近年來，我國罐式集裝箱(以下簡稱“罐箱”)運輸發展迅速，滿足鐵路運輸要求的罐箱也呈現快速增長趨勢。鐵路罐箱不僅須通過鐵路主管部門規定的沖擊試驗(以下簡稱“鐵路沖擊試驗”)，還須通過船級社規定的沖擊試驗(以下簡稱“動態撞擊試驗”)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撞擊試驗實例研究，分別獲得兩種沖擊試驗結果和規律，并在此基礎上結合試驗經驗，對罐箱耐沖擊設計提出建議。

　　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

　　根據中國國家鐵路集團有限公司發布的TG/HY105—2017《鐵路危險貨物運輸管理規則》第13章第86條規定，罐箱應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列車運動狀態發生急劇變化(突然啟動、制動等)時以及車輛受到調車沖擊時，罐體與框架聯結部位及框架的工作應力能否滿足強度要求。

　　1.2動態撞擊試驗要求及目的

　　2006年，國際標準化組織將動態撞擊試驗納入ISO1496-3-1995《系列]貨運集裝箱規范與試驗第3部分:液體、氣體及加壓干散貨用罐式集裝箱》。同年，聯合國修訂《關于危險貨物運輸的建議書—試驗和標準手冊》(以下簡稱《試驗手冊》)第4部分第41節有關撞擊試驗的要求，使之與國際標準化組織的規定保持一致。隨后，國際海事組織發布的《國際海運危險貨物規則池對動態撞擊試驗作出規定，要求從2008年1月1日起，符合《國際集裝箱安全公約》定義的罐箱樣箱設計必須符合《試驗手冊》的撞擊試驗要求。在針對動態撞擊試驗的研究中，劉剛切詳細闡述了動態撞擊試驗的發展歷程。動態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。

　　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準主要是TBAT1335—1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》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

　　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的受試車(用于承載被試罐箱)，另有數輛處于制動狀態的車輛(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可以是工作介質，也可以是水等其他介質，裝載后被試罐箱總質量須達到額定質量。當采用非工作介質時，應模擬工作介質實際裝載質量及重箱重心高度O2.1.2測試參數鐵路沖擊試驗測試參數包括沖擊速度、沖擊加速度、構件應力等，其中，構件應力為主要考評指標。罐箱框架應力采用電阻應變片法測量，測點通常位于結構斷面突變、圓弧過渡等應力集中區域及材料變化位置，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次數據重復性較好的沖擊;測量罐箱框架及其與罐體聯結部位的應力，在試驗過程中隨時觀察罐箱狀態(有無變形或損傷)。

　　2.1.4試驗數據處理及結果判定

　　在處理沖擊試驗數據時，構件動應力濾波截止頻率為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《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》中車輛沖擊試驗的第二工況，評價罐箱與框架聯結部位及框架的強度要求，此時合成應力6=b1+CF2式中:6為第二工況合成應力;6為垂向靜應力;6為第二工況壓縮時的應力。合成后的應力值應不大于第二工況下的許用應力。如果罐箱框架上任何測點的合成應力超過所用材料的許用應力，則判定該罐箱結構強度不滿足鐵路運輸安全要求。

　　2.2動態撞擊試驗方法

　　動態撞擊試驗標準主要有《試驗手冊》和ISO1496-3-1995《系列1貨運集裝箱規范與試驗第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

　　對沖擊車質量和速度無剛性規定，原則上沖擊車與被沖擊車質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量(包括罐箱自身質量)應盡可能接近其最大額定質量。試驗時無須模擬重箱重心高度。

　　2.2.2測試參數

　　動態撞擊試驗測試參數包括沖擊速度、沖擊加速度、沖擊響應譜(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沒有統一標準，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，一般經過3~4次沖擊即可達到試驗終止條件。

　　2.2.4試驗數據處理及結果判定

　　對于罐箱主體結構(容器及框架)來說，角件上的沖擊波相當于罐箱整體的外激勵，將角件實測的加速度時域響應通過一定的SRS算法轉換成相應的SRS曲線，并與標準的SRS曲線進行比較，模擬罐箱在當次沖擊下是否達到所需的沖擊環境要求o在針對動態撞擊試驗數據處理的研究中，劉鳳芹和閆偉13詳細描述了SRS算法和動態撞擊試驗數據處理過程。動態撞擊試驗合格的判定依據為：被試罐箱2個底角件上的SRS曲線在3-100Hz范圍內所有頻率都必須等于或超過標準規定的最小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，側面對角線長度差值變化量不大于10mm;被試罐箱不得出現明顯的屈服變形、焊縫開裂或其他結構損壞。

　　2.3鐵路沖擊試驗與動態撞擊試驗比較

　　(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雜，而動態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，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)試驗數據處理和考評依據不同。鐵路沖擊試驗對罐箱結構強度的評價主要依據關鍵部位的應力值，無法直接得到整體結構對沖擊的響應特性;而采用SRS的縱向動態撞擊試驗能夠獲得整體結構受到沖擊作用的效果，從而評估沖擊對結構的損傷和破壞勢。

　　3鐵路罐箱沖擊試驗實例

　　結合不同尺寸和不同結構的4種罐箱，對鐵路沖擊試驗和動態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)的主要技術參數。

　　4鐵路罐箱設計建議

　　4.1基于鐵路沖擊試驗的罐箱設計建議

　　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，導致在沖擊過程中集裝箱的縱向加速度較大異根據相關研究，當沖擊速度為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力;在本文涉及的罐箱B鐵路沖擊試驗中，97%的測點實測應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?考慮設計其縱向慣性力，考評依據TB/T1335—1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》進行。

　　4.2基于動態撞擊試驗的罐箱設計建議

　　根據ISO1496-3-1995《系列1貨運集裝箱規范與試驗第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通過大量動態撞擊試驗測得，當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?考慮設計其縱向慣性力，考評以試驗工況下罐箱各構件整體強度不超過其材料屈服強度為準。

　　5結束語

　　(1)鐵路沖擊試驗能夠實現對罐箱關鍵部位受力情況的定量考評，但無法直觀評價結構的整體抗沖擊性能，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，試驗結果受樣本個體差異影響較大，相同設計結構在不同制造誤差下，同一測點測試結果可能存在明顯差別。

　　(2)動態撞擊試驗能夠反映箱體結構受到沖擊作用的響應效果;但由于“SRS曲線高于標準SRS曲線”判定標準的自由度較大，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撞擊試驗的罐箱時，可以統一按沖擊加速度40-50m/s2<慮設計其縱向慣性力，但合格判據應有所區別。

　　參考文獻：

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　　[2]劉鳳芹，閆偉.基于沖擊響應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.