母東，向聰，劉勇，劉緒錫，張云逸

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

在炸藥、火工品、化學(xué)物品、放射性材料等危險品的鐵路運輸中，通常采用特種方艙作為外包裝防護(hù)容器，利用方艙底部的角件與列車上的鎖緊裝置（平頭鎖、手動／全自動轉(zhuǎn)鎖、F-TR鎖等）連接，進(jìn)行剛性固定[1]。列車解體或編組等調(diào)車環(huán)節(jié)是列車運行過程中最嚴(yán)酷的使用工況，方艙及其內(nèi)裝貨物將承受較大的縱向沖擊，是導(dǎo)致方艙結(jié)構(gòu)與貨物損壞的主要原因之一[2-3]。若在調(diào)車作業(yè)過程中出現(xiàn)異常沖擊事故，將可能造成包裝容器破壞，甚至導(dǎo)致危險品泄露，嚴(yán)重危害環(huán)境以及公共安全。

鐵路車輛沖擊試驗研究方面，對鐵路車輛、上裝貨物的鐵路沖擊試驗方法有所差異。開展鐵路車輛沖擊試驗，可參考的國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)主要是TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》和TB/T 2369—2010《鐵道車輛沖擊試驗方法與技術(shù)條件》。二者規(guī)定的試驗方法均模擬駝峰調(diào)車場景，目的在于考核鐵路車輛的沖擊強度，采用“一車沖一車”的調(diào)車工況，僅沖擊速度量值有所差異，見表1。在鐵路行業(yè)中，開展過大量的鐵路車輛沖擊試驗，均按照TB/T 1335—1996規(guī)定進(jìn)行。

開展特種方艙鐵路沖擊試驗，可參考的國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)主要是GJB 2093A—2012《軍用方艙通用試驗方法》和TB/T 1335—1996。GJB 2093A—2012采用的是“一車沖三車”工況，受試車為第2輛靜止車，沖擊速度為15 km/h。國內(nèi)軍用方艙行業(yè)中，基本通過理論計算與數(shù)值仿真校驗艙體沖擊強度，少見有開展過鐵路沖擊試驗進(jìn)行驗證。為研究特種方艙對鐵路運輸沖擊環(huán)境的適應(yīng)性與安全性，有必要開展鐵路沖擊試驗，對不同的試驗工況進(jìn)行對比，確定合適的沖擊試驗條件，研究特種方艙鐵路運輸?shù)目v向沖擊特性。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的鐵路沖擊試驗條件Tab.1 Experimental conditions according to different standards

仿真模擬研究方面，基于鐵路車輛沖擊的縱向連接模型，國內(nèi)外學(xué)者通常采用單自由度多質(zhì)點串聯(lián)系統(tǒng)來模擬車輛之間的沖擊過程，對緩沖器力學(xué)特性多采用查表法、線性阻尼帶寬法、遲滯回路修正法、線性與非線性剛度疊加法以及多參數(shù)剛度阻尼法等進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析[4-7]。對車體結(jié)構(gòu)變形的影響，則多在緩沖器模型中進(jìn)行補償，如過渡曲線延伸法、并聯(lián)剛度階段作用法等[8-9]。通過建立動力學(xué)模型，對沖擊過程中的車鉤力、緩沖器行程、車體速度及加速度等動態(tài)參數(shù)有較好的預(yù)測性。孫鎖懷等[10]基于試驗方法獲得了緩沖器非線性剛度阻尼參數(shù)，并建立了動力學(xué)模型，分析了不同編組模式下的縱向沖擊特性。楊亮亮等[11]提出了一種兼顧緩沖器各摩擦部件之間的幾何與力學(xué)關(guān)系、車體與轉(zhuǎn)向架之間的心盤連接關(guān)系以及車體結(jié)構(gòu)變形的縱向連接模型，與實際運行狀態(tài)吻合較好，可較好預(yù)測縱向振動問題與車體縱向變形。Sun等[12]建立了典型旅客列車的沖擊動力學(xué)模型，分析了沖擊速度和編組形式對各車輛界面碰撞力的影響。嚴(yán)雋耄、Kirkpatrick等[13-20]建立了鐵路運輸沖擊的仿真模型，總結(jié)了車輛縱向沖擊特性的基本規(guī)律與影響因素，并提出了減小縱向沖擊的有效措施。

