一款馱背運(yùn)輸鋁合金廂式半掛車(chē)

1.中車(chē)眉山車(chē)輛有限公司 魏清嶺 張超德 江明星

2.眉山物流裝備有限公司 林武

結(jié)合國(guó)內(nèi)馱背運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展?fàn)顩r，為更好地滿足馱背運(yùn)輸需求，進(jìn)一步提高車(chē)輛載貨能力及運(yùn)輸安全，特研制了一款用于馱背運(yùn)輸?shù)匿X合金廂式半掛車(chē)。介紹了車(chē)輛的研制目標(biāo)、技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及采用的新技術(shù)，并對(duì)車(chē)輛進(jìn)行了剛度、強(qiáng)度的分析。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的不斷深入，我國(guó)綜合運(yùn)輸行業(yè)正在經(jīng)歷一場(chǎng)改變傳統(tǒng)運(yùn)輸模式的變革。在這場(chǎng)變革中，積極推廣歐美國(guó)家已經(jīng)較為成熟的馱背運(yùn)輸模式，將成為我國(guó)交通運(yùn)輸向現(xiàn)代物流運(yùn)輸轉(zhuǎn)型發(fā)展的必由之路。

馱背運(yùn)輸鋁合金廂式半掛車(chē)的研制，符合公路、鐵路運(yùn)輸相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及限界要求，滿足公鐵聯(lián)運(yùn)馱背運(yùn)輸需求。主要解決了車(chē)輛整體輕量化的問(wèn)題，不僅承載性能有所提升，而且還提升了運(yùn)輸效率，增值降耗、綠色環(huán)保也符合國(guó)家低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)。

研制目標(biāo)

馱背運(yùn)輸鋁合金廂式半掛車(chē)的研制應(yīng)達(dá)到以下目標(biāo)：

a.同時(shí)滿足鐵路馱背運(yùn)輸滾裝、吊裝運(yùn)輸要求；

b.滿足甩掛運(yùn)輸要求，適應(yīng)既有公路裝、卸貨設(shè)施，也適應(yīng)鐵路聯(lián)運(yùn)裝備；

c.研究應(yīng)用空氣懸架、盤(pán)式制動(dòng)、EBS等技術(shù)，提高運(yùn)輸安全性；

d.研究應(yīng)用公鐵聯(lián)運(yùn)公路半掛車(chē)裝載加固技術(shù)，提高運(yùn)輸安全性；

e.研究應(yīng)用智能化裝備和系統(tǒng)，提高公路運(yùn)輸安全性，提高運(yùn)輸效率；

f.研究應(yīng)用輕量化、高強(qiáng)度車(chē)體，采用輕量化材料，整備質(zhì)量≤6.5t。

主要特點(diǎn)

a.采用廂體和車(chē)架整體焊接式全承載結(jié)構(gòu)，材料主要選用6082-T6鋁合金型材和高強(qiáng)度鋼；

b.廂體各部件采用中空鋁合金型材制作，降低自重，提高工藝性；

c.采用高行程電動(dòng)支腿，可翻轉(zhuǎn)式后防護(hù)裝置；

d.采用創(chuàng)新性氣囊防分離結(jié)構(gòu)，保證吊裝時(shí)不會(huì)損傷氣囊；

e.采用盤(pán)式制動(dòng)和EBS制動(dòng)控制系統(tǒng)，提高制動(dòng)安全性和側(cè)翻穩(wěn)定性；

f.廂箱體裝配智能系統(tǒng)Troutur，可以實(shí)時(shí)傳遞記錄車(chē)輛位置、車(chē)輛載荷、車(chē)廂內(nèi)裝載情況分布等信息。

主要技術(shù)參數(shù)及確定依據(jù)

馱背運(yùn)輸鋁合金廂式半掛車(chē)主要技術(shù)參數(shù)如下：最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量為40t，車(chē)輛最大長(zhǎng)度為13600mm，最大高度為4000mm，最大寬度為2550 mm，自重 ≤6.5t，容積為51 m3，軸數(shù)3根，軸距為1310mm，牽引銷(xiāo)結(jié)合面離地高為1245 mm，最小轉(zhuǎn)彎直徑為24 m，最大駐坡度為18%，鐵路工況符合GB 146.1-1983 《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛限界》。

