文 / 汪庆雷 黄宏伟 高强
目前，货物在陆地上进行远距离运输通常采用铁路和公路两种方式，其中铁路运输具有运能大、速度快、安全性高、受天候季节影响小等优势，对于大型设备或货物，特别是数量较多时，通常采用铁路方式进行远距离运输。我国铁路运输货物种类多样，加固起来往往存在一定困难，而相对科学合理的加固方案及方法，不仅可以大大提升工作质量以和效率，也有助于进一步提升铁路运输服务质量和安全性[1]。
在进行铁路运输前，转载到铁路运输车上的重型运输车需进行加固，以确保重型运输车在运输过程中在铁路车辆上保持原有位置，不发生窜动、滚动、倾覆等情况，图1为某重型运输车加固方案。
针对该重型运输车的加固方案，用户反映，重型运输车加固时存在操作时间长、工作强度大、操作人员多等问题，具体情况如表1所示。
经调研，引起加固操作时间长、工作强度大、操作人员多等问题的直接原因如下：
图1 某重型运输车铁路运输加固方案
（1）掩挡采用三角木形式，使用抓钉将三角木和铁路车辆人工楔入固连，造成工作强度大，加固时间长；
（2）使用加固材料多，造成操作人员配备较多；
（3）牵拉绳现场制作和安装，造成操作时间长。
经过对加固方案进行梳理和分析，发现现行方案主要存在两方面问题：
一是，加固方案沿袭经验制定，未针对铁路运输的特点进行加固受力分析，制定方便快捷加固方案；
二是，不合理的方案造成加固材料多，加固方式复杂。
因此，针对特种车加固过程操作时间长、工作强度大、操作人员多，无法满足快速加固，实现快捷转运要求，迫切需要对重型运输车铁路运输加固方案进行优化研究。
1.铁路车辆运动状态
在铁路运输车辆行驶过程中，由于轨道、地形、速度、车辆连挂等因素影响，铁路运输车辆运动状态变化主要有纵向运动（连挂、启动、加速、制动）、垂向运动（沉浮、点头）、横向运动（转弯、摇头、侧摆）等。
2.重型运输车的受力情况
由于铁路运输车辆行驶过程中存在运动状态变化，造成加固于铁路运输车辆上的重型运输车受到运动状态变化引起的力的作用，作用力主要由纵向惯性力、横向惯性力、垂直惯性力、风力以及摩擦力等组成[2]。
（1）纵向惯性力
纵向惯性力主要由铁路运输车辆启动、加速、制动、连挂等状态变化造成，作用点位于重型运输车的质心，方向与线路中心线平行或相切，力的大小由纵向加速度大小而定。
（2）横向惯性力
横向惯性力主要由铁路运输车辆转弯经过曲线轨道时产生的离心力，作用点位于质心，方向为轨道面的水平方向。
（3）垂直惯性力
垂直惯性力主要由铁路运输车辆经轨道接缝处、线路下沉处以及铁路车辆弹簧的沉浮运用造成，作用点位于质心，方向为垂直方向。
（4）风力
风力主要由空气流动产生，作为铁路运输车辆运输时非单一货物，纵向风力由前方货物平衡，故仅考虑与横向风力。
（5）摩擦力
摩擦力主要由重型运输车轮胎与铁路车辆地板之间的摩擦造成，方向与作用在重型运输车合力的反向，作用点位于重型运输车轮胎与铁路运输车辆地板的接触面。
3.重型运输车受力计算
结合某型重型运输车外形尺寸，选用铁路车辆为铁路平车（N17）进行装载；
另外，按照通常铁路车辆的运输条件（最大运输不大于120km/h，调车连挂速度不大于5km/h），对重型运输车的受力进行计算。
（1）纵向惯性力
经查阅资料，重型运输车采用钢丝绳等柔性材料加固，纵向惯性力计算如下：
经计算，T = 481(kN)
式中，t0—每吨重型运输车的纵向惯性力，kN/t；
Q总—重型运输车与铁路平板总重量，48.4t；
Q —重型运输车重量，28t。
（2）横向惯性力
经计算，N = 79(kN)
式中，n0—每吨重型运输车的横向惯性力，kN/t；
Q —重型运输车重量，28t；
a—重型运输车重心偏离车辆横中心线的距离，24mm；
l—铁路运输车转向架中心距，9000mm。
（3）垂直惯性力
经计算,Q垂= 99(kN)
式中参数同上。
（4）风力
式中， q —侧向计算风压。受风面为平面时， q =0.49kN/m2；
表2 铁路货物常用摩擦系数u表
F—侧向迎风面的投影面积，40m2。
（5）摩擦力
摩擦力由纵向摩擦力和横向摩擦力组成。
纵向摩擦力：
式中，Q后二桥轴核——3、4桥轴核，12t
横向摩擦力：
式中，μ —摩擦系数，参考表2取值0.63。
其他式中参数同上。
4.重型运输车稳定性判定
重型运输车在铁路运输车辆上欲保证稳定，应进行稳定性判定。经查阅相关资料，重型运输车的稳定性判定由倾覆性判定和水平移动判定组成，若存在不稳定性风险，应通过加固措施限制重型运输车的纵向和横向的移动。
