近年來，我國罐式集裝箱(以下簡稱“罐箱”)運輸發(fā)展迅速，滿足鐵路運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(以下簡稱“鐵路沖擊試驗”)，還須通過船級社規(guī)定的沖擊試驗(以下簡稱“動態(tài)撞擊試驗”)o本文針對不同型號和尺寸罐箱進行鐵路沖擊試驗和動態(tài)撞擊試驗實例研究，分別獲得兩種沖擊試驗結(jié)果和規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合試驗經(jīng)驗，對罐箱耐沖擊設(shè)計提出建議。

　　1鐵路罐箱沖擊試驗要求及目的

　　1.1鐵路沖擊試驗要求及目的

　　根據(jù)中國國家鐵路集團有限公司發(fā)布的TG/HY105—2017《鐵路危險貨物運輸管理規(guī)則》第13章第86條規(guī)定，罐箱應(yīng)進行框架靜強度及沖擊試驗。鐵路沖擊試驗的目的是考核當(dāng)列車運動狀態(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)力能否滿足強度要求。

　　1.2動態(tài)撞擊試驗要求及目的

　　2006年，國際標(biāo)準化組織將動態(tài)撞擊試驗納入ISO1496-3-1995《系列]貨運集裝箱規(guī)范與試驗第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)于危險貨物運輸?shù)慕ㄗh書—試驗和標(biāo)準手冊》(以下簡稱《試驗手冊》)第4部分第41節(jié)有關(guān)撞擊試驗的要求，使之與國際標(biāo)準化組織的規(guī)定保持一致。隨后，國際海事組織發(fā)布的《國際海運危險貨物規(guī)則池對動態(tài)撞擊試驗作出規(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)計必須符合《試驗手冊》的撞擊試驗要求。在針對動態(tài)撞擊試驗的研究中，劉剛切詳細闡述了動態(tài)撞擊試驗的發(fā)展歷程。動態(tài)撞擊試驗的目的是以國際通用和公認的方法，模擬罐箱在真實環(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鐵路罐箱沖擊試驗方法

　　2.1鐵路沖擊試驗方法

　　鐵路沖擊試驗的參照標(biāo)準主要是TBAT1335—1996《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》和TB/T2369—2010《鐵道車輛沖擊試驗方法》。鐵路沖擊試驗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1m處，以限制受試車受沖擊后的移動距離o沖擊車通常選用總質(zhì)量為921左右、裝有MT-2型緩沖器、裝載散裝或袋裝貨物的敞車，試驗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。

　　在保證試驗安全的前提下，被試罐箱充裝的試驗介質(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)實際裝載質(zhì)量及重箱重心高度O2.1.2測試參數(shù)鐵路沖擊試驗測試參數(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。測點的選擇參考有限元強度計算結(jié)果。

　　2.1.3沖擊試驗方法

　　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。試驗要求沖擊車分別以3~8km/h的速度對罐箱兩端進行沖擊，每個速度級至少進行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，在試驗過程中隨時觀察罐箱狀態(tài)(有無變形或損傷)。

　　2.1.4試驗數(shù)據(jù)處理及結(jié)果判定

　　在處理沖擊試驗數(shù)據(jù)時，構(gòu)件動應(yīng)力濾波截止頻率為100Hz，加速度濾波截止頻率不小于32Hz。在沖擊記錄參數(shù)隨時間變化的歷程中，單個測試項只取最大值作為測量值。參照TB/T1335—1996《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》中車輛沖擊試驗的第二工況，評價罐箱與框架聯(lián)結(jié)部位及框架的強度要求，此時合成應(yīng)力6=b1+CF2式中:6為第二工況合成應(yīng)力;6為垂向靜應(yīng)力;6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)強度不滿足鐵路運輸安全要求。

　　2.2動態(tài)撞擊試驗方法

　　動態(tài)撞擊試驗標(biāo)準主要有《試驗手冊》和ISO1496-3-1995《系列1貨運集裝箱規(guī)范與試驗第3部分:液體、氣體及加壓干散貨用罐式集裝箱》。動態(tài)撞擊試驗裝置與鐵路沖擊試驗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%;如果因為可能超重而不宜裝至罐體容積的97%，則被試罐箱裝水后的試驗質(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)撞擊試驗測試參數(shù)包括沖擊速度、沖擊加速度、沖擊響應(yīng)譜(shockresponsespectrum，SRS)曲線等。

