隧道内货车篷布绳索拉力实车测试与分析

郭玉华^{1, 2}，陈治亚¹，姚曙光¹

(1. 中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙，410075；

2. 铁道部运输局，北京，100844)

摘  要：针对D型与X型篷布的有绳网和无绳网4种不同装载与加固方案，在不同时速下进行货车过隧道时篷布绳索拉力测试和全程跟踪监控摄像的实车试验。研究结果表明：篷布迎风面端部两侧晃动较大，背风面兜风严重；有网篷布顶部在隧道内起伏较小，无网篷布顶部起伏较大，速度较高时起伏明显加大；列车进隧道时篷布绳索受力突然增大，在隧道中逐渐减小，在隧道出口恢复明线水平；随着列车速度的提高，绳索受力逐渐增大；当列车速度为120 km/h时，D型篷布绳索最大拉力为609 N，X型篷布最大拉力为722 N；在相同工况下，D型篷布使用性能优于X型篷布的使用性能；篷布绳网在降低篷布绳索拉力中发挥了重要作用，有绳网篷布绳索受到的平均拉力比无绳网篷布受到的平均拉力小20%~60%。

关键词：车辆工程；篷布；实车试验；绳索拉力

中图分类号：O351.3          文献标识码：A         文章编号：1672-7207(2009)05-1299-07

Tensile force test and analysis of freight tarpaulin cord in tunnels

GUO Yu-hua^{1, 2}, CHEN Zhi-ya¹, YAO Shu-guang¹

(1. School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;

2. Transportation Bureau, Ministration of Railway, Beijing 100844, China)

Abstract: At different level velocities, the tensile forces of tarpaulin cord under four different loadings and reinforcing projects were tested using D-type and X-type tarpaulin with and without cord net when the freight cars run in tunnel, and the full running course was photographed. The results show that the two sides of the tarpaulin end windward shake hardly and catching wind leeward is serious, and in tunnel the top of the tarpaulin with net cord undulates less but more without net cord, which undulates larger with the increase of the velocity. The tensile force increases abruptly while the train comes into tunnel and decreases gradually in tunnel and recovers open wire level at the exits of tunnel. When freight car is at 80-120 km/h, the maximum tensile force of D-type tarpaulin is 609 N and X-type tarpaulin is 722 N. Therefore the D-type tarpaulin has better performance than small-sheet tarpaulin under the same condition, and the tensile force of cord with net is 20%-60% less than that without net, so cord net has an important role.

Key words: vehicle engineering; tarpaulin; full scale train test; tensile force of cord

篷布是铁路货物运输的辅助用具，苫盖在敞车或平车上，防止车内的货物湿损。铁路篷布一般为X型篷布，其长×宽为9.1 m×5.5 m^[1-2]。随着货运列车运行速度提高，受运行环境因素的影响，气动效应使得货车篷布的受力状态发生变化，加之运行时机械振动、车内货物的下沉造成绳索松扣，经常出现篷布和绳索脱落或扬起、挂坏设备、打伤人员的现象^[3-5]。尤其是列车过隧道以及与高速客车交会时，产生的气动力对货车篷布运行安全的影响变得越来越突出^[6]，为此，各铁路局均采取外加加固绳或网绳的办法加固篷布，并采用适应铁路货运的新型D型篷布，其长×宽为15.1 m×5.15 m^[7-8]。为了从根本上解决货车篷布运行安全问题，检验新型篷布使用效果，指导货物列车篷布的使用和管理，田红旗等^[9-13]在京秦线、胶济线进行列车交会的货车篷布试验，对明线上的篷布表面压力、篷布绳索和篷布绳网拉力进行测试，并在遂渝线无碴轨道试验段进行了速度为200 km/h的综合试验，包括隧道空气动力学试验、货车篷布绳索和篷布绳网拉力测试^[14-15]。在此，本文作者对遂渝线的综合试验测试结果进行分析。

1  遂渝线实车试验概况

在遂渝线无碴轨道试验段进行速度为200 km/h的综合试验。试验中被试车型有速度为200 km/h CRH2动车组和速度为120 km/h提速货车。其中，货物列车编组为2 台SS_7E电力机车牵引17辆轴重为  23 t的C₇₀敞车，3辆轴重为25 t的C₈₀敞车，1辆空平车和自发电客车以及试验车，牵引质量约2 kt，编组方式见图1。其中，4辆为采用不同装载加固方式的篷布敞车^[9]，装载加固方案见表1。货车的试验速度级别为80，90，100，110和120 km/h。