文中首先開展了鐵路沖擊對比試驗，研究了GJB 2093A—2012與TB/T 1335—1996規(guī)定的2種試驗工況下的沖擊環(huán)境。然后，基于試驗結(jié)果，建立了特種方艙鐵路運輸調(diào)車工況下的系統(tǒng)動力學(xué)模型，對車體與特種方艙的縱向沖擊特性進(jìn)行了分析，為特種方艙鐵路異常調(diào)車縱向沖擊安全性邊界分析提供了理論參考。

1 特種方艙鐵路沖擊對比試驗研究

1.1 特種方艙鐵路運輸連接狀態(tài)

鐵路運輸過程中，危險品包裝箱通過螺栓連接固定在平板小車上，平板小車通過前后限位結(jié)構(gòu)固定壓緊。特種方艙通過底部的4個角件與鐵路貨車上的4個F-TR轉(zhuǎn)鎖連接固定，不采用其他剛性或柔性加固，如圖1所示。某危險品包裝箱與平板小車的總質(zhì)量約為5 t，特種方艙外形尺寸（長×寬×高）為6058 mm×2438 mm×2438 m，滿載質(zhì)量約為15 t。

圖1 危險品特種方艙鐵路運輸連接狀態(tài)Fig.1 Apparatus of the impact experiments

1.2 鐵路沖擊試驗條件

參考GJB 2093A—2012中規(guī)定的鐵路運輸撞擊試驗，以及TB/T 1335—1996中規(guī)定的鐵路車輛沖擊試驗方法，確定特種方艙鐵路沖擊對比試驗件，見表2。為對比分析“一車沖一車”（工況1）、“一車沖三車”（工況2）2種沖擊模式（如圖2所示）下沖擊特性的差異，除沖擊速度與受試車位置不同外，其余試驗條件均一致。其中，沖擊車為C80型貨車，總質(zhì)量為75 t；裝載方艙的受試車為NX70型平車，空載質(zhì)量為23 t，裝載特種方艙后的總質(zhì)量為38 t；連掛車為N17AK型平車，空載質(zhì)量為20 t；阻擋車為C80型貨車，總質(zhì)量約為80 t。以上車輛均配裝有17型車鉤、MT-2型緩沖器?？紤]到試驗實施的分散性，同一工況沖擊2輪，不區(qū)分正反沖擊方向。

表2 特種方艙鐵路沖擊對比試驗條件Tab.2 Comparison between the experimental conditions

圖2 特種方艙鐵路沖擊試驗條件Fig.2 Conditions of the impact experiments: a) case 1; b) case 2

試驗在中車長江車輛有限公司試驗研究中心的沖擊試驗線上開展。通過高速攝影機，測量沖擊速度；通過在連掛碰撞界面處安裝測力車鉤，測量車鉤沖擊力；通過在連掛碰撞界面處的緩沖器前從板和鉤托板之間安裝位移計，測量沖擊時的緩沖器位移；通過在特種方艙內(nèi)部安裝加速度傳感器，測量關(guān)鍵位置的加速度響應(yīng)。

1.3 試驗結(jié)果及分析

試驗過程中，工況1的2輪沖擊速度分別為8.2、8.15 km/h，沖擊車與受試車正常連掛，特種方艙結(jié)構(gòu)外觀正常，無變化。工況2的2輪沖擊速度分別為15、15.13 km/h，試驗后連掛車1的前從板出現(xiàn)破壞，有破片飛出；特種方艙的門端角件發(fā)生局部塑性屈服變形（如圖3所示）。最大車鉤力與緩沖器測試結(jié)果見表3。工況1條件下，緩沖器位移約為78 mm，車鉤力不大于1200 kN，未超過其最大行程（83 mm）；工況2條件下，緩沖器被完全壓縮，車鉤力超出緩沖器的最大作用力（2300 kN）。根據(jù)我國現(xiàn)行《鐵路技術(shù)管理規(guī)定》，鐵路車輛調(diào)車連掛速度不大于5 km/h，鐵路運輸車輛的車體強度均按8 km/h的沖擊速度進(jìn)行設(shè)計校核。工況2的沖擊速度約為正常連掛速度的3倍，鐵路平板車車鉤發(fā)生變形破壞，無法正常調(diào)車連掛。

