关于铁路集装箱运输用F-TR锁的设计

关于铁路集装箱运输用F-TR锁的设计摘要：通过对铁路集装箱运输研究做出相应的F-TR锁的设计,运行实践证明该全自动锁安全可靠,达到了铁路集装箱运输的要求。

关键词：铁路，集装箱运输，F-TR锁，设计一、概述我国的集装箱[1]铁路运输始于 1955年3月。

随着我国经济的快速发展，铁路集装箱运量稳步攀升，班列运输，国际箱业务快速增长，集装箱铁路运输日益成为我国货物运输的重要组成部分。

如何方便、安全、高效的装载运输集装箱就显得更为重要和突出。

二、F-TR锁设计背景07年北京风沙线下行线，一辆出京的货运列车经过门头沟一座铁路高架桥时，车尾部的两个分别重2.2吨的集装箱突然“脱轨”，坠下40多米高的桥，当时认为这可能是瞬间风速过大造成的。

事后分析认为风速大是一方面的原因，主要还是用于集装箱系固的装置不够安全可靠造成的。

在07年以前我国铁路集装箱运输使用的系固装置是符合ISO3874《系列1集装箱装卸与栓固》中的第9.3.4条款铁路集装箱运输Rail vehicle operation的系固装置---凸台锥（图1、图2、图3），尽管这种结构在全世界已普遍使用，但是由于我国的铁路运输线长，情况复杂，所以虽然采用了这一标准，但是运输过程中还是出现了集装箱掉落的安全问题。

1 图2图3 图4在新的产品没有研发出来之前，铁路部门的集装箱运输过程中增加铁丝加固，卸箱时再把铁丝剪断的方式来增加运安全性，不仅效率低下，而且据铁路部门统计每年铁丝损耗加人工费用达几千万元，消耗是巨大的。

如何设计一款适应我国国情的、更安全可靠的系固装置，成了必须要解决事关铁路运输的安全问题，更是迫在眉睫。

二、铁路集装箱运输原使用系固装置分析在接到这个任务后，我们技术团队立即开展工作，对ISO3874国际标准中凸台锥进行了分析，并对其与集装箱角件的配合进行了仔细研究后发现，凸台5 图6锥在上部两侧仅有约8mm及4mm凸起（图4），并且凸起部位总宽度为53mm 小于ISO1161角件孔对应尺寸63.5（图5），这就必然导致竖直方向的锁紧力不足，理论上来讲凸台锥只能承受纵向和横向的剪切力，看上去外侧8mm有一个台阶当集装箱倾倒时能挡一下，实际上是没有作用的，是不能承受竖直方向的力，这也就说明了为什么风大点，风力就可以使集装箱倾倒下来的原因。

虽然铁路运输有天然的有利条件即铁轨是平的，不会象公路运输那样上下起伏而使集装箱产生向上的惯性力，但是在风力或汇车时或编组时，产生向上的惯性力这种情况是有可能发生的，随着铁路提速，这种几率还是很大的。

三、设计思路在分析出问题原因后，结合自身行业经验，同时也要考虑到铁路行业的使用工况即装卸环境相当恶劣，所以产品不能太精致，要耐冲击还要耐用，又因为我国的铁路即经过发达地区，也经过落后地区，操作人员的素质也参次不齐，所以操作要简单不能繁琐。

综上技术团队最终提出在8mm凸台的基础上进一步加大凸起高度以提高竖直方向上的锁紧力，故对凸台锥进行变形改造，由于角件孔为∅124x63.5(宽)x28(厚)（图6），设计出什么形状的凸台锥使其即适应凸台高度加高又能方便集装箱装箱从而锁紧集装箱角件成了下一步要解决的问题，同时产品还要承受3g的纵向冲击力也是一个难题。

经过技术团队反复讨论和研究，不停的修改形状，最终形成如图7从左侧凸台锥变形为右侧的F-TR锁，把凸台加大向侧面延伸形成带斜面的凸台钩，使得上部和63.5相配的尺寸部分保持在58并且大部分偏置于中心，这样便于落箱又可以形成一侧完全卡住集装箱角件内侧效果如图8所示。

图7图8这样一台平车上装20尺集装箱则有四个F-TR锁，布置方式如下图9所示，凸台钩的方向如图箭头所示，集装箱宽度方向同侧同向，对侧反向。

图9这样的布置形式，使得集装箱在平车上落箱时，箱子略作偏转即可落下，凸台钩卡住，安全性上比前面的凸台锥要好很多。

当在火车平车上集装箱侧面受到如图10所示横向力以及火车平车横向振动摇摆时，则如图8所示由于锁头的作用，将产生有效的防倾覆力矩，从而使集装箱固定在集装箱上，保证了运输安安全。

图11为实际装车产品。

图10图11四、设计参数及性能根据铁道部铁运[2006]161号文件发布的《铁路货物装固规则》铁路货运规范、中国船级社（CCS）《钢制海船入籍与建造规范》以及UIC欧洲铁路联盟571-4、AAR 多式联运集装箱的支撑和安全系统M-952等的要求，火车集装箱运输中，紧固装置需要抵消掉纵向剪切力、横向剪切力以及垂向压力的作用，同时还要承受倾覆力矩的作用。