根據(jù)GB 146.1-1983《鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛限界》和GB 1589-2016《汽車(chē)、掛車(chē)及汽車(chē)列車(chē)外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》的綜合考慮，整車(chē)高度確定為4000mm, 寬度為2550mm，鐵路車(chē)輛承載面高度278mm。根據(jù)《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》附件3中，貨物裝載限界圖的要求，該車(chē)在其指定的鐵路車(chē)輛上運(yùn)輸距離限界98mm，滿足鐵路運(yùn)輸要求。如圖1所示。

圖1 限界校核圖

主要結(jié)構(gòu)

該車(chē)主要由車(chē)體、走行制動(dòng)系統(tǒng)、智能管理系統(tǒng)、防分離裝置、捆綁加固裝置等組成。如圖2所示。

圖2 整車(chē)結(jié)構(gòu)照片

1.車(chē)體組成

車(chē)體由車(chē)架、廂體組成，為全承載式整體焊接結(jié)構(gòu)。廂體為鋁合金型材焊接形成的框架結(jié)構(gòu)，車(chē)架為鋁合金與高強(qiáng)度鋼鉚、焊復(fù)合結(jié)構(gòu)，廂體落在車(chē)架上，廂體底板與車(chē)架縱梁上翼板之間通過(guò)焊縫連接。結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 車(chē)體結(jié)構(gòu)三維圖示

1.1 車(chē)架結(jié)構(gòu)

車(chē)架由縱梁、牽引裝置、鵝頸橫梁、吊點(diǎn)橫梁、支撐橫梁、中部橫梁組成。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 車(chē)架三維結(jié)構(gòu)圖

縱梁為上、下翼板與腹板組焊而成的工字型魚(yú)腹結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為6082-T6鋁合金。由于車(chē)架與走形部件承受交變載荷作用工況復(fù)雜，因此牽引裝置、鵝頸橫梁、吊點(diǎn)橫梁、支撐橫梁、中部橫梁等部件均為高強(qiáng)度材料制成，與縱梁的連接采用拉擠鉚接的型式。

牽引裝置的牽引板、牽引橫梁、牽引銷(xiāo)橫梁、牽引縱梁、連接板、三角塊及牽引銷(xiāo)等鋼制零部件為焊接連接。牽引裝置與縱梁下翼板的連接采用10.9級(jí)內(nèi)六角沉頭螺釘連接。螺母采用10.9級(jí)防松螺母。與車(chē)架縱梁連接采用拉擠鉚接的方式，縱梁腹板上孔徑13.5mm,連接板厚度為16mm，采用MTD-T12-20、套環(huán)MTT-T12G連接。具體結(jié)構(gòu)形式詳見(jiàn)圖5。

圖5 牽引裝置三維結(jié)構(gòu)圖

1.2 廂體結(jié)構(gòu)

廂體包括端墻、側(cè)墻、底板、頂圍等部件，均由牌號(hào)為6082-T6的材質(zhì)的大斷面中空擠壓鋁合金型材焊接而成。通過(guò)螺栓連接外門(mén)框及側(cè)墻板。底板四周與左右、前圍下邊梁、后門(mén)框下邊梁滿焊；底板之間對(duì)接焊縫滿焊。頂弧桿與左右側(cè)邊梁鉚接，起吊點(diǎn)加強(qiáng)梁與左右邊梁焊接。

6082-T6鋁合金材料為硬度95HB的Al-Mg-Si系合金材料，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)310MPa，非比例延伸強(qiáng)度為260MPa，是一種熱處理型的耐腐蝕性合金。該合金可成型性、焊接性、機(jī)加工性良好，韌性高、加工后不變形。抗腐蝕性及氧化效果較好。由于廂體各部件采用6082-T6中空鋁合金型材焊接結(jié)構(gòu)，在降低自重、增大容積的同時(shí)，整體焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及整體性有所提高，再加上鋁合金較高的回收價(jià)值，因此與同級(jí)別的全鋼結(jié)構(gòu)車(chē)型相比可以取得較好的綜合經(jīng)濟(jì)性。