圖3 特種方艙門端角件局部塑性變形Fig.3 Deformation at one corner fitting of the container

表3 鐵路運輸沖擊試驗最大車鉤力與緩沖器位移結(jié)果Tab.3 Coupler force and draft gear stoke of the impact experiments

兩種工況下，沖擊響應(yīng)沿“平板車→FT-R轉(zhuǎn)鎖→特種方艙→平板小車→包裝箱”傳遞，且衰減較快（如圖4所示）。包裝箱上的軸向沖擊響應(yīng)均呈半正弦波波形，峰值約為5g～7.3g，底寬約為50～80 ms，符合鐵路沖擊響應(yīng)的理論預(yù)期。相比于工況1，工況2中包裝箱上的響應(yīng)偏大，超出約40%。工況2沖擊試驗后，平板小車后限位結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯彎曲變形。試驗結(jié)果表明，GJB 2093A—2012規(guī)定的鐵路沖擊試驗工況比TB/T 1335—1996中的規(guī)定更為嚴(yán)酷。但是，尚不足以給出危險品特種方艙鐵路運輸沖擊的安全邊界，可通過建立鐵路運輸縱向沖擊動力學(xué)模型進(jìn)一步對比分析。

2 鐵路運輸縱向沖擊特性分析

2.1 鐵路運輸沖擊動力學(xué)模型

鐵路沖擊試驗中，無論是“一車沖一車”，還是“一車沖三車”模式，均可將鐵路車輛沖擊模型簡化為1輛運動車沖擊n輛靜止車的質(zhì)量-彈簧阻尼系統(tǒng)，如圖5所示。當(dāng)運動車與靜止車接觸時，緩沖器開始壓縮，車輛之間存在相互沖擊力，車輛與軌道之間存在著摩擦力。僅考慮車輛縱向伸縮的自由度，忽略車輛橫向、垂向的運動。

圖4 鐵路運輸沖擊試驗中的加速度響應(yīng)Fig.4 Acceleration responses during the impact experiments: a) acceleration response in the first impact of condition 1; b) peak acceleration of each measuring point

圖5 “1車沖n車”鐵路車輛沖擊模型Fig.5 Locomotive dynamic model with one vehicle to n vehicle

鐵路運輸沖擊動力學(xué)方程可表達(dá)為式（1）：

式中：M為運動車的質(zhì)量；mi為第i輛靜止車的質(zhì)量，i=1, 2,…,n；xi為第i輛靜止車的絕對位移；v0為運動車的速度；Fci、Fai為第i輛車的車鉤力、與軌道間的摩擦力；Fc0、Fa0為運動車的車鉤力、與軌道間的摩擦力。

摩擦力的大小和方向與車輛承受的外部載荷、運動速度方向有關(guān)。根據(jù)車輛車型和空重狀態(tài)的不同，車輛與軌道間的摩擦力可選擇不同的經(jīng)驗公式計算。

空車滾動軸承車與軌道間的摩擦力為：

式中：vi為第i輛靜止車的速度。

重車滾動軸承車與軌道間的摩擦力為：

為簡化計算，采用緩沖器的阻抗特性來描述調(diào)車沖擊所產(chǎn)生的車鉤力。對于MT-2型鋼彈簧干摩擦緩沖器，通過“一車沖一車”沖擊試驗獲得的阻抗特性曲線如圖6所示。

圖6 MT-2型緩沖器阻抗特性曲線Fig.6 Loading responses of the MT-2 draft gear

緩沖器特性曲線表現(xiàn)了如下特性：預(yù)壓力、加載曲線、加載末端的“尖峰效應(yīng)”現(xiàn)象、過渡曲線、開始卸載的“鎖定卸載”現(xiàn)象、卸載曲線。建立較為接近實際的緩沖器動力學(xué)模型，需要盡量模擬緩沖各段的動態(tài)特性。采用附加摩擦因素來表示緩沖器摩擦副運動狀態(tài)的改變，引入附加摩擦力Fcif來表示摩擦副鎖定后的阻抗力增加值。車鉤力和附加摩擦因素分別為：