对于产品的强度指标要求要满足GB/T5600-2006《铁道货车通用技术条件》以及TB/T1335《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》要求，我们采用有限元的分析方法进行产品设计，满足和集装箱角件配合的条件选择最优的各导向面尺寸以及产品的受力载面，同时根据以上装、卸箱运动的要求，设计不对称的锁头结构，以满足其动力学的要求。

由于该产品满足的强度指标要求较高，同时又需适应我国北方地区及要部地区的-40度的低温环境要求，采用符合铁路标准TB/T 2942 铁道用铸钢件采购与验收技术条件的特殊材料E级钢。

经过试验，产品适应以下工况：1）车辆运行速度： 160 公里/小时，2）最小曲线半径： 145米3）最大风力：风压540pa4）车体为框架结构，底部有向上托起的风力5）低温环境： -40°（我国北方和西部地区）6）产品能够用于国际标准20ft、40ft、45ft等系列集装箱空箱、重箱的运输，且适应公差极限状态的集装箱的工况，即：•20ft箱长：58530/-6 宽：2259 0/-5 对角线差：≤13 ，•承载面高低差：≤6•40ft箱长：119850/-6 宽：2259 0/-5 对角线差：≤16 ，•承载面高低差：≤6•对于重心偏移的集装箱也同样能顺利起、落四、产品的试验及专家评审情况产品设计成型后，F-TR 锁在研制及应用过程中，进行了充分的试验，满足GB5599-85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》要求，尤其做了与其他类型（如澳大利亚、美国Holland）的自动锁的对比试验，试验项目包括：在正常及偏载状况下起、落集装箱试验，起吊力的大小对比试验，抗倾覆试验、并测试起吊过程中对车体的影响等。

通过对比试验进一步验证F-TR 锁的安装、操作等各个方面性能都优于国内、外同类产品。

图12图13图14图15图12、图13、图14、图15为试验情况。

F-TR锁先后经过十多次铁路部门的专家评审，从07年开始首先进行上路运用考验，效果较好，各方面参数均达到世界领先水平。

五、进一步改进情况1)尺寸修改由于铁路场站的吊机有多种，我国的很多场站用的还是不是专用的集装箱专用的吊机，而是什么吊机都有，所以导致起吊不平稳，加上集装箱货物堆装不规范，有的箱子一头重一头轻，形成了集装箱大幅度倾斜，这就使得F-TR锁要适应这种复杂工况，所以在云南昆明场站，化了半个月的时间，对各种工况的箱子进行起落箱试验，并对锁的进一步改进提出意见即缩短凸台钩的宽度A及增加锁上承压面斜面，见图16图162）工艺改进F-TR锁为失蜡铸造的铸钢件，属于精密铸造，由于产品的结构型式导致其锁内部会产生疏松和缩孔，见图17所示。

对于安全性要求较图17高的铁路运输来说，这种缺陷是致命的，为了解决这一问题，在浇注工艺上改进外，浇冒口局部的尺寸略作调整，最终在增加浇冒口后解决了问题，见图18.图18六、产品的独特优势。

1）产品的适应面广。

由于全自动锁（F-TR）特殊结构和原理，使其对起吊工具要求不高，适应面广。

经上海杨浦车站试验验证，能适应以下铁路装卸作业设备：a) 龙门吊机（轨道式集装箱门式起重机b) 龙门吊架（钢丝绳悬吊架）c) 集装箱正面吊运起重机d) 悬臂钢丝绳吊e) 叉车等2) F-TR锁只有一个零件，无故障；3) F-TR锁对环境没有要求；4) F-TR锁不需要维护。

5) F-TR锁适应偏载工况七、总结产品于07年装车试用以来，效果良好，真正实现了铁路运输的安全、方便、快捷、高效。

由于采用结构仅一个零件，使得运营成本极大降低，实现了少维护或不维护，取得了较好的社会效益和经济效益。

改变目前铁路集装箱装载紧固状况，促进铁路集装箱运输能够多拉快跑，为中国铁路集装箱安全运输做出了贡献该产品经过研制、试验、检测、改进等一系列过程，历时十多年，在中铁集装箱运输公司精心组织和推动下，原北京二七车辆厂牵头并作为主导设计单协调各方，做了大量的工作，上海中升科贸有限公司（CSSLashing）进行设计以及昆山吉海实业有限公司组织生产，还有其它车辆厂及场站人员参与最终实现预定目标。

F-TR锁得到了当时铁道部的专家组认可并给予了极高的评价。

目前产品已大批量运用于我国铁路上，为我国一带一路发展作出贡献，也随着中车集团海外市场的开发出口到国外，为人类铁路集装箱运输尽一份力。

参考文献：[1] ISO 1161《系列1 集装箱角件》[2] ISO 3874 系列1 集装箱---装卸和栓固[3] UIC欧洲铁路联盟571-4、AAR 多式联运集装箱的支撑和安全系统M-952等[4] TB/T1335《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》[5] 中国船级社（CCS）《钢制海船入籍与建造规范》[6] GB/T5600-2006《铁道货车通用技术条件》[7] GB5599-85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》[8] 铁道部铁运[2006]161号文件发布的《铁路货物装固规则》[9] TB/T 2942 铁道用铸钢件采购与验收技术条件。