等級(jí)下的航行途中，船體的俯仰角、偏航角和翻滾角隨風(fēng)浪實(shí)時(shí)變化，對(duì)不加固或進(jìn)行簡(jiǎn)易加固的貨物，船體的俯仰和翻滾可能導(dǎo)致貨物滑動(dòng)。貨物重力的橫向分力由貨物自重及船體翻滾角θ決定，輪渡航行途中車輛所裝貨物的橫向滑動(dòng)受力情況如圖2所示。圖中，N為車輛地板對(duì)貨物的支撐力；F摩擦為車輛地板對(duì)貨物的摩擦力。

圖2?輪渡航行途中車輛所裝貨物的橫向滑動(dòng)受力情況Fig.2 Lateral sliding force of the cargo

貨物的穩(wěn)定性(不滑動(dòng))條件為

式中：f為摩擦系數(shù)。

經(jīng)過整理可以得到各種風(fēng)浪等級(jí)下貨物穩(wěn)定性(不滑動(dòng))判斷依據(jù)為

按照公式 ⑻ 至 ⑾ 對(duì)部分貨物在不同風(fēng)浪下的受力情況進(jìn)行計(jì)算，得到僅靠摩擦加固的貨物通過粵海鐵路輪渡時(shí)對(duì)風(fēng)浪等級(jí)的適應(yīng)性。貨物僅靠摩擦加固的風(fēng)浪等級(jí)適應(yīng)性如表1所示。

表1?貨物僅靠摩擦加固的風(fēng)浪等級(jí)適應(yīng)性Tab.1 Adaptability of goods to wind and waves only under friction condition

2 粵海鐵路輪渡貨物運(yùn)輸穩(wěn)定性試驗(yàn)

以卷鋼和鐵路罐車為例，通過測(cè)試貨物在臨界封港海況下(6 ～ 8級(jí)風(fēng))航運(yùn)時(shí)的姿態(tài)角和慣性加速度，監(jiān)測(cè)貨物的相對(duì)位移和狀態(tài)變化情況，檢驗(yàn)貨物的裝載加固效果。試驗(yàn)用船為“粵海鐵2號(hào)”渡船，采用的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、三向加速度傳感器、三向角度傳感器、壓力傳感器等，試驗(yàn)線路為瓊州海峽鐵路通道海安南(北港)—?？?南港)間日常固定航運(yùn)線路?；浐ｈF路渡船為多功能滾裝船，船舶的穩(wěn)定性高度受鐵路車輛、汽車、旅客甲板不同裝載組合的影響。穩(wěn)定性高度增加，搖擺周期變小，搖擺幅度、角加速度變大。船舶總重心高度的變化會(huì)造成船體橫向和垂向加速度變化，但對(duì)垂向加速度的影響較小。

2.1 船體加速度和航姿測(cè)試

船體加速度傳感器布置在渡船鐵路列車甲板縱向中線及靠近1道的船艏、船舯、船艉處，船舶航行中的搖擺角度傳感器布置在1道中間加速度傳感器附近。根據(jù)航次的開航時(shí)間，截取相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波分析，得到船體橫向加速度、垂向加速度和翻滾角的最大值。

航行過程中橫向加速度的原始數(shù)據(jù)極值為-0.142 g，中值濾波后的極值為-0.138 g，濾波后的船體橫向加速度基本在(-0.15 g，0.1 g)范圍內(nèi)變化；船體?？看a頭時(shí)船體的垂向加速度為1 g，航行過程中垂向加速度的原始數(shù)據(jù)極值為1.013 g，中值濾波后的極值為1.011 g，濾波后的船體垂向加速度基本在(0.975 g，1.015 g)范圍內(nèi)變化，即相對(duì)垂向加速度的極值為0.011 g，變化范圍(-0.025 g，0.015 g)；船體?？看a頭時(shí)翻滾角角度為2°，航行過程中翻滾角的原始數(shù)據(jù)極值為4.769°，中值濾波后的極值為4.7166°，濾波后的船體翻滾角基本在(0°，4.8°)范圍內(nèi)變化。渡船船體在航行過程中姿態(tài)比較平穩(wěn)，橫向和垂向加速度均較小。

2.2 敞車裝載卷鋼穩(wěn)定性測(cè)試

2.2.1 卷鋼立裝

根據(jù)070301號(hào)裝載加固定型方案，采用60 t級(jí)敞車立裝2件卷鋼，每件卷鋼質(zhì)量小于等于車輛標(biāo)記載重量的1/2。2件卷鋼質(zhì)量之差小于等于2 t，分別裝載在車輛兩端的枕梁上方。卷鋼與車地板之間加墊稻草墊，用雙股鋼絲繩或盤條對(duì)每件卷鋼以反又字拉牽加固，拴結(jié)于車側(cè)丁字鐵上，拉牽高度大于卷鋼板寬的1/2。

航行過程中，立裝卷鋼加速度如圖3所示。船體?？看a頭時(shí)卷鋼的橫向加速度為0，航行過程中卷鋼橫向加速度的原始數(shù)據(jù)極值為-0.05 g，中值濾波后的極值為-0.044 g，濾波后的卷鋼橫向加速度基本在(-0.05 g，0.03 g）范圍內(nèi)變化；船體?？看a頭時(shí)卷鋼的垂向加速度是-1 g，航行過程中卷鋼垂向加速度的原始數(shù)據(jù)極值為-1.021 g，中值濾波后的極值為-1.007 g，即相對(duì)垂向加速度的極值為0.007 g，濾波后的卷鋼垂向加速度在(-1.01 g，-0.99 g)范圍內(nèi)變化。立裝卷鋼的最大橫向、垂向加速度值均小于鐵路貨物裝載加固計(jì)算參考的加速度值，沒有發(fā)生橫向傾覆和滑動(dòng)。