1.3 鋁合金焊接工藝性分析

廂體及車(chē)架縱梁等主要部件為鋁合金焊接結(jié)構(gòu)，在焊接構(gòu)成中，各部件焊接主要采用手工MIG焊（熔化極惰性氣體保護(hù)焊）和專(zhuān)機(jī)MIG焊，其中專(zhuān)機(jī)焊接量在80%以上，保證焊縫連接部位強(qiáng)度不低于母材強(qiáng)度的70%。由于鋁合金在焊接過(guò)程中極容易產(chǎn)生氣孔、裂紋、咬邊、未焊透、未熔合等缺陷，因此在試制過(guò)程中為減小焊接缺陷，針對(duì)鋁合金焊接過(guò)程中容易發(fā)生的典型問(wèn)題，主要采用了以下的控制方法：

a. 為了減小焊縫金屬熱影響區(qū)的裂紋敏感性，在焊接過(guò)程中選用了熔化溫度低于母材的焊縫金屬。焊縫金屬避免鎂與銅的組合，因?yàn)锳l-Mg-Cu有很高的裂紋敏感性。

b. 為控制焊縫塑性變形在合理的范圍內(nèi)，禁止選用含硅焊絲，由于含硅焊絲的塑性較差，對(duì)有塑性要求的焊接部位建議不選擇。

c. 選用與母材匹配的焊絲及純度滿足要求的保護(hù)氣體，嚴(yán)格按照焊接操作規(guī)程對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行焊前清理、打磨，清除母材表面的氧化膜及油污，擦洗吹干母材表面的油污及水分。

d. 焊絲應(yīng)密封放置，焊接場(chǎng)地設(shè)防風(fēng)裝置，選擇合理的焊接參數(shù)、坡口型式和裝配間隙，焊前需按工藝要求進(jìn)行預(yù)熱。

1.4 走行制動(dòng)系統(tǒng)

走行制動(dòng)系統(tǒng)主要由輪軸懸架總成、EBS制動(dòng)系統(tǒng)等組成，結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。

圖6 制動(dòng)系統(tǒng)原理圖

圖7 不同時(shí)速時(shí)有無(wú)EBS制動(dòng)距離對(duì)比

牽引車(chē)采用雙回路的制動(dòng)系統(tǒng)，半掛車(chē)采用與其配合的雙管路充氣制動(dòng)系統(tǒng)，主要由ECU控制器、掛車(chē)模塊、制動(dòng)信號(hào)傳輸器、ABS電磁閥、比例繼動(dòng)閥、氣制動(dòng)連接裝置等組成。氣制動(dòng)連接裝置符合GB/T 13881-2019 《道路車(chē)輛牽引車(chē)與掛車(chē)之間氣制動(dòng)管連接器》的規(guī)定，EBS系統(tǒng)型式及接口符合GB T 20716.1-2006 《道路車(chē)輛牽引車(chē)和掛車(chē)之間的電連接器第1部分：24V標(biāo)稱電壓車(chē)輛的制動(dòng)系統(tǒng)和行走系的連接》的規(guī)定。該套制動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，其性能滿足GB 12676-2014 《商用車(chē)輛和掛車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》要求。EBS與ABS系統(tǒng)相比，制動(dòng)距離短了許多。根據(jù)威伯科（Wabco）數(shù)據(jù)顯示，同樣的車(chē)速和車(chē)況，在50km/h的時(shí)候帶EBS的車(chē)制動(dòng)距離可縮短5m，80km/h的時(shí)候制動(dòng)距離縮短20m，90km/h的時(shí)候帶EBS的車(chē)制動(dòng)距離縮短17m。數(shù)據(jù)對(duì)比情況詳見(jiàn)圖7所示。

1.5 智能管理系統(tǒng)（Wabco）

車(chē)體上裝有T-Router監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)內(nèi)置GPS，并與TEBS裝置連通，通過(guò)TEBS提供電源，將車(chē)輛信息傳遞給監(jiān)管平臺(tái)。系統(tǒng)控制原理如圖8所示。

智能管理系統(tǒng)主要功能如下：

a. 通過(guò)無(wú)線傳輸裝置，實(shí)時(shí)傳遞車(chē)輛位置信息；

b.讀取TEBS數(shù)據(jù)，包括防側(cè)翻激活信息和車(chē)橋載荷。可以量化風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合路線和位置信息，有針對(duì)性分析發(fā)生側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)因素；

