鮮 飛,曾傳華，張一寒，劉思源

(西華大學汽車與交通學院， 四川 成都 610039)

近年來，隨著國家對大型工程項目投資力度的加大，設備的超大集重已是普遍現(xiàn)象，為解決減小貨物重力對液壓平板車架的變形作用，以及針對貨物本身的強度以及與車板不能直接接觸等問題，采用在運輸過程中使用支座去分載貨物作用于車架的力，同時做到貨物與車板不直接接觸，以保護貨物。

已有的研究中，大件貨物運輸所需支座數(shù)量以及位置的研究大多是基于臥式容器的貨物運輸，臥式容器運輸所需支座的數(shù)量及位置主要根據(jù)容器設計強度決定。如顧玉鋼利用分析設計方法建立非等距4支座的大型壓力水罐有限元分析計算模型，計算出由支座引起的容器最大局部強度的周向應力，所得結果與容器設計強度進行對比，判斷支座的放置位置以及數(shù)量選擇的可行性[1]；王穎聰通過研究支座位置變化過程中臥式容器應力分布情況，來判斷支座放置位置的合理性[2]?；诜桥P式容器的常規(guī)貨物運輸所需支座數(shù)量以及位置的研究，大多根據(jù)經(jīng)驗以及對支座承載車板的力學分析來確定。

本文通過對臥式容器所需支座數(shù)量影響因素的分析，建立三水平三因素實驗模型，使臥式容器在運輸時對所需支座數(shù)量的選擇有一定的理論參考。同時，對常規(guī)貨物提出了依據(jù)車板長度以及擺動軸排數(shù)的奇偶性來確定所需支座的數(shù)量以及位置，這種確定方法在實際中具備一定的可操作性。

1 臥式容器支座數(shù)量與位置分析

大量實驗數(shù)據(jù)計算分析表明，影響支座數(shù)量與位置的是容器在支座截面處的軸向應力、周向應力以及切向剪切力，其中最大局部應力為周向應力，因此判斷支座數(shù)量與擺放位置合理與否主要根據(jù)所產(chǎn)生的最大局部周向應力是否超過容器本身的設計強度，使容器與支座接觸部分發(fā)生不可恢復變形或者是頂部“塌陷”來確定。由中徑公式可知，容器的設計壓力與其壁厚線性相關，對于設計壓力小、容器筒體壁薄的大直徑臥式容器，支座數(shù)量與位置選擇不合理都會使容器發(fā)生局部塌陷[3]。

支座數(shù)量的確定要考慮容器強度和穩(wěn)定性。在強度方面，支座最優(yōu)位置的確定，應滿足相應標準的應力強度評定要求；在穩(wěn)定性方面，主要體現(xiàn)在整體剛度不足失穩(wěn)、支座處容器筒體頂部扁塌以及筒體中部截面扁塌。由分析可知，支座數(shù)量的選擇主要受設計壓力pc、筒體內(nèi)徑D0、兩封頭切線間距離L的影響，因此建立三因素三水平的正交模擬實驗，取如表1所示的三水平下三因素的不同取值[4]。

表1 三水平下三因素的不同取值

將一般大型臥式容器所需要的最少支座數(shù)量作為決策值，參照表1中三因素的取值，配比如表2所示的正交實驗方案表[4]。

表2 三因素影響下支座個數(shù)正交實驗方案表

表3 回歸統(tǒng)計分析結果

表4 方差計算結果

表5 回歸參數(shù)計算結果

依據(jù)表5中回歸系數(shù)計算結果，得到pc、D0、L與支座個數(shù)n之間的擬合關系，最終得到如式(1)多元線性回歸方程式。同時把計算得到的n值圓整作為大型臥式容器運輸過程中所需要的支座數(shù)量推薦值，再根據(jù)實際情況進行合理調(diào)整，為支座的數(shù)量選擇提供一個可靠的選擇方法。

n=-5pc+0.0002L+0.0029D0+2.6111。

(1)

因支座擺放位置的不同，支座所承受的力也會隨之發(fā)生變化。對于最兩端的支座來說，隨著其位置不斷向貨物重心靠近，周向應力會有一個漸變的過程。當最兩端的支座與各自端點處封頭切線的距離A≤0.5D0(D0為容器筒體內(nèi)徑)時，周向應力不變；當0.5D0D0時, 此時的支座邊角處周向應力最大，在此過程中周向應力的某一值超過容器材料的許用應力，對容器造成破環(huán)，即最兩端的支座放置位置在A=0.5D0附近[6]。

除兩端的支座外，中間的所有支座擺放位置的合理性是根據(jù)容器在支座圓筒截面處的周向力大小來決定的[7-8]。本文以某一具體實例為例，選用3個支座，分析其位置不同時支座反力大小變化情況，所得的實驗數(shù)據(jù)如表6所示[9]，引入均勻度概念來表示支座反力變化程度。

表6 三支座反力計算結果

從支座反力不均勻度分析結果可知，當中間支座位置處于圓筒中部位置時，支座不均勻度最小。而此時，對支座容器截面處的彎矩求解結果表明，隨著容器中間位置處的支座不斷向容器最兩端的支座靠近時，支座反力的不均勻度越大，即三支座處各自的受力情況將發(fā)生差異性。當其中某支座反力增加到某一極限值時，此支座處圓筒截面的周向應力超過容器設備本身的許用應力，造成容器損壞。

