摘要：目的针对特种方舱铁路运输，明确异常调车纵向冲击试验方法，并掌握异常纵向冲击安全性边界。方法首先开展“一车冲一车”、“一车冲三车”铁路冲击对比试验，获得2种工况下的冲击特性数据。然后，基于冲击试验获得的缓冲器性能，建立特种方舱铁路运输调车作业动力学模型，研究冲击模式下不同冲击速度的纵向冲击特性。结果试验工况1(冲击速度为8km/h，“一车冲一车”)下，车钩力不大于1200kN，特种方舱内的包装箱固定状态良好。试验工况2(冲击速度为15km/h，“一车冲三车”)下，连挂碰撞界面处的缓冲器完全压缩，铁路车辆前从板出现破坏，特种方舱门端角件发生局部塑性变形，包装箱后限位结构出现变形。基于动力学模型的仿真结果表明，“一车冲一车”工况下，MT-2缓冲器与车体能承受的极限冲击速度约为10km/h。工况2受试车(特种方舱的装载车)前端车钩力约为2132kN，接近MT-2缓冲器的最大作用力。结论开展特种方舱铁路运输调车异常冲击试验，“一车冲一车”模式是更为合适的试验方法。连接车钩是整个特种方舱安全铁路运输系统的最薄弱环节，调车作业安全性边界冲击速度约为10km/h。
关键词：纵向冲击;特种方舱;缓冲器;安全性
在炸药、火工品、化学物品、放射性材料等危险品的铁路运输中，通常采用特种方舱作为外包装防护容器，利用方舱底部的角件与列车上的锁紧装置(平头锁、手动/全自动转锁、F-TR锁等)连接，进行刚性固定[1]。列车解体或编组等调车环节是列车运行过程中最严酷的使用工况，方舱及其内装货物将承受较大的纵向冲击，是导致方舱结构与货物损坏的主要原因之一[2-3]。若在调车作业过程中出现异常冲击事故，将可能造成包装容器破坏，甚至导致危险品泄露，严重危害环境以及公共安全。
铁路车辆冲击试验研究方面，对铁路车辆、上装货物的铁路冲击试验方法有所差异。开展铁路车辆冲击试验，可参考的国内标准主要是TB/T1335—1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》和TB/T2369—2010《铁道车辆冲击试验方法与技术条件》。二者规定的试验方法均模拟驼峰调车场景，目的在于考核铁路车辆的冲击强度，采用“一车冲一车”的调车工况，仅冲击速度量值有所差异，见表1。在铁路行业中，开展过大量的铁路车辆冲击试验，均按照TB/T1335—1996规定进行。
开展特种方舱铁路冲击试验，可参考的国内标准主要是GJB2093A—2012《军用方舱通用试验方法》和TB/T1335—1996。GJB2093A—2012采用的是“一车冲三车”工况，受试车为第2辆静止车，冲击速度为15km/h。国内军用方舱行业中，基本通过理论计算与数值仿真校验舱体冲击强度，少见有开展过铁路冲击试验进行验证。为研究特种方舱对铁路运输冲击环境的适应性与安全性，有必要开展铁路冲击试验，对不同的试验工况进行对比，确定合适的冲击试验条件，研究特种方舱铁路运输的纵向冲击特性。
仿真模拟研究方面，基于铁路车辆冲击的纵向连接模型，国内外学者通常采用单自由度多质点串联系统来模拟车辆之间的冲击过程，对缓冲器力学特性多采用查表法、线性阻尼带宽法、迟滞回路修正法、线性与非线性刚度叠加法以及多参数刚度阻尼法等进行数学建模分析[4-7]。对车体结构变形的影响，则多在缓冲器模型中进行补偿，如过渡曲线延伸法、并联刚度阶段作用法等[8-9]。通过建立动力学模型，对冲击过程中的车钩力、缓冲器行程、车体速度及加速度等动态参数有较好的预测性。孙锁怀等[10]基于试验方法获得了缓冲器非线性刚度阻尼参数，并建立了动力学模型，分析了不同编组模式下的纵向冲击特性。杨亮亮等[11]提出了一种兼顾缓冲器各摩擦部件之间的几何与力学关系、车体与转向架之间的心盘连接关系以及车体结构变形的纵向连接模型，与实际运行状态吻合较好，可较好预测纵向振动问题与车体纵向变形。Sun等[12]建立了典型旅客列车的冲击动力学模型，分析了冲击速度和编组形式对各车辆界面碰撞力的影响。严隽耄、Kirkpatrick等[13-20]建立了铁路运输冲击的仿真模型，总结了车辆纵向冲击特性的基本规律与影响因素，并提出了减小纵向冲击的有效措施。
文中首先开展了铁路冲击对比试验，研究了GJB2093A—2012与TB/T1335—1996规定的2种试验工况下的冲击环境。然后，基于试验结果，建立了特种方舱铁路运输调车工况下的系统动力学模型，对车体与特种方舱的纵向冲击特性进行了分析，为特种方舱铁路异常调车纵向冲击安全性边界分析提供了理论参考。
