摘 要：基于热轧卷钢工艺的升级，高端硅钢产品的市场需求和运输需求快速增长。根据钢铁行业产成品创新升级，中铁联合物流股份有限公司研发制造了适合首钢产品需求的小卷硅钢平车卷钢座架并投入集港运营，实践证明，其生产安全高效，经济效益显著，实现了路企双赢。

关键词：小卷硅钢;平车卷钢座架;安全;经济

中图分类号：U9  文献标识码：B

自2009年以来，针对首钢、承钢等大型国有钢厂热轧卷钢主要规格（20～30t/件/板宽1000～2000mm/直径1700～2000mm），中铁联合物流股份有限公司（以下简称公司）自主研发了2卷/3卷热轧卷钢平车座架。从2009年至2019年底，累计运输卷钢1500万吨，实现铁路运输综合创效10.5亿元（其中铁路运费收入6.5亿元、为相关车务站段创收1.6亿元、公司实现毛利2.4亿元）。平车卷钢座架物流运输服务得到了客户的充分肯定，已成为公司增收创利的核心业务。

1 传统凹型草支垫运输卷钢

钢卷多通过铁路进行运输，因此钢卷在货车上的支撑、安装和固定便显得十分重要[1]。特别是在货车提速后，钢卷的固定问题更加讲究安全、可靠。

目前，用于运输钢卷主要采用草支垫，将草支垫放在钢卷的下面，通过货车进行运输，如图1、图2所示。但利用草支垫运输存在如下问题：

（1）草支垫在运输过程中容易造成环境污染，草支垫一般为一次性使用，用后的草支垫一般都抛弃了（草支垫已经损坏），即使回收，使用价值和经济效益也不大。

（2）作为草支垫主要原料的稻草，近年来价格越来越高，随着稻草的应用领域越来越广，向农户收购稻草越来越困难，运输的费用也越来越高，使草支垫的成本直线上升。

（3）稻草在运输过程中容易黏结在钢卷上（产生了静电吸引），黏结在钢卷上的稻草清理比较困难，并且在钢卷上会留下很多划痕，严重影响钢卷的质量，甚至造成合同的纠纷，因此，较高规格的钢卷一般不采用草支垫运输。

2 小卷硅钢卷钢座架装载设计

随着钢铁企业的不断创新发展，基于热轧卷钢工艺的升级，高端硅钢产品的市场需求和运输需求快速增长，运输此类卷钢的物流装备需满足卷钢与装载设备的柔性接触、装载设备多卷式的要求，公司现有平板车卷钢座架无法满足该小卷卷钢运输需求，需研发适合该小卷硅钢规格的卷钢座架。

2020年2月，经过与首钢公司多次沟通，根据产品规格确定了装载设计方案：一平车上采用两个座架，整车7卧槽，可实现单卧单排及并排卷钢装车（含卷钢和座架的柔性防护），如图3、图4所示[2]。同时接洽了两家研发设计制造单位，分别为“中车石家庄车辆工厂”（以下简称石厂）和“南通中集特種运输设备制造有限公司”（以下简称南通公司）。

中车石家庄车辆工厂为中车集团齐车公司下属一级子公司，主营铁路各类货车的新造及厂修。2018—2019年先后为公司大修了6列既有平板卷钢座架并新造了一列平板车卷钢座架，质量良好。针对小卷硅钢的设计方案，石厂设计研发费用为30万元，研发周期4个月。座架自重5吨/两座架，批量生产单价10万元/两座架。

南通中集特种运输设备制造有限公司是一家由招商局及中远海运公司合资成立的大型国有公司。主要优势为特种运输设备、特种集装箱、物流装备及配件的研发、设计及制造。针对小卷硅钢的设计方案，南通公司设计研发费用为28万元，研发周期2个月。设计座架自重3吨/两座架，批量生产单价5.38万元/两座架。

根据对上述两家公司研发费用、研发周期、设计自重、制造单价的比选，最终确定与南通中集公司合作研发制造硅钢卷钢座架。

3 研发试验

3.1 设计制造

2020年3—5月，经过与南通中集公司技术人员多次组织视频会议和现场调研商洽，完成了小卷硅钢卷钢座架的设计和样本制造，产品为全钢焊接框架结构[3]。单个座架设置3槽，两组座架组成7槽，充分利用铁路平车的长度及载重，如图5所示。每个座架底部四角设置有集装箱底角件，通过平车上的20ft集装箱锁头位进行连接固定。选用NX70A型通用平车作为承载座架的载体，NX70A型通用平车技术参数如表1所示。

3.2 受力分析

根据TG/HY1022015《铁路货物装载加固规则》，运输过程中作用于货物上的纵向惯性力为175.9kN。应用Solidworks软件进行卷钢座架以及卷钢的三维模型建立，再将三维模型以IGES格式导入有限元软件ANSYS中进行处理计算。考虑钢座架主结构方管为薄壁结构，选用Shell181壳单元来划分网格，Shell181单元适合对薄的但具有一定厚度的壳体结构进行分析，非常适用于分析线性的大转动变形和非线性的大形变。由于卷钢实体结构较为规则，选用Solid185实体单元进行划分网格。Solid185实体单元可用于构造三维固体结构，单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度[45]。