實驗數(shù)據(jù)說明中間支座的放置位置要均勻分布，等距布置，此時每個支座所承受力的大小相互之間近乎相等，一旦中間某個支座位置不是等距分布，則會導致某中一個支座的支座反力變大，當這種支座反力不斷增加時，會引起容器局部周向應力變大進而超過容器材料許用應力值，對設備造成破壞。表7以實際中的兩個項目為實驗對象[10-11]，得到中間支座位置均勻分布后支座反力數(shù)據(jù)(兩個項目的操作均采用的是8支座)。

表7 多支座下臥式容器的支座反力計算

2 非臥式容器的常規(guī)貨物支座數(shù)量與位置分析

針對非臥式容器的常規(guī)貨物，在多支座支撐下具有超重、橫截面積大等特點，同時貨物的剛性遠遠大于掛車的剛性。一般來說，貨物的慣性矩是掛車主縱梁慣性矩的260倍以上。由材料力學可知，慣性矩反映了梁式構件的縱向剛度，也就能從側面反映出貨物的剛性。支座的需求主要是分載，避免掛車在某一處受較大的集中載荷，使掛車車架發(fā)生不可逆轉的變形，引發(fā)貨物在運輸過程中的安全問題。根據(jù)實際工程運輸項目，結合市場上現(xiàn)有的平板車型以及其許可彎曲力矩，對于多支座的貨物運輸在支座數(shù)量選擇與位置布置上與臥式容器有很大的不同，如圖1為貨物多點支撐和支撐間距示意圖。對于A1、A2、B1、B2、Bn的取值，在實際運輸過程中考慮由于行車道的坡度/傾斜，貨物的有效載荷重心偏移情況，會進行相應的調(diào)整，針對常用車型在實際過程中的情況，總結調(diào)整參數(shù)如表8以及表9所示。

圖1 多點支撐和支撐間距

表8 不同擺動軸懸垂A及跨距B的取值

表9 3排擺動軸懸垂A及跨距B的取值

為了不超過車板的許可彎曲力矩，對于支座的數(shù)量與位置布置如圖1所示：(1)懸垂A1和A2長度不得超過Amax；(2)支座跨間距離B1、B2、…、Bn不得超過Bmax。

3 案例分析

如圖2為費托合成反應器相關尺寸參數(shù)。重心位置距離裙座最邊緣27 233 mm，處于反應器中軸線上；兩端封頭切線之間的距離為49 500 mm，容器內(nèi)徑為9 600 mm，壁厚132 mm，設計壓力6.5 MPa。

由中徑公式可知，反應器薄壁厚度滿足強度及剛度設計要求，不需要進行高壓壁厚補償，根據(jù)式(1) 計算結果可以得到費托合成反應器運輸過程中所需要的支座數(shù)量n=-5pc+0.0002L+0.0029D0+2.6111=-5×6.5+0.0002×49500+0.0029×9600+2.6111=7.85,圓整后為支座所需數(shù)量推薦值n=8。由支座設計強度要求，每個支座重17 t。根據(jù)貨物自身重量1 855 t，以及設備相關尺寸φ9 860 mm×130 mm×54 400 mm，按平板車每軸線最大承重48 t，每軸線自重為4 t，配備6縱列20軸線的初步配車方案；貨物和支座總重為G1=1855t+17×8t=1991t；軸線總重G2=4×3×20t=240 t；軸線最大承載為：Gmax=483×20t=2880t；可以得出軸線承載率為δ=(G1+G2)/Gmax×100%=77%，說明初始配車方案合理。

圖2 設備尺寸參數(shù)

由上文可知，在支座數(shù)量推薦值確定后以及依據(jù)上述所確定的配車方案，同時考慮費托反應器本身設備尺寸及轉臺擺放位置、法蘭盤位置等情況，對支座數(shù)量進行調(diào)整修正后僅需要6個支座，經(jīng)過實際校核計算分析滿足運輸要求。根據(jù)實際確定的支座數(shù)量和支座位置擺放原則，最兩邊的支座距離封頭距離4 700 mm=0.5D0<9 400 mm

圖3 支座位置分布圖

支座相對于設備的位置是以設備裙座底部為基點，每個支座的中心線離裙座底部的距離如表10所示(支座從右到左依次編號，單位mm)。

表10 支座位置相對于反應器位置

由表8以及表9數(shù)據(jù)參考取值可知，對于該項目所采取的配車方案每軸線6排擺動軸：Amax=6.3 m，Bmax=14 m。根據(jù)圖4支座在平板車上的放置位置可知，兩端支座離車板端梁處的距離分別為2 900 mm、5 500 mm，均小于Amax，中間支座最大跨距為5 700 mm

表11 支座離車板端梁的距離

圖4 支座在平板車上的擺放位置

4 結論

本文對大件貨物在運輸中所需要的支座數(shù)量以及位置進行研究，提出了臥式容器以及非臥式容器常規(guī)貨物支座數(shù)量及位置確定方法。

對于臥式壓力容器，運輸所需支座的數(shù)量根據(jù)容器本身的設計壓力、筒體內(nèi)徑、兩封頭切線間距離L共同決定，除最兩端的支座外，每個支座的擺放位置均勻分布放置，但同時也要根據(jù)設備本身的法蘭、凸起等情況進行調(diào)整，最兩端的支座擺放位置在0.5附近。

非臥式容器的常規(guī)貨物運輸所需支座數(shù)量及位置可根據(jù)車板長度來確定，通過確保車板所受力矩不超過其許可彎曲力矩，來保障貨物運輸?shù)陌踩?/p>