20英尺35 t砂石集裝箱的研制

馬新偉 龍建國 何光偉 張皓

摘要：基于目前國內砂石散料貨物公路運輸工具主要采用自卸半掛車，受運輸車輛車廂容積限制，砂石貨物裝載噸位嚴重不足的情況，主要介紹了20英尺35 t砂石集裝箱的主要用途、主要技術特點、設計依據和主要結構，并闡述了箱體的強度計算和試驗情況。

關鍵詞：集裝箱；砂石散料；公路運輸；輕量化

中圖分類號：U466? 收稿日期：2024-03-10

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406015

1 前言

目前國內砂石散料貨物公路運輸工具主要采用自卸半掛車，受運輸車輛車廂容積限制，砂石貨物裝載噸位嚴重不足。根據中國砂石協會砂石成本統計，公路運輸成本約占總成本的30%，運輸成本較高。

集裝箱作為現代運輸的重要工具之一，不僅在海運中得到廣泛應用，在公路、鐵路以及航空運輸中也得到快速發展。隨著全國多省相繼出臺標準集裝箱車輛通行費相關減免政策，通過中國船級社認證的公路運輸集裝箱需求量也越來越大。因此，設計一種符合中國船級社檢驗規范的20英尺35 t砂石集裝箱（以下簡稱“砂石集裝箱”），砂石全程采用集裝箱運輸，有效減少砂石骨料裝卸和路途損耗，大幅降低物流成本，實現了運輸途中零損耗、零污染，切實提高了砂石運輸能力［1］。

2 主要用途

砂石集裝箱主要搭載集裝箱運輸半掛車使用，用于砂石散料貨物的裝運或存儲。借助裝載機、挖掘機及其他上料機械設備從頂部裝貨，卸貨時與傾卸設施配合，將箱體傾斜舉起，貨物從后部門端卸貨流出（圖1）。

3 主要技術特點

砂石集裝箱具有以下主要特點：

a.箱體運用輕量化設計理念，通過優化鋼材截面模數，在不降低其結構強度的情況下，采用更小截面面積的高強度鋼，以達到減少箱體自重的目的，同時在滿足最大運載需求和運載容積前提下，匹配合適的高度，使箱體容積最優化，從而實現箱體最低高度和最優自重。

b.在箱體的前端、門端與側壁箱內連接位置處設置通長封板，有效避免砂石散料卸料時在箱體角落發生物料堆積，從而帶來的卸貨困難、卸貨不干凈等問題。

c.采用側面開啟的鎖閉機構，通過側面的旋轉把手控制門端上翻門的開閉，可防止卸貨時，箱內砂石散料塌落瞬間涌出對卸貨人員造成傷害（圖2）。

d.集裝箱底架靠門端采用翹尾結構設計，并搭配鐵路敞頂集裝箱門端的密封結構，可有效防止砂石公路運輸過程中污水跑冒滴漏，污染路面（圖3）。

4 主要技術參數

集裝箱的主要技術參數如表1所示。

5 主要結構

砂石集裝箱主要由前端裝配、門端裝配、側壁裝配、底架裝配組成，如圖4所示。

51 底架裝配

底架裝配由下側梁、下側梁加強板、底橫梁、矩管橫梁、地板等組成。下側梁采用鋼板壓制成形，翼緣向外的C形結構。底橫梁采用由鋼板壓制而成的槽型結構，考慮該集裝箱無插槽結構，因此在載荷傳遞區設矩形管作加強矩管橫梁。地板采用鋼板［2］。

52 前端裝配

前端裝配由前端板、爬梯圓管、前端框架和前端加強梁焊接而成。

前端板由2塊壓形波紋板拼接而成，端板左側焊接一組爬梯圓管。前端框架由上端梁、下端梁、角件和前角柱及角柱封板等組焊而成。前端框架中間位置設置有加強梁，用以抵抗考慮砂石散料貨物運輸過程中緊急制動對前端板的沖擊力，防止前端板變形。

53 側壁裝配

側壁裝配由上側梁、側壁板、側壁拉桿等而成。

上側梁為矩形管。側壁板由5塊波紋板焊接而成。兩側壁之間加裝螺栓連接的側壁拉桿，用以防止砂石散料貨物在滿載運輸過程中出現脹箱現象。

54 門端裝配

門端裝配主要由門框、上翻門和鎖閉機構組成（圖5）。

門框包括門檻、后角柱、橫梁、豎梁、加強梁、加強座、繩鉤和角件，焊接在一起成一部件。

上翻門包括門框、門板、門鉸鏈組件和鉸鏈銷、門封膠條和膠墊，使用鉸鏈銷將上翻門安裝在門端門框上。

鎖閉機構由鎖桿、把手、鎖桿安裝座、傳動桿、鎖鉤等組成，鎖閉機構通過螺栓固定在底架裝配上。

6 箱體強度計算

61 采用標準

為降低砂石集裝箱自重，箱體首次采用高強度鋼，并按照GB/T 17274《系列1無壓干散貨集裝箱技術要求和試驗方法》（以下簡稱GB/T 17274），對該箱體鋼結構進行了堆碼、吊頂、吊底、縱向栓固、端壁強度、側板強度、橫向剛性、縱向剛性共8個工況的計算［3］。

