馬嘉啟，孟慶兵，張文靜

基于Baydur復(fù)合材料下的新型集裝箱的研發(fā)

馬嘉啟，孟慶兵，張文靜

（青島中集集裝箱制造有限公司，山東 青島 266599）

主要對(duì)傳統(tǒng)集裝箱箱體材料是否可以用Baydur復(fù)合材料替代進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)Baydur復(fù)合材料集裝箱的制造成本、運(yùn)營(yíng)成本及環(huán)境因素分析，碳鋼與新型的復(fù)合材料的物理性能、化學(xué)性能比對(duì)，論證了Baydur復(fù)合材料替代傳統(tǒng)鋼制集裝箱材料的可行性。同時(shí)，對(duì)箱體關(guān)鍵部位、連接節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)未來(lái)使用新型材料替代傳統(tǒng)的碳鋼材料提供依據(jù)和思路。

集裝箱；復(fù)合材料；新型材料集裝箱；整體結(jié)構(gòu)

伴隨著各種新型材料的誕生，在很多領(lǐng)域，新型材料已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的材料。目前在集裝箱上，鋼結(jié)構(gòu)使用的材料主要為耐候鋼，鋼制集裝箱質(zhì)量比較大，僅20英尺（1英尺=30.48 cm）標(biāo)準(zhǔn)集裝箱自身質(zhì)量就超過(guò)2 t，作為貨運(yùn)載體，運(yùn)輸成本高、能耗大。同時(shí)，廢舊箱、二手箱重復(fù)再利用難度大。易生銹、耐腐蝕性差也是鋼材的薄弱之處。在這種前提下，能否可以采用一種性能優(yōu)良、耐腐蝕性強(qiáng)、成本適中的材料來(lái)制造集裝箱，替代傳統(tǒng)意義上的鋼制集裝箱，便成為一個(gè)很有意義的研發(fā)課題。

1 發(fā)展背景

集裝箱作為全球貿(mào)易一體化的一個(gè)重要承載工具，對(duì)全球貨物的流轉(zhuǎn)起著舉足輕重的作用。據(jù)有效統(tǒng)計(jì)，每年集裝箱新箱的制造量大約在百萬(wàn)TEU左右，然而，伴隨著新箱的制造，大量的舊箱、二手箱流入到市場(chǎng)，由于鋼制集裝箱回收困難，重復(fù)再利用空間有限，因此，對(duì)環(huán)境的破壞影響巨大。同時(shí)，鋼制集裝箱質(zhì)量大，小柜自身質(zhì)量都達(dá)到2 t以上，因此，在貨物流轉(zhuǎn)過(guò)程中，箱體皮重的周轉(zhuǎn)造成了大量的能源損耗。

Baydur復(fù)合材料作為一種新型的復(fù)合材料，由樹(shù)脂與玻璃紗復(fù)合而成，極大地提高了單一樹(shù)脂的性能，其機(jī)械強(qiáng)度、抗沖擊性、耐腐蝕性等均優(yōu)于傳統(tǒng)的碳鋼。通過(guò)擠出成型工藝，可以制作不同截面的型材，進(jìn)一步提高了材料的力學(xué)性能。目前此材料已經(jīng)成功地應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電葉片、建筑框架結(jié)構(gòu)、航天領(lǐng)域等。

2 關(guān)于制造成本、運(yùn)營(yíng)成本及環(huán)境因素分析

2.1 制造成本

2019年，全球制造的新集裝箱在220萬(wàn)TEU左右，其中，每臺(tái)20英尺箱總質(zhì)量為2 200 kg，鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量約 1 700 kg，鋼材價(jià)格按4.5元每千克計(jì)算，則全球每年用于集裝箱的鋼材約168.3億元人民幣。每臺(tái)箱均需做油漆防腐，油漆費(fèi)用每臺(tái)約2 000元，每年用于集裝箱防腐的油漆約44億元人民幣。

2.2 運(yùn)營(yíng)成本

集裝箱在全球的流轉(zhuǎn)主要通過(guò)海運(yùn)、汽車(chē)運(yùn)輸和鐵路運(yùn)輸。據(jù)世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)報(bào)告，汽車(chē)自身質(zhì)量每減少10%，燃油消耗可降低6%～8%。汽車(chē)每減輕100 kg的質(zhì)量，每100 km油耗可降低0.4 L。