式中：μcf為附加摩擦因素；μs為等效靜態(tài)摩擦因素；μk為等效動態(tài)摩擦因素；Δs為相對縱向位移，Δs˙為相對縱向速度；vcf為動態(tài)摩擦的速度閾值；Fci0為緩沖器初始壓力；Fcis為緩沖器內(nèi)部的彈簧力和滑動摩擦力的合力。

根據(jù)建立的鐵路運輸沖擊動力學(xué)模型，針對“一車沖一車”工況進(jìn)行仿真分析，5 km/h沖擊速度下的最大車鉤力約為1032 kN，8 km/h沖擊速度下的最大車鉤力約為1274 kN。與試驗結(jié)果（見圖6）對比，仿真結(jié)果與沖擊試驗結(jié)果吻合較好。

2.2 特種方艙縱向沖擊特性分析

工況1與工況2沖擊條件下的調(diào)車沖擊仿真結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出，最大車鉤力出現(xiàn)在運動車與靜止車的碰撞界面處，離該界面處越遠(yuǎn)，車鉤力越小。2種工況下，受試車（特種方艙的裝載車）前端車鉤力分別為1274、2132 kN，對應(yīng)的MT-2緩沖器位移分別約為77.5、82.3 mm。對于工況2，碰撞界面1處的緩沖器處于全壓縮狀態(tài)，超出MT-2緩沖器的性能極限；碰撞界面2處的緩沖器已接近全壓縮狀態(tài)。從車鉤力來看，對于特種方艙的鐵路運輸沖擊考核，工況2比工況1更為嚴(yán)酷。若沖擊速度相同，“一車沖一車”模式比“一車沖三車”模式更為嚴(yán)酷。

圖7 各碰撞界面的車鉤力與緩沖器位移Fig.7 (a) Coupler force and (b) draft gear stoke at the collision interface

由圖7可以看出，在不同沖擊速度的“一車沖一車”工況下，沖擊速度越大，車鉤力越大。當(dāng)沖擊速度約為10 km/h時，碰撞界面處的緩沖器剛好處于全壓縮狀態(tài)，車鉤力約為2204 kN。當(dāng)沖擊速度提升至12 km/h時，車鉤力增大至5870 kN，已明顯超出MT-2緩沖器的性能極限。因此，TB/T 2369—2010中規(guī)定的沖擊速度為12 km/h的“一車沖一車”工況，現(xiàn)有車體強度、緩沖器性能預(yù)計已不能滿足沖擊安全性需求，可能造成陪試車的損壞。

對比鐵路運輸沖擊試驗與仿真計算結(jié)果，分析認(rèn)為：基于我國現(xiàn)有鐵路車輛能力現(xiàn)狀，特種方艙鐵路運輸異常調(diào)車沖擊下，連接車鉤是整個系統(tǒng)的最薄弱的環(huán)節(jié)。相對于“一車沖三車”模式，TB/T 1335—1996、TB/T 2369—2010規(guī)定的“一車沖一車”模式可操作性更強，對特種方艙的安全性考核更為直接，是更為合適的鐵路運輸異常調(diào)車縱向沖擊試驗方法。

3 結(jié)論

1）在TB/T 1335—1996、TB/T 2369—2010、GJB 2093A—2012等3個標(biāo)準(zhǔn)中，參照TB/T 1335—1996規(guī)定的“一車沖一車”模式，開展特種方艙鐵路運輸調(diào)車異常沖擊試驗，可操作性更強，更符合我國危險品鐵路運輸?shù)膶嶋H情況。

2）對于特種方艙鐵路運輸異常調(diào)車沖擊，連接車鉤是整個系統(tǒng)的最薄弱的環(huán)節(jié)，調(diào)車作業(yè)安全性邊界沖擊速度約為10 km/h。

3）調(diào)車作業(yè)過程中，連掛碰撞界面處的車鉤力最大，離該界面越遠(yuǎn)，車鉤力越小。危險品特種方艙鐵路運輸中，應(yīng)嚴(yán)格按鐵路技術(shù)管理規(guī)定控制調(diào)車作業(yè)連掛速度（不大于5 km/h），并盡量保持危險品特種方艙遠(yuǎn)離沖擊碰撞端。