c. 實(shí)時(shí)了解掛車(chē)狀態(tài)信息包括：位置、安全、載荷、輪胎胎壓等；

d. 倒車(chē)時(shí)，檢測(cè)到在尾部盲區(qū)50～200cm內(nèi)有物體或者墻壁，自動(dòng)剎車(chē)。

圖8 智能管理系統(tǒng)控制原理圖

1.6 防分離裝置

由于半掛車(chē)在馱背運(yùn)輸過(guò)程中，在吊裝作業(yè)時(shí)輪軸總成在自重的作用下產(chǎn)生向下的力，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的車(chē)型氣囊通過(guò)連接板與車(chē)架剛性連接，輪軸下墜的過(guò)程中導(dǎo)致氣囊受到較大的拉力，非常容易造成氣囊損壞。帶有防分離裝置的車(chē)輛，在車(chē)輛吊裝作業(yè)時(shí)氣囊處于自由狀態(tài)，由氣囊分離器承受輪軸產(chǎn)生的拉力。氣囊分離器是其中一種有效且方便的保護(hù)措施。分別在以下幾個(gè)工況對(duì)系統(tǒng)起到保護(hù)作用。具體結(jié)構(gòu)如圖9、10所示。

a.車(chē)輛在公路上正常行駛時(shí)，掛車(chē)整備質(zhì)量即可將氣囊按壓在預(yù)先設(shè)定好的工作位置，保證車(chē)輛正常工作。

圖9 不同工況時(shí)氣囊狀態(tài)圖示

圖10 防分離裝置三維結(jié)構(gòu)圖

b.當(dāng)準(zhǔn)備吊裝作業(yè)時(shí),氣囊內(nèi)氣壓下降，控制氣囊有規(guī)律收縮，避免造成氣囊損傷。

c.當(dāng)半掛車(chē)被吊起裝卸時(shí)，由于氣囊分離器使氣囊和上面的支架分開(kāi)，保證氣囊不會(huì)在真空狀態(tài)下被拉長(zhǎng)，避免造成氣囊損傷。

d.當(dāng)?shù)跹b工作結(jié)束后，氣囊在車(chē)體自重及導(dǎo)向裝置的作用下，回到工作位置，避免了氣囊無(wú)規(guī)則收縮造成損壞。

1.7 捆綁加固裝置

鋁合金馱背運(yùn)輸半掛車(chē)廂體內(nèi)貨物的栓固采用腹板、撐桿進(jìn)行縱向固定、雙層隔貨，車(chē)廂裝滿貨物時(shí)，最末端貨物設(shè)有擋桿，不依賴車(chē)廂后廂門(mén)作為限位固定，確保打開(kāi)廂門(mén)貨物不會(huì)跌落。車(chē)廂未裝滿時(shí)在最末端貨物處使用撐桿進(jìn)行阻擋。避免貨物直接沖擊前墻、后門(mén)，中間阻斷裝置可水平承受12kN的均布載荷，地板上設(shè)置下沉式栓固環(huán)，便于散貨的捆綁加固在地板上設(shè)置栓固環(huán)。能夠滿足不同堆碼要求的貨物運(yùn)輸需求。具體結(jié)構(gòu)及裝載效果詳見(jiàn)圖11～13所示。

圖11 固貨裝置布置三維模型

圖12 固貨裝置實(shí)物照片

圖13 雙層隔貨實(shí)景照片

分析計(jì)算

為了保證鋁合金馱背運(yùn)輸車(chē)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)在各載荷工況作用下應(yīng)力分布，委托高校應(yīng)用有限元分析軟件(ANSYS)對(duì)其結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度進(jìn)行了分析。

鋁合金馱背運(yùn)輸車(chē)有限元模型采用空間笛卡爾坐標(biāo)系。其幾何模型和有限元離散模型如圖14、15所示。

圖14 鋁合金馱背運(yùn)輸車(chē)幾何模型

圖15 有限元模型

鋁合金馱背運(yùn)輸車(chē)剛度和靜強(qiáng)度有限元分析計(jì)算時(shí)，車(chē)體承受的質(zhì)量和載荷為靜態(tài)滿載情況。該鋁合金馱背運(yùn)輸車(chē)設(shè)計(jì)總重40t，其中自重為6.5t，均布載重33.5t。

1. 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)強(qiáng)度理論，當(dāng)應(yīng)力值達(dá)到材料的強(qiáng)度極限（或屈服極限）時(shí)，材料就會(huì)發(fā)生斷裂破壞（或塑性變形）。車(chē)架在各種工況下，各部位的應(yīng)力值不能超過(guò)材料的許用應(yīng)力極限。根據(jù)強(qiáng)度要求和材料特性，可選擇單元結(jié)點(diǎn)處的最大拉應(yīng)力、最大剪應(yīng)力或綜合應(yīng)力作為強(qiáng)度校核基準(zhǔn)。