卷钢座架主体材料参数如表2所示，计算中不考虑卷钢的强度，以任一种钢材代替即可[6]采用ANSYS提供的强大的自动网格划分工具SmartSize，座架为四节点壳单元，卷钢为六面体实体单元[7]。对座架结构进行处理并求解，座架各位置均未发生屈服，且斜撑上最大应力为372MPa，小于其许用应力550/1.18=466MPa，主体结构上最大应力为198MPa，小于其材料许用应力355/1.18=301MPa，结构符合强度要求。

3.3 冲击试验

2020年5月8日，在江苏常州戚墅堰车辆工厂进行了静态载荷、冲击状况的试验测试，如图6、图7所示。

3.4 结论

根据试验结果，可得出以下结论：

（1）现场对平车7槽卷钢座架样品现场尺寸复核测量可知，座架外形尺寸与所提供设计图纸一致，焊缝质量符合设计图纸要求。

（2）静态检测试验结果表明，平车7槽卷钢座架在承载13t卷钢（6.5t+6.5t）及10.0t卷钢，且考虑足够安全系数时，座架静态承载强度均符合《铁路货物装载加固规则》的要求[2]。

（3）冲击试验结果表明平车7槽卷钢座架在运输卷径800～1250mm，板宽800～1250mm，单槽卷重≤14t，冲击速度达到9km/h时，测点动应力值、静应力及动应力的合成应力值也小于所用材料的许用应力值，且小于所用材质的材料许用应力值，因此平车7槽卷钢座架承载强度符合《铁路货物装载加固规则》的冲击强度要求[89]。

（4）冲击试验结束后对比冲击试验前定位标志线，座架相对于车体均无明显位移，冲击试验过程中未发现卷钢在座架内有明显爬滚现象。

（5）静态荷载试验前后及动态冲击试验前后，平车7槽卷钢座架整体状态完好，试验后未发现任何肉眼可见的座架变形、焊缝开焊、座架破损损伤等情况，与座架接触的平车各部位均未发现异常[1011]。

综上所述，平车7槽卷钢座架满足《铁路货物装载加固规则》的相关技术要求，满足卷钢铁路安全运输的要求。

3.5 电报核复

2020年6月29日，北京局集团公司货运部出具了关于平车7槽卷钢座架卧装卷钢装载方案的核复。经验证，小卷硅钢卷钢座架充分利用现有的NX70A的长度，实现多规格和数量的卷钢成列装载运输。并且卷钢座架可以循环反复使用，而不需要一次性的捆绑加固耗材，极大地降低了运输成本，提高了运输效率。通过对卷钢座架的静载及冲击试验结果表明，平车7槽卷钢座架满足《铁路货物装载加固规则》的相关技术要求，满足卷钢铁路安全运输的要求。

4 效益分析

在2009年4月之前，首钢迁钢的卷钢运输主要采用汽车运输。为了缓解限载限超和暑期限行给汽运带来的压力，在路局大力支持下，公司利用自主研发的可拆卸平板车卷钢座架为首钢迁钢公司提供铁路运输[12]。特别是2018年6月，国务院正式印发《打赢蓝天保卫战三年行动方案》，中国铁路总公司在调查研究和充分论证基础上，又制定了《2018年—2020年货运增量行动方案》，这些行动方案都明确提出，要优化调整运输结构，大幅提升铁路运输比例。我们抓住机遇，就首钢迁钢卷钢铁路运输进行大胆实践，采取一系列措施，取得了較好的卷钢增量效果。

2020年7月，公司制造了30辆份小卷硅钢卷钢座架，8月初投入了首钢迁安公司到首钢京唐公司曹妃甸港的运输，运输区间为沙河驿镇站—曹妃甸南站，见图8所示。仅8月份当月，首发164车，净载重58吨/车，共计9512吨，国铁运费收入28.8元/吨，计27.4万元;公司收益17.8元/吨，计16.9万元。国铁运费和公司合计44.3万元，年创收500万元以上，真正实现了主业增量创效，非运输业增收创利。

结语

小卷硅钢平车卷钢座架的研发制造成功并投入运营，得到了首钢公司各级领导的认同，一致认为该装备安全高效，可实现硅钢产品集港运输的快装、快运、快卸、快回送，提升了公司的核心竞争力，为今后更好地服务大型钢铁企业提供了装备保障。

参考文献：

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[2]中国铁路总公司.铁路货物装载加固规则[M].北京：中国铁道出版社，2015：160168.

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[5]刘晓宇，裴东风.SolidWorks 2012中文版完全自学手册[M].北京：中国铁道出版社，2012.

[6]张耀，曹小平，王春芳，张文辰.材料力学[M].清华大学出版社，2015.

[7]胡仁喜，徐东升，李亚东.ANSYS13.0机械与结构有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2011.

[8]高俊平.铁路卧装运输卷钢座架强度仿真分析与试验研究[D].北京：北京交通大学，2012.

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[10]朱克非，车德慧，马玉坤，等.一种运输卷钢的钢座架：CN201890231U[P].2011.

[11]岳森根.钢座架卧装卷钢运输方式的运用与建议[J].上海铁道科技，2014（1）：2021.

[12]刘映安，李貌.关于铁路钢卷运输专用车辆的思考[J].轨道交通装备与技术，2017（01）：14.

作者简介：沈建军（1973— ），男，汉族，北京人，工程师，中铁联合物流股份有限公司副总经理兼设备市场部经理，研究方向：运输经济、铁路货物装载加固技术。