航天器包装箱铁路运输和海运系固方案和力学分析

航天器包装箱铁路运输和海运系固方案和力学分析

陈然 王瑞文 孙福佳 张永琴

天津航天机电设备研究所

摘 要：包装箱的定型涵盖多方面工作，诸如功能区的划分，功能模块的固化，设计流程和文件的优化定模以及外形平台的归总，外观设计的选择等等，其中包装箱的外形尺寸定型较为困难，但其对于批量化生产和缩短制造周期意义重大，包装箱外形除了和航天器的尺寸直接相关外，也受本身运输方式的制约。另外处于安全性考虑，必须规范包装箱运输过程中的拉固措施。铁路运输和海运时间较长，运输过程中不定因素也最多，受天气状况影响较大。本文着重叙述包装箱在铁路运输和海运过程中的外形尺寸限制和拉固受力计算，为后期包装箱定型工作提供依据。

关键词：包装箱的定型 铁路运输和海运 外形尺寸限制和拉固受力

1 引言

航天器运输方式包括：公路运输、铁路运输、空运和海运四种。航天器运输时一般选择组合运输，如公路运输与铁路运输组合、公路运输与空运组合、公路运输与海运组合等形式。其中铁路运输和海运时间较长，运输过程中不定因素也最多，受天气状况影响较大。这两种运输方式大多委托第三方实施，这就要求包装箱本身拉固设计需要遵循一系列的货物运输规范和准则。本文着重叙述包装箱在铁路运输和海运过程中的外形尺寸限制和拉固受力计算，为后期包装箱定型工作提供依据。

2 包装箱铁路运输分析

铁路运输适合卫星长途运输。

2.1 铁路运输尺寸和重量限制

根据《铁路超限超重货物运输规则》，“货物装车后，车辆停留在水平直线上，货物的任何部位超出机车车辆限界基本轮廓者或车辆行经半径为300m的曲线时，货物的计算宽度超出机车车辆限界基本轮廓者，均为超限货物”。顶部空间和平台高度要求从铁轨顶部开始测量，两侧空间从轨道中心线开始测量。

超限货物一般分为三个等级：一级超限、二级超限和超级超限。根据以往铁路运输包装箱的技术要求，一般铁路运输时，包装箱外形尺寸应满足火车平板车尺寸及铁路运输二级超限限界图的要求，火车平板车尺寸如图1所示，具体铁路运输二级超限限界包络尺寸见图2。

图1 铁路平板车尺寸图

图2 铁路运输二级超限限界图

“装车后，重车总重活载效应超过桥涵设计标准活载（中-活载）的货物，称为超重货物”。超重货物也分为三个等级：一级超重，二级超重和超级超重。铁路主要货车车厢内部尺寸及载重范围见表1。根据实际运输工况，铁路运输包装箱运输的产品总重一般不大于20t，因此超重工况暂不考虑。

表1 铁路主要货车车厢内部尺寸及载重范围

包装箱主要用铁路平板车运输，根据火车平板车的高度和铁路运输二级超限限界图及运输部门的建议，根据不同的超限工况需办理超限运输手续。

如某包装箱最大外形尺寸：宽为 3916mm，高为3816mm，为铁路运输包装箱中尺寸最大。可以看出，其宽度和高度均超过了铁路运输二级超限限界，但是其尺寸未超过建筑限界，属于超级超限，距离建筑限界宽度方向为482mm，高度方向为474mm。

图3 铁路运输包装箱

2.1 铁路运输包装箱拉固计算

铁路运输包装箱的拉固措施主要有承载槽、钢挡和钢丝绳。承载槽和钢挡的作用主要是防止包装箱前后左右移动，钢丝绳其加强作用，防止包装箱倾覆。下面根据《铁路货物装载加固规则》，介绍加固计算方法。

2.1.1 受力分析计算

1）基本参数定义

根据包装箱参数和装车加固情况，约定参数如下：

产品重量： ，摩擦系数： ，重车总重： ，包装箱重心偏离车辆横中心线的距离： 。

2）纵向惯性力

每吨货物纵向惯性力： ；

纵向惯性力 。

3）横向惯性力

每吨货物横向惯性力： ；

横向惯性力 。

4）垂直惯性力

每吨货物的垂直惯性力：

垂直惯性力

5）风力

6）摩擦力

纵向摩擦力：

横向摩擦力：

2.1.2 包装箱稳定系数计算

1）基本参数定义

根据包装箱参数和装车加固情况，约定参数如下：

包装箱重心所在的横向垂直平面至货物倾覆点之间的距离：

包装箱重心所在的纵向垂直平面至货物倾覆点之间的距离：

包装箱重心自倾覆所在水平面起算的高度：

包装箱受风力合力作用点自倾覆所在水平面起算的高度：

2）货物倾覆稳定系数

纵向：

纵向：

若纵向稳定系数小于1.25，包装箱前后需要用钢丝绳进行加固。

3）货物水平移动稳定性

纵向：纵向惯性力 纵向摩擦力

横向：1.25（横向惯性力 风力 ） 横向摩擦力

若包装箱满足上述公式，则应采取加固措施防止包装箱移动。

加固材料承受的纵向和横向力：

加固材料承受的纵向力：

加固材料承受的横向力：

4）货物滚动稳定性

包装箱为矩形物品，不考虑滚动。

2.1.3 包装箱加固强度计算

包装箱横向采用承载槽加固，采用数根承载槽分布在着陆器中心舱包装箱主承力结构和次承力结构下，每根承载槽两端的侧挡块承受载荷。若纵向稳定系数小于1.25，包装箱前后各用2根钢丝绳进行加固，每根应承受的拉力可按下式计算：