新型復(fù)合材料集裝箱自身質(zhì)量輕，同結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下，僅為鋼制結(jié)構(gòu)箱質(zhì)量的1/3，使用以上數(shù)據(jù)計(jì)算，每臺(tái)新型復(fù)合材料集裝箱運(yùn)送100 km，就能節(jié)省5.8 L油，每升汽油按6元計(jì)算，每100 km運(yùn)輸費(fèi)用可節(jié)省35元。

2.3 環(huán)境因素

巴斯夫公司統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，汽車(chē)每減輕100 kg的質(zhì)量，每100 km二氧化碳排放就可減少1 kg。如果采用新型復(fù)合材料集裝箱運(yùn)輸，每100 km可減少14.6 kg二氧化碳的排放，其對(duì)于節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、減少溫室氣體排放意義重大。

3 物理性能、化學(xué)性能比對(duì)

COVESTRO公司（原拜耳公司）生產(chǎn)的Baydur復(fù)合材料由20%的樹(shù)脂加80%的玻璃纖維紗復(fù)合而成，對(duì)該材料的物理性能和化學(xué)性能做了相應(yīng)的試驗(yàn)測(cè)試。

Baydur復(fù)合材料與耐候鋼之間的物理性能對(duì)比顯示如表1所示。

表1 新型材料與耐候鋼之間的物理性能對(duì)比顯示表

機(jī)械性能Baydur 復(fù)合材料（軸向）鋁合金型材碳鋼 GF-R（Type 6063-T5）耐候鋼 密度/（g·cm-3）2.052.77.85 拉伸模量/GPa61.568.9210 抗拉強(qiáng)度/MPa1031145500～530

新型材料與耐候鋼之間的化學(xué)性能對(duì)比顯示如圖1 所示。

圖1 新型材料與耐候鋼之間的化學(xué)性能對(duì)比顯示圖

以上結(jié)果顯示，Baydur復(fù)合材料部分物理性能及化學(xué)性能指標(biāo)均高于耐候鋼。

4 整體結(jié)構(gòu)及連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)的集裝箱主要分為六大部分：底架、前端、門(mén)端、兩個(gè)側(cè)墻和頂部。其中，底架及側(cè)墻是起吊運(yùn)輸時(shí)主要的承力單元。圖2為箱體的主體結(jié)構(gòu)，其中，頂側(cè)梁、底側(cè)梁、角柱等主體框架結(jié)構(gòu)均采用復(fù)合材料的擠塑型材，側(cè)板、端板與框架連接采用插接式。

其中，對(duì)角件處的連接節(jié)點(diǎn)做了進(jìn)一步的研究，由于目前的角件材質(zhì)為鑄鋼，且與港口吊機(jī)的卡爾瑪匹配，因此，此處還需要保留原有角件的孔尺寸及結(jié)構(gòu)形式，但為了與角柱、底側(cè)梁、端檻做有效的連接，在角柱鑄造時(shí)，對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，使其可以與復(fù)合材料的型材進(jìn)行簡(jiǎn)單可靠的連接，如圖3所示。

圖2 箱體主體結(jié)構(gòu)圖

圖3 角件節(jié)點(diǎn)處結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)Baydur復(fù)合材料與耐候鋼的性能比對(duì)研究，對(duì)復(fù)合材料集裝箱的雛形做了設(shè)計(jì)，對(duì)未來(lái)新型材料替代已有的鋼制集裝箱提供了設(shè)計(jì)思路和理論依據(jù)。新型復(fù)合材料集裝箱如果能替代傳統(tǒng)的集裝箱，其研發(fā)結(jié)果將為集裝箱行業(yè)帶來(lái)突破性的變革，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^，同時(shí)環(huán)保意義巨大，對(duì)集裝箱行業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。

［1］全國(guó)集裝箱標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).集裝箱標(biāo)準(zhǔn)匯編［M］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

［2］哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2016.

［3］趙罘，楊曉晉.SolidWorks 2018中文版機(jī)械設(shè)計(jì)從入門(mén)到精通［M］.北京：人民郵電出版社，2018.

2095－6835（2021）06－0134－02

TH247

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.054

馬嘉啟（1988—），男，畢業(yè)于山東科技大學(xué)，碩士研究生，項(xiàng)目研發(fā)工程師。

〔編輯：王霞〕