1.1  货车篷布绳索测点布置

试验在有网和无网的D型篷布、X型篷布装载方式不同的4辆C₇₀敞车上进行。共布置144个测点，测点布置如图2所示。

1.2  篷布绳索和绳网拉力测试系统组成

过隧道货车篷布绳索、绳网拉力测试系统组成如图3所示。以计算机为中心，对多点、多种随时间变化的绳索、绳网拉力进行动态在线实时测量，并快速进行信号分析处理，有效排除噪声干扰，消除偶然误差，修正系统误差，测量结果具有很高的精度。采用“S”型剪切结构的NS－WL3型拉力传感器对篷布绳索和绳网拉力进行动态测量。

图1  货物列车编组

Fig.1  Freight train formation diagram

表1  测量装载加固方案

Table 1  Measurement loading strengthening scheme

(a) 敞车C₇₀(1566511)绳索测点布置；(b) 敞车C₇₀(1554048)绳索和绳网测点布置；

(c) 敞车C₇₀(1566433)绳索测点布置；(d) 敞车C₇₀(1558422)绳索和绳网测点布置

图2  货车篷布绳索和绳网测点布置

Fig.2  Measurement points layout of freight car tarpaulin cord and cord net

图3  篷布绳索和绳网拉力测试系统框图

Fig.3  Test system framework for tensile forces of tarpaulin cord and cord net

2  篷布绳索和绳网拉力测试结果分析

2.1  进、出隧道篷布绳索拉力

货车以速度为120 km/h进、出二岩隧道和进入木鱼山隧道时，篷布绳索5号测点拉力测试曲线见图4，拉力测试比较结果见表2。从图4可知，绳索拉力测试曲线在隧道进口有明显波动，表明列车进入隧道时，篷布绳索拉力明显增大，在隧道中逐渐减小，在隧道出口没有明显波动，恢复明线水平，但若测点布在列车尾部，则在出洞时也有较大变化，但没有进洞时的变化明显。

从表2可知，当列车从石子山开往井口时(下行)，龙凤隧道入口为双线隧道，货车篷布绳索拉力测试结果为597 N；二岩隧道入口为单线隧道，货车篷布绳索拉力测试结果为722 N；当列车从井口开往石子山时(上行)，龙凤和二岩隧道入口均为单线，2个隧道的货车篷车绳索拉力相差不大，分别为366 N和375 N，说明隧道断面对篷布绳索的受力影响很大，隧道长度对篷布绳索的受力影响不大。

图4  拉力测试曲线

Fig.4  Curve of actual tensile force

表2  拉力测试比较结果

Table 2  Compared results of actual tension forces

表3  各速度下绳索的最大拉力及对应测点编号

Table 3  Maximum of tension force and corresponding measurement point of tarpaulin cord at different velocities

当货物列车上行和下行时，篷布绳索拉力差别很大。这主要是由于货物列车下行时，篷布车辆前端有1辆空平车，兜风严重，从而使下行时篷布绳索拉力远大于上行时篷布绳索拉力，而远离空平车的篷布在上、下行时绳索拉力差别减小。

2.2  各速度下绳索的最大拉力

货车以速度80~120 km/h经过二岩隧道(下行、上行)时，在各速度下绳索的最大拉力及对应测点编号如表3所示。测试结果表明，篷布绳索、绳网在运行过程中会慢慢松弛，受到的力也会变大，因此，表3中绳索的最大拉力均选取相同速度时的拉力最大值。结果表明，采用D型篷布苫盖时，篷布用绳索受到的最大拉力为609 N；采用X型篷布苫盖时，篷布用绳索受到的最大拉力为722 N。

试验中货物列车经过隧道时，在不同速度下，D型篷布和X型篷布绳索最大拉力如表4所示。结果表明，当运行速度为80 km/h时，D型篷布和X型篷布绳索的最大拉力分别为416 N和470 N；当运行速度为120 km/h时，D型篷布和X型篷布绳索的最大拉力分别为609 N和722 N。可见，随着货物列车经过隧道速度的提高，绳索最大拉力增大。

2.3  不同篷布绳索拉力比较

为测量不同篷布绳索的受力，试验中对超车帮小于1 m的有网D型篷布、无网D型篷布、有网X型篷布和无网X型篷布进行测试。为了对这4种篷布类型进行比较，选取4种方案中测点绳索拉力的平均值进行分析，其测试结果如表5所示。结果表明：