防止纵向移动时：

防止纵向倾覆时：

所以每根拉牵绳应承受的力为

2.1.4 承载槽设计

根据上述计算，确定承载槽的数量和分布，对承载槽和钢挡进行受力分析。并对承载槽木螺钉，承载槽固定孔，调节螺栓螺纹等进行校核计算，下面以CE-3着陆器中心舱运输包装箱为例说明。包装箱提供两种固定方式，纵向设有钢挡和钢丝绳，可加强铁路运输包装箱运输过程中纵向固定，横向采用承载槽进行固定。如图5，图6所示。

图4 承载槽

3 包装箱海洋运输分析

卫星从天津到海南多采用海运方式，尤其是针对大型航天器的运输。

3.1 海运尺寸和重量限制

1）杂货船

杂货船对军用产品或包装件的尺寸限制取决于船舱口尺寸和舱内高度。重量限制由甲板负荷决定。其舱口尺寸和甲板负荷如下：

舱口长：6600-32200mm

舱口宽：4600-12650mm

舱内高：2140-14560mm

甲板负荷：44.1kPa

杂货船的货舱尺寸见表2。

表2 海运杂货船货舱尺寸 mm

2）滚装船

滚装船对军用产品或包装件最大尺寸和重量的限制通常和用公路车辆及批准用作越野战术车辆进行运输的要求相同，但应视具体船舶而定。在一般情况下，船舶要求的尺寸和重量限制仅指装卸跳板、甲板尺寸、船舶跳板承载能力和规定的甲板承载极限。适合军运的部分滚装船载货定额从千顿级到万吨级不等，跳板承重为100t，甲板负荷为44.1kPa。

3）专用运输船

专用运输船分1号和2号两舱，靠近船头的为1号，靠近船尾的为2号，每舱又分为上下两部分。运输船2号上货舱的舱板上安装固定角件，用来固定包装箱专用托架，专用托架上固定专用的航天器包装箱，包装箱长度方向沿船行驶的方向。运输船船吊为2台120t×14m吊车。

4）包装箱限制条件

航天器包装箱与运输船通过专用托架连接，连接方式为四角的角件，所以包装箱箱底的角件的对角线误差需要严格控制，一般控制在±3mm。

2.2 海运包装箱拉固计算

船舶载运大型包装箱时，必须对包装箱进行系固，以防止其在航行途中出现横移、纵移和横向倾覆，因系固不当而导致船、货受损时有发生，为确保船舶安全，《SOLAS》公约要求除液货船和原木船(原木船另外有要求)外的其它船舶都必须配备经主管机关批准《货物系固手册》。

船舶的系固方式根据水平系固角β分为两种，见图7。一般包装箱的系固都按水平系固角β的系固效果来考虑，即图7中的系法2。

图5 两种系固方式

2.2.1 按水平系固角β的系固效果

如图7中所示，设系索按系法2进行系固，系索与包装箱间存在垂直系固角α和水平系固角β，则该系索的计算强度CS为：

式中：δ为破断系数，在考虑水平系固角后安全系数取1.35。

CS的拉力可分解为一个向下的拉力CS_2Z和在基平面上的拉力CS_2XY，

CS_2XY可分解为纵向和横向的分力，即：

2.2.2 系固合力的确定

系固合力由系索产生的系固力和船货间的摩擦力两部分构成，由多根系索共同系固时：

纵向系固合力和横向系固合力分别为：

2.2.3 系固合力矩的确定

如图8所示，货物绕倾覆轴M倾覆时，系固合力矩由系索产生的系固力矩和货物自身重量产生的系固力矩两部分构成：

图6 系固力矩的求取

2.2.4 不对称系固

由于货物存在向左、右、前、后移动和向左、右倾覆的可能性，因此只有向左、右的移动力都小于横向系固力，向前、后的移动力都小于纵向系固力，向左、右的横倾力矩小于系固力矩时，才能满足系固要求。

3 结语

海洋运输为我所新的运输状态，其运输工况受风浪、海水击打和摇摆等因素直接影响，因此在运输之前需对系固方式进行严格的计算。本文叙述了铁路运输和海运中对包装箱尺寸的约束，以及拉固力计算和设计，对包装箱结构定型化起一定的参考作用。

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