　　2.2.3沖擊試驗方法

　　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，沖擊速度跨度較大，每個速度僅沖擊一次，且僅對罐箱一端進行沖擊，一般經(jīng)過3~4次沖擊即可達到試驗終止條件。

　　2.2.4試驗數(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)準的SRS曲線進行比較，模擬罐箱在當(dāng)次沖擊下是否達到所需的沖擊環(huán)境要求o在針對動態(tài)撞擊試驗數(shù)據(jù)處理的研究中，劉鳳芹和閆偉13詳細描述了SRS算法和動態(tài)撞擊試驗數(shù)據(jù)處理過程。動態(tài)撞擊試驗合格的判定依據(jù)為：被試罐箱2個底角件上的SRS曲線在3-100Hz范圍內(nèi)所有頻率都必須等于或超過標(biāo)準規(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13mm，側(cè)面對角線長度差值變化量不大于10mm;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鐵路沖擊試驗與動態(tài)撞擊試驗比較

　　(1)試驗裝置基本相同甚至共用。(2)鐵路沖擊試驗過程比較煩瑣復(fù)雜，而動態(tài)撞擊試驗則相對直接簡單。不過，鐵路沖擊試驗有嚴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)試驗數(shù)據(jù)處理和考評依據(jù)不同。鐵路沖擊試驗對罐箱結(jié)構(gòu)強度的評價主要依據(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?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鐵路罐箱沖擊試驗實例

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

　　3.1鐵路沖擊試驗實例

　　分別對1個20英尺罐箱(罐箱A)和1個40英尺罐箱(罐箱B)的鐵路沖擊試驗進行分析研究。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)。

　　4鐵路罐箱設(shè)計建議

　　4.1基于鐵路沖擊試驗的罐箱設(shè)計建議

　　鐵路沖擊試驗中，罐箱A、B、C、D實測20Hz濾波下的沖擊加速度為30-40m/s2，40Hz濾波下的沖擊加速度為45-50m/s2o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異根據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)沖擊速度為8km/h時，集裝箱角件和下端梁中部實測加速度為40-60m/s2o在本文涉及的罐箱A鐵路沖擊試驗中，90%的測點實測應(yīng)力大于或接近沖擊加速度按40m/s?進行有限元分析提取的應(yīng)力;在本文涉及的罐箱B鐵路沖擊試驗中，97%的測點實測應(yīng)力大于或接近沖擊加速度按45m/s?進行有限元分析提取的應(yīng)力。基于上述分析，對于進行鐵路沖擊試驗考核的罐箱，建議至少按沖擊加速度40~50m/s?考慮設(shè)計其縱向慣性力，考評依據(jù)TB/T1335—1996《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》進行。

　　4.2基于動態(tài)撞擊試驗的罐箱設(shè)計建議

　　根據(jù)ISO1496-3-1995《系列1貨運集裝箱規(guī)范與試驗第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2500kN;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43.5m/s2>35.0m/s\34.6m/s2和43.6m/s2o通過大量動態(tài)撞擊試驗測得，當(dāng)達到試驗終止條件時，罐箱底角件處加速度的范圍為40~60m/s2(20Hz濾波)。基于上述分析，對于進行動態(tài)撞擊試驗考核的罐箱，建議至少按沖擊加速度40~50m/s?考慮設(shè)計其縱向慣性力，考評以試驗工況下罐箱各構(gòu)件整體強度不超過其材料屈服強度為準。

　　5結(jié)束語

　　(1)鐵路沖擊試驗?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，尤其在測點偏少或測點布置不合理的情況下更是如此。此外，試驗結(jié)果受樣本個體差異影響較大，相同設(shè)計結(jié)構(gòu)在不同制造誤差下，同一測點測試結(jié)果可能存在明顯差別。

　　(2)動態(tài)撞擊試驗?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SRS曲線”判定標(biāo)準的自由度較大，在試驗時，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和動態(tài)撞擊試驗的罐箱時，可以統(tǒng)一按沖擊加速度40-50m/s2<慮設(shè)計其縱向慣性力，但合格判據(jù)應(yīng)有所區(qū)別。

　　參考文獻：

　　[1]劉剛.基于流固耦合的罐式集裝箱鐵路沖擊試驗仿真研究[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.