表4  不同速度货物列车过隧道绳索最大拉力

Table 4  Maximum tension force when freight train passes through tunnel at different velocities

a. 无论是D型篷布还是X型篷布，有网时篷布绳索拉力都比无网时的拉力小，在大部分工况下，有网篷布绳索受到的平均气动力比无绳网篷布受到的平均气动力小20%~60%，篷布绳网在降低篷布绳索气动力中发挥了重要作用。

b. 货物列车上、下行时，篷布绳索的拉力差别很大。主要是由于货物列车下行时，无网D型篷布车辆前端有1辆空平车，兜风严重，使无网D型篷布下行时绳索拉力远大于上行时篷布绳索的拉力，而离空平车较远的有网D型篷布在上、下行时，绳索拉力差别减小；对于X型篷布，篷布绳索拉力在货物列车下行时比上行时的大，这主要是篷布逆向压缝引起的，逆向压缝篷布绳索受到的气动力明显比顺向压缝时的大。

表5  不同篷布绳索拉力平均值比较

Table 5  Average tension forces of different kinds of  tarpaulin cord

c. 有网D型篷布绳索拉力都小于有网X型篷布的绳索拉力。因无网D型篷布车辆前端有1辆空平车，兜风严重，而离空平车较远的无网D型篷布在上、下行时，绳索拉力都小于无网X型篷布时的拉力，故在相同工况下，D型篷布使用性能优于X型篷布的使用性能。

3  货车篷布远程录像监视

为了监视列车在隧道内、外运行时货车篷布状态，本次试验共安装8个摄像头。摄像头1~3监视无网D型篷布，摄像头4和5监视有网D型篷布，摄像头6监视无网X型篷布，摄像头7监视有网X型篷布，摄像头8监视无网篷布端部。

从摄像监控画面可以看出，无网篷布端部迎风面两侧晃动较大，背风面兜风程度较大；有网篷布与无网篷布相比，无论是迎风面还是背风面，其晃动或兜风程度均比无网篷布的小。有网篷布顶部在隧道内起伏较小，与隧道外差异不大。无网篷布顶部在隧道内起伏较大，速度高时起伏明显加大，与隧道外的起伏差异明显。无网篷布端部(相邻车为同型敞车)在速度较低时(小于90 km/h)仅有轻微晃动，速度较高时(大于100 km/h)晃动加剧，在隧道内更为明显。

摄像监控画面表明，D型篷布栓结点的分布及篷布栓结方式的改进明显减少了篷布端部的兜风现象，D型篷布绳索气动力最大值不再出现在篷布端部位置，大部分出现在篷布中部和车号附近(为不遮盖车号，在车号位置将篷布卷起)，特别是车号位置折叠卷起的篷布在运行过程中松开后，篷布晃动非常明显。

4  结  论

a. 货车经过隧道时，D型篷布的绳索受到的最大拉力为609 N，X型篷布的最大拉力为722 N，均小于篷布维修规章中规定更换用的篷布绳索技术指标(3.000 kN)和篷布用绳抗拉的技术性能指标(8.400 kN)，满足规范要求。

b. 篷布绳索拉力在隧道入口有明显波动，在隧道内逐渐降低，在隧道出口时恢复明线水平。

c. 随着货物列车速度的提高，D型和X型篷布绳索受到的拉力明显增大。但在相同工况下，D型篷布使用性能优于X型篷布的使用性能。

d. 篷布绳网在降低篷布绳索拉力中发挥了重要作用，有网篷布绳索受到的平均拉力比无绳网篷布受到的平均拉力小20%~60%。

e. 无网篷布迎风面端部两侧晃动较大，背风面兜风程度较大；有网篷布与无网篷布相比，无论是迎风还是背风面，其晃动或兜风程度均比无网篷布时的小；有网篷布顶部在隧道内起伏较小，与隧道外差异不大；而无网篷布顶部在隧道内起伏较大，速度较高时起伏明显加大，与隧道外差异明显。

f. 对D型篷布栓结点的分布及篷布栓结方式进行改进后，篷布端部的兜风现象明显减少。对车号位置的篷布栓结方式有待于进一步研究。

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收稿日期：2009-01-10；修回日期：2009-03-20

基金项目：铁道部科技研究开发计划项目(Z20062077，2007X012-F)

通信作者：郭玉华(1958-)，女，河南长垣县人，博士研究生，高级工程师，从事交通运输管理研究；电话：0731-2655294；E-mail: ysgxzx@163.com