1特种方舱铁路冲击对比试验研究
1.1特种方舱铁路运输连接状态
铁路运输过程中，危险品包装箱通过螺栓连接固定在平板小车上，平板小车通过前后限位结构固定压紧。特种方舱通过底部的4个角件与铁路货车上的4个F-TR转锁连接固定，不采用其他刚性或柔性加固，如图1所示。某危险品包装箱与平板小车的总质量约为5t，特种方舱外形尺寸(长×宽×高)为6058mm×2438mm×2438m，满载质量约为15t。
1.2铁路冲击试验条件
参考GJB2093A—2012中规定的铁路运输撞击试验，以及TB/T1335—1996中规定的铁路车辆冲击试验方法，确定特种方舱铁路冲击对比试验件，见表2。为对比分析“一车冲一车”(工况1)、“一车冲三车”(工况2)2种冲击模式(如图2所示)下冲击特性的差异，除冲击速度与受试车位置不同外，其余试验条件均一致。其中，冲击车为C80型货车，总质量为75t;装载方舱的受试车为NX70型平车，空载质量为23t，装载特种方舱后的总质量为38t;连挂车为N17AK型平车，空载质量为20t;阻挡车为C80型货车，总质量约为80t。以上车辆均配装有17型车钩、MT-2型缓冲器。考虑到试验实施的分散性，同一工况冲击2轮，不区分正反冲击方向。
试验在中车长江车辆有限公司试验研究中心的冲击试验线上开展。通过高速摄影机，测量冲击速度;通过在连挂碰撞界面处安装测力车钩，测量车钩冲击力;通过在连挂碰撞界面处的缓冲器前从板和钩托板之间安装位移计，测量冲击时的缓冲器位移;通过在特种方舱内部安装加速度传感器，测量关键位置的加速度响应。
1.3试验结果及分析
试验过程中，工况1的2轮冲击速度分别为8.2、8.15km/h，冲击车与受试车正常连挂，特种方舱结构外观正常，无变化。工况2的2轮冲击速度分别为15、15.13km/h，试验后连挂车1的前从板出现破坏，有破片飞出;特种方舱的门端角件发生局部塑性屈服变形(如图3所示)。最大车钩力与缓冲器测试结果见表3。工况1条件下，缓冲器位移约为78mm，车钩力不大于1200kN，未超过其最大行程(83mm);工况2条件下，缓冲器被完全压缩，车钩力超出缓冲器的最大作用力(2300kN)。根据我国现行《铁路技术管理规定》，铁路车辆调车连挂速度不大于5km/h，铁路运输车辆的车体强度均按8km/h的冲击速度进行设计校核。工况2的冲击速度约为正常连挂速度的3倍，铁路平板车车钩发生变形破坏，无法正常调车连挂。
两种工况下，冲击响应沿“平板车→FT-R转锁→特种方舱→平板小车→包装箱”传递，且衰减较快(如图4所示)。包装箱上的轴向冲击响应均呈半正弦波波形，峰值约为5g~7.3g，底宽约为50~80ms，符合铁路冲击响应的理论预期。相比于工况1，工况2中包装箱上的响应偏大，超出约40%。工况2冲击试验后，平板小车后限位结构出现明显弯曲变形。试验结果表明，GJB2093A—2012规定的铁路冲击试验工况比TB/T1335—1996中的规定更为严酷。但是，尚不足以给出危险品特种方舱铁路运输冲击的安全边界，可通过建立铁路运输纵向冲击动力学模型进一步对比分析。
2铁路运输纵向冲击特性分析
2.1铁路运输冲击动力学模型
铁路冲击试验中，无论是“一车冲一车”，还是“一车冲三车”模式，均可将铁路车辆冲击模型简化为1辆运动车冲击n辆静止车的质量-弹簧阻尼系统，如图5所示。当运动车与静止车接触时，缓冲器开始压缩，车辆之间存在相互冲击力，车辆与轨道之间存在着摩擦力。仅考虑车辆纵向伸缩的自由度，忽略车辆横向、垂向的运动。
3结论
1)在TB/T1335—1996、TB/T2369—2010、GJB2093A—2012等3个标准中，参照TB/T1335—1996规定的“一车冲一车”模式，开展特种方舱铁路运输调车异常冲击试验，可操作性更强，更符合我国危险品铁路运输的实际情况。
2)对于特种方舱铁路运输异常调车冲击，连接车钩是整个系统的最薄弱的环节，调车作业安全性边界冲击速度约为10km/h。
3)调车作业过程中，连挂碰撞界面处的车钩力最大，离该界面越远，车钩力越小。危险品特种方舱铁路运输中，应严格按铁路技术管理规定控制调车作业连挂速度(不大于5km/h)，并尽量保持危险品特种方舱远离冲击碰撞端。——论文作者：母东，向聪，刘勇，刘绪锡，张云逸
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