1.1 剛度校核

最大撓度：f≤2L/1000

式中，f為最大撓度；L為半掛車(chē)軸距，mm 。

1.2 強(qiáng)度校核

高強(qiáng)度鋼B510L和鋁合金T6082-T6的屈服強(qiáng)度應(yīng)力詳見(jiàn)表1。

表1 制造材料力學(xué)性能及各工況下校核標(biāo)準(zhǔn)

2. 計(jì)算結(jié)果與評(píng)估

2.1 車(chē)架剛度計(jì)算結(jié)果與評(píng)估

鋁合金馱背運(yùn)輸車(chē)車(chē)架在滿載作用下，車(chē)架底架的最大垂向變形為4.14mm，小于車(chē)架測(cè)量長(zhǎng)度的2‰（允許變形數(shù)據(jù)：8 1 1 0×0.002=16.2mm）。計(jì)算結(jié)果云圖詳見(jiàn)圖16所示，對(duì)比理論與實(shí)際計(jì)算值后確定該車(chē)剛度滿足評(píng)估要求。

圖16 滿載情況下車(chē)體結(jié)構(gòu)變形圖（放大10倍）

2.2 車(chē)體靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果與評(píng)估

2.2.1 彎曲工況

鋁合金馱背運(yùn)輸車(chē)在此計(jì)算工況下各節(jié)點(diǎn)當(dāng)量應(yīng)力及最大應(yīng)力部位周邊應(yīng)力如圖17、18所示。該工況最大應(yīng)力出現(xiàn)在BOTTOM面，其最大當(dāng)量應(yīng)力為406.582MPa；車(chē)體采用鋁合金6082-T6的部分最大當(dāng)量應(yīng)力為131.185MPa，出現(xiàn)在氣囊安裝板與縱向梁螺栓連接處，小于該處材質(zhì)（鋁合金6 0 8 2-T 6）的屈服強(qiáng)度（260MPa）。

2.2.2 扭轉(zhuǎn)工況

圖17 BOTTOM面當(dāng)量應(yīng)力云圖

圖18 BOTTOM面最大應(yīng)力周邊云圖

鋁合金馱背運(yùn)輸車(chē)在此計(jì)算工況下各節(jié)點(diǎn)當(dāng)量應(yīng)力及最大應(yīng)力部位周邊應(yīng)力如圖19、20所示。該工況最大應(yīng)力出現(xiàn)在如圖所示的TOP面，其最大當(dāng)量應(yīng)力為400.379MPa；車(chē)體采用鋁合金6082-T6的部分最大當(dāng)量應(yīng)力為160.432MPa，出現(xiàn)在起吊梁與縱向梁螺栓連接處，小于該處材質(zhì)（鋁合金6082-T6）的屈服強(qiáng)度（260MPa）。

2.2.3 吊裝工況

在此計(jì)算工況下各節(jié)點(diǎn)的當(dāng)量應(yīng)力如圖21所示，其最大當(dāng)量應(yīng)力為252.981MPa；最大應(yīng)力部位周邊當(dāng)量應(yīng)力如圖22所示。出現(xiàn)在起吊梁與縱向梁螺栓連接處，小于該處材質(zhì)（鋁合金6082-T6）的抗拉強(qiáng)度（310MPa）。

仿真分析結(jié)果表明該車(chē)各強(qiáng)度計(jì)算工況的最大當(dāng)量應(yīng)力均小于該處所用材料在相應(yīng)工況下的許用應(yīng)力或者屈服強(qiáng)度，該鋁合金馱背運(yùn)輸半掛車(chē)的強(qiáng)度、剛度滿足要求。

結(jié)語(yǔ)

鋁合金馱背廂式運(yùn)輸半掛車(chē)總體結(jié)構(gòu)、主要技術(shù)參數(shù)、仿真分析結(jié)果，滿足滿足各個(gè)工況相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，全鋁合金車(chē)體承載結(jié)構(gòu)及固貨腹板等采用了創(chuàng)新方案，空氣懸掛、EBS制動(dòng)系統(tǒng)、氣囊防分離裝置等，為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先采用的新技術(shù)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)馱背運(yùn)輸領(lǐng)域空白，為我國(guó)馱背運(yùn)輸裝備技術(shù)的發(fā)展起到了很好的引領(lǐng)作用。

圖19 TOP 面 當(dāng)量應(yīng)力云圖

圖20 TOP 面 最大應(yīng)力周邊

圖21 鐵路工況作用下車(chē)體當(dāng)量應(yīng)力云圖

圖22 鐵路工況下車(chē)體最大應(yīng)力周邊云圖