2.2.2 卷鋼臥裝

根據(jù)070316號(hào)裝載加固定型方案，采用凹形草支墊在70 t級(jí)通用敞車上臥裝3件卷鋼。1件卷鋼裝載在車輛中部，其重心落在車輛縱中心線與橫中心線的交叉點(diǎn)上。另外2件卷鋼分別裝載在車輛兩端的枕梁上方，2件卷鋼質(zhì)量之差小于等于2 t。鋼護(hù)板固定在凹形草支墊端部，用6股盤條或雙股鋼絲繩緊固器在凹形草支墊端部高度的1/2處穿過鋼護(hù)板上的護(hù)繩圈，兜頭拉牽凹形草支墊。

航行過程中，臥裝卷鋼加速度如圖4所示。船體?？看a頭時(shí)卷鋼的橫向加速度為-0.03 g，航行過程中卷鋼橫向加速度的原始數(shù)據(jù)極值為-0.043 g，中值濾波后的極值為-0.037 g，濾波后的卷鋼橫向加速度基本在(-0.04 g，-0.02 g)范圍內(nèi)變化；船體停靠碼頭時(shí)卷鋼的垂向加速度為-1 g，航行過程中卷鋼垂向加速度的原始數(shù)據(jù)極值為-1.043 g，中值濾波后的極值為-1.02 g，即相對(duì)垂向加速度的極值為0.02 g，濾波后的卷鋼垂向加速度在(-1.02 g，-0.98 g)范圍內(nèi)變化。臥裝卷鋼的最大橫向、垂向加速度值均小于鐵路貨物裝載加固計(jì)算參考的加速度值，沒有發(fā)生橫向傾覆和滑動(dòng)。

2.3 罐車穩(wěn)定性測(cè)試

圖3?立裝卷鋼加速度Fig.3 Acceleration of vertically-loaded coil steel

圖4?臥裝卷鋼加速度Fig.4 Acceleration of horizontally-loaded coil steel

渡船在航行途中，車輛縱向有車鉤拉牽加固，橫向有輪緣阻擋，因而車輛不會(huì)發(fā)生縱向和橫向滑動(dòng)，因此僅對(duì)列車在極限狀態(tài)下的抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試。為保證列車的穩(wěn)定，采用垂直螺桿支撐器對(duì)其進(jìn)行加固。在70 t級(jí)滿載罐車的左右兩側(cè)分別安裝1個(gè)加固力測(cè)試點(diǎn)，監(jiān)測(cè)罐車與車體千斤頂之間的加固力在航行中的變化情況。壓力傳感器安裝在垂向螺桿支撐器和車體之間，垂向螺桿支撐器許用載荷200 kN。對(duì)采集到的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理可得，左側(cè)測(cè)點(diǎn)的加固力變化范圍在1 ～ 4.2 kN，右側(cè)測(cè)點(diǎn)的加固力變化范圍在0 ～ 7.5 kN。試驗(yàn)初期，2個(gè)測(cè)點(diǎn)的加固力變化范圍很小，變化趨勢(shì)平緩。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，出現(xiàn)數(shù)次突變值，加固力值的最大變化幅度為7.5 kN。加固力值與預(yù)頂力100 kN之和，遠(yuǎn)小于千斤頂?shù)脑试S工作載荷200 kN。

罐車在輪渡過程中，罐車加速度如圖5所示。船體?？看a頭時(shí)罐車的橫向加速度為-0.02 g，航行過程中罐車橫向加速度的原始數(shù)據(jù)極值為-0.042 g，中值濾波后的極值為-0.027 g，濾波后罐車的橫向加速度基本在(-0.03 g，-0.01 g)范圍內(nèi)變化；船體停靠碼頭時(shí)罐車的垂向加速度是-1 g，航行過程中罐車垂向加速度的原始數(shù)據(jù)極值-0.923 g為突變值，中值濾波后的極值-1.013 g，即相對(duì)垂向加速度的極值為0.013 g，濾波后罐車的垂向加速度在(-1.02 g，-0.98 g)范圍內(nèi)變化。罐車的最大橫向、垂向加速度值均小于鐵路貨物裝載加固計(jì)算參考的加速度值，沒有發(fā)生橫向傾覆。

3 研究結(jié)論

（1）渡船船體在航行過程中姿態(tài)比較平穩(wěn)，橫向和垂向加速度均較小；卷鋼的各向加速度值均小于鐵路貨物裝載加固規(guī)則中計(jì)算相應(yīng)的加速度值；罐車與甲板的加固力小于加固材料(裝置)許用力值。

（2）粵海鐵路輪渡貨物運(yùn)輸穩(wěn)定性測(cè)試驗(yàn)證后貨物裝載狀態(tài)良好，沒有發(fā)生橫向傾覆、滑動(dòng)等現(xiàn)象。

圖5?罐車加速度Fig.5 Tanker acceleration

（3）鐵路列車甲板上鐵路貨車及貨物裝載技術(shù)狀態(tài)優(yōu)于陸上運(yùn)行技術(shù)狀態(tài)，試驗(yàn)研究結(jié)果為充分釋放粵海鐵路輪渡的運(yùn)輸能力提供技術(shù)支撐。