根據設計要求，砂石集裝箱各部件在各載荷工況下產生的最大von Mises應力不得超過材料的屈服極限。von Miss應力可以表示為：

[σeq=12σ1-σ22+σ2-σ32+σ3-σ12]

式中，[σeq]為各節點von Mises應力，MPa；[σ]（i=1，2，3）為各節點主應力，MPa。

62 計算條件和工況

作用在砂石集裝箱上的載荷包括垂向力、縱向力、橫向力。砂石集裝箱計算基本參數見表2，參照GB/T 17274，集裝箱載荷組合計算工況見表3。

63 計算方法

為準確地預測其在各載荷工況作用下應力與位移的分布，采用有限單元法（Finite Element Method，FEM）及有限元仿真軟件ANSYS 2019R3對砂石集裝箱進行結構強度分析。計算基于以下假設進行：

a.對于結構許用應力小于材料屈服極限的工況，分析基于線彈性模型進行。

b.考察變形和應力的節點結果。

砂石集裝箱有限元分析模型采用空間笛卡爾坐標系。該坐標系中，X軸與線路方向相垂直，Y軸指向車輛運行前方，Z軸垂直于軌道平面，其正方向為豎直向上。坐標系XOY平面位于通過底板中心的水平面上，原點位于底板中心。砂石集裝箱鋼結構采用shell 63單元進行離散，基本尺寸為20 mm，角件采用solid 45單元進行離散，基本尺寸為20 mm。其有限元模型如圖6所示。

64 計算結果

砂石集裝箱在表3各載荷工況作用下，其最大當量應力工況為側板強度工況，最大當量應力為55181 MPa，出現在側壁拉桿與上側梁焊接處，如圖7所示。最大當量應力值未超過其材料的強度極限。

計算結果表明，該集裝箱在GB/T 17274《系列1無壓干散貨集裝箱技術要求和試驗方法》規定的各載荷工況作用下，結構應力值均未超過選用材料的強度極限，滿足設計要求。

7 試驗情況

為驗證該產品結構強度，按照GB/T 17274《系列1無壓干散貨集裝箱技術要求和試驗方法》及《集裝箱檢驗規范》的要求，完成了砂石集裝箱堆碼試驗、吊頂試驗、吊底試驗、縱向栓固試驗、端壁強度試驗、側板強度試驗、橫向剛性試驗、縱向剛性試驗，部分試驗照片見圖8。

試驗結果如下：

a.堆碼試驗。

在箱內載荷18R-T（R為額定質量，T為自重），每一個頂角件施加垂向載荷18Rg/4（g為重力加速度）作用下，角柱水平方向的最大變形量為067 mm，最大殘余變形量003 mm；角柱垂向最大變形量056 mm，殘余變形量001 mm，滿足GB/T 17274要求。

b.吊頂試驗。

箱內載荷2R-T，通過4個頂角件垂直起吊，底部最大變形量13 mm，殘余變形量1 mm。滿足GB/T 17274要求。

c.吊底試驗。

箱內載荷2R-T，通過4個底角件與水平方向呈45°角度起吊，底部最大變形量14 mm，殘余變形量1 mm。滿足GB/T 17274要求。

d.縱向栓固試驗。

箱內載荷R-T，通過固定箱體一端2個底角件，然后通過另一端2個底角件的底孔同時施加2Rg（g為重力加速度）的縱向水平力，拉伸時最大變形量為5 mm，壓縮時最大變形量為7 mm。滿足GB/T 17274要求。

e.端壁試驗。

由箱內向端壁施加04 Pg（P為載重）的均布載荷，端壁最大變形量為19 mm，殘余變形量1 mm。滿足GB/T 17274要求。

f.側壁試驗。

由箱內向側壁施加06 Pg的均布載荷，側壁最大變形量為26 mm，殘余變形量1 mm。滿足GB/T 17274要求。

g.橫向剛性試驗。

固定箱體底角件，對同端面頂角件施加橫向150 kN的作用力，前端對角線變形量差值為4 mm，門端對角線變形量差值為37 mm。滿足GB/T 17274要求

h.縱向剛性試驗。

固定箱體底角件，對同側面頂角件施加橫向150 kN的作用力，頂角件最大位移量為2 mm，殘余變形量為1 mm。滿足GB/T 17274要求。

8 結語

砂石散料廣泛應用于房屋建筑、路橋工程、基礎設施等領域，砂石需求量極其龐大。文中在既有集裝箱設計制造技術基礎上，提出一種自重輕、卸貨效率高的20英尺35 t砂石散料運輸集裝箱，并通過計算和試驗對箱體結構進行了驗證。未來可針對用戶的使用情況、裝卸貨的特點，進行箱體結構的優化，或采用新的復合材料代替部分鋼制部件，實現箱體自重更輕。

參考文獻：

[1]張志松某20英尺特種集裝箱的輕量化設計研究[D]天津：天津大學，2021.

[2]楊楠，李兵祖基于SolidWorks和Ansys的20ft集裝箱石材運輸架設計[J]包裝工程，2021，42（3）：12-15

[3]中國船級社 集裝箱檢驗規范[S]

作者簡介：

馬新偉，男，1991年生，工程師，研究方向為專用車輛設計。