（1）倾覆的稳定性判定
倾覆的稳定性由纵向倾覆纵向倾覆稳定性和横向倾覆稳定性组成[3]。
纵向倾覆稳定性：
横向倾覆稳定性：
式中：Q —重型运输车重量，28t；
a—重型运输车重心所在横向垂直平面与重型运输车倾覆点之间的距离，3567mm；
b—重型运输车重心所在纵向垂直平面与货物倾覆点之间的距离，1280mm；
T—重型运输车的纵向惯性力，488kN；
N—重型运输车的横向惯性力，79kN；
h—重型运输车重心自倾覆点所在水平面起算的高度，1159mm；
W—作用于货物上的风力，20kN；
h风—风力合力作用点自倾覆点所在水平面起算的高度，1050mm。
经查阅相关资料，若纵向及横向倾覆稳定系数大于1.25，重型运输车倾覆性是稳定的，由于纵向和横向倾覆稳定性系数（1.73、3.1）均大于1.25，因此针对倾覆性，重型运输车无需采取加固措施。
（2）水平移动的稳定性判定
水平移动的稳定性由纵向水平移动的稳定性和横向水平移动的稳定性组成。
纵向水平移动的稳定性：
横向水平移动的稳定性：
经查阅相关资料，若重型运输车的纵向惯性力大于纵向摩擦力将产生纵向水平移动；
若货物横向惯性力与风力之和的1.25倍摩大于擦横向摩擦力，将产生横向水平移动。
通过水平移动的稳定性计算，重型运输车不满足纵向和横向水平移动的稳定性条件，需进行纵向和横向加固。
1.加固方式和加固材料
原加固方式为：
（1）掩挡分别位于所有车轮前后端和内侧，采用人工楔入方式，使抓钉两端固连铁路运输车辆和掩挡；
（2）拉牵绳两端采用拉牵绳拉钩连接铁路车辆和重型运输车。
原加固材料，如表3所示[4]。
2.加固方式和加固材料分析
通过加固方式和加固材料可以看出，影响加固时间的主要原因为：
（1）加固材料使用数量多，例如：掩挡和牵拉绳；
（2）加固方法复杂，例如：牵拉绳拉钩需两端连接并紧固；
（3）工作强度大，例如：需要使用抓钉对掩挡和铁路车辆平板进行人工强力楔入。
1.原加固方案分析
通过重型运输车铁路运输受力分析，在无任何加固措施情况下，仅存在纵向和横向水平移动稳定性风险，因此通过采取加固措施限制重型运输车水平移动。
经调研，铁路运输加固措施通常采用拉牵绳与掩挡方式。
按照原加固方式，当重型运输车纵向水平移动（向前或向后）时，由掩挡对重型运输车产生的纵向水平外力为：
式中，F外纵—纵向水平外力，kN；
a—掩挡角度，60°；
其他参数同上。
由掩挡重型运输车产生的横向水平外力为：
图2 紧线器
表3 加固材料汇总表
式中，F外纵—横向水平外力，kN；
其他参数同上。
2.方案及加固材料优化
（1）方案优化
由原加固方案分析数据可知，由于掩挡提供的纵向水平外力（536kN）大于纵向惯性力（481kN），因此通过掩挡即可满足加固要求。
由于掩挡提供的横向水平外力（164.6kN）远大于横向惯性力与风力之和与横向摩擦力的差值（18kN），因此原加固方案横向掩挡是富裕的，可大幅减少；
为保持可靠性，经核算，为方便加固，横向可取消二三桥的掩挡。
通过上文中“垂直惯性力”部分的计算可知，重型运输车垂向惯性力99kN远小于重型运输车重，垂向是稳定的，重型运输车无垂向跳动风险；
为提高加固可靠性，使用前后各两条牵拉绳按照向外45°状态进行加固，以平衡垂向、横向、纵向作用力。
（2）加固材料优化
经调研，使用牵拉绳拉钩将两根牵拉绳使重型运输车紧固在铁路车辆上的加固方式，需要根据现场情况操作，必要时还需现场制作牵拉绳，操作较复杂、加固强度大、耗时长；
经调研，采用紧线器加固方式简单、轻便，可直接使用紧线器将重型运输车快速加固在铁路车辆上，紧线器如图2所示。
图3 新型加固方案
表4 新型加固方案加固材料数量
表5 优化前后的加固方案验证情况
3.新型加固方案及加固材料
（1）新型加固方案
经过加固方案的优化，形成新型加固方案，如图3所示。
（2）新型加固方案加固材料及数量
新型加固方案加固材料及数量，如表4所示。
按照新型加固方案进行加固情况验证，验证情况如表5所示。
通过表5看出，新型加固方案相比原加固方案，其加固和解绑效率提高了78%。
针对某重型运输车在铁路运输加固过程中，存在的操作人员多、加固时间长、劳动强度大等问题，本文结合某重型运输车技术参数，提出了一种铁路运输加固的受力计算方法，给出了稳定性判据方法；
根据受力计算数据进行了加固方案、加固材料和加固方式的优化，提出了一种新型加固方案，并进行了加固时间验证，优化后新型加固方案可有效解决问题，使加固效率提高了78%，满足了重型运输车的快捷转运要求。