汪家偉，張良威，徐 力，姜瑞金

（中車長江運(yùn)輸設(shè)備集團(tuán)有限公司 科技開發(fā)分公司，武漢430212）

自2017 年政府工作報(bào)告提出“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”以來，加快改善生態(tài)環(huán)境特別是空氣質(zhì)量已經(jīng)被提上日程。LNG 作為一種清潔、高效能源也變得炙手可熱，越來越多的企業(yè)開始關(guān)注LNG 的存儲(chǔ)和運(yùn)輸。LNG 罐式集裝箱作為一種存儲(chǔ)單元，可以提供海運(yùn)、公路等多種運(yùn)輸途徑，可以彌補(bǔ)管道運(yùn)輸投入大、周期長的不足，為用戶提供靈活、便捷的物流服務(wù)，受廣大企業(yè)所青睞。LNG 罐式集裝箱沖擊試驗(yàn)作為考核LNG 罐式集裝箱抗沖擊能力的一種檢測手段，能夠?qū)NG 罐式集裝箱在受到外力撞擊后的安全性和可靠性進(jìn)行評(píng)判，在LNG罐式集裝箱設(shè)計(jì)制造中就顯得尤為重要。

1 LNG 罐式集裝箱沖擊試驗(yàn)方法

1.1 基于沖擊響應(yīng)譜的LNG 罐式集裝箱沖擊試驗(yàn)

對(duì)于一個(gè)單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，在受到外力沖擊作用時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)響應(yīng)。沖擊響應(yīng)譜就是在描述單自由度振動(dòng)系統(tǒng)受一定沖擊作用時(shí)，響應(yīng)的最大值與振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率或固有周期的關(guān)系的圖線［1］。根據(jù)聯(lián)合國《關(guān)于危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)慕ㄗh書（試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)手冊）第六修訂版》規(guī)定，在LNG 罐式集裝箱撞擊端底角件上布置加速度計(jì)，采集碰撞過程中加速度值的時(shí)域曲線，通過頻譜轉(zhuǎn)換得到系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)譜曲線，與標(biāo)準(zhǔn)SRS 曲線進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)沖擊響應(yīng)譜曲線全部到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)SRS曲線上方時(shí)，表明此次沖擊達(dá)到了所需沖擊環(huán)境的要求，在此種環(huán)境條件下，罐箱的變形以及狀態(tài)就反應(yīng)出了罐箱承受沖擊的能力［1］。

1.2 罐式集裝箱沖擊試驗(yàn)沖擊響應(yīng)譜力學(xué)模型［2］

圖1 給出了罐箱沖擊試驗(yàn)沖擊響應(yīng)譜計(jì)算的力學(xué)模型，可以將該系統(tǒng)看成質(zhì)量為m，剛度系數(shù)為k，阻尼為c的單自由度系統(tǒng)。試驗(yàn)罐箱通過鎖座固定在被沖擊車的撞擊端，u（t）為系統(tǒng)的輸入，代表沖擊車對(duì)被沖擊車的作用，輸入作用在被沖擊車上，以此為建立罐箱沖擊響應(yīng)譜的計(jì)算模型。

圖1 罐箱沖擊試驗(yàn)沖擊響應(yīng)譜力學(xué)模型

根據(jù)模型，推導(dǎo)出系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程：

式中：δ(t)為被試集裝箱的相對(duì)位移，δ(t)=x(t)-u(t)；u(t)為被沖擊車的絕對(duì)位移；x(t)為被試集裝箱的絕對(duì)位移。

零初始條件下，被試集裝箱的相對(duì)位移響應(yīng)為：

2 LNG 罐式集裝箱沖擊試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備要求

（1）沖擊試驗(yàn)線

能夠?qū)崿F(xiàn)沖擊車輛溜放作業(yè)并達(dá)到試驗(yàn)速度的長直軌道，能牽引和溜放沖擊車的試驗(yàn)設(shè)備。

（2）沖擊車

鐵路敞車一輛，車內(nèi)裝散粒貨物，總重不小于80 t。

（3）試驗(yàn)臺(tái)座

鐵路平車一輛，用于承載被試罐箱，并傳遞縱向力。

2.2 檢測儀器要求

（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要能夠完成動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的采集和處理，能夠?qū)崿F(xiàn)車速和沖擊響應(yīng)譜曲線計(jì)算，采樣頻率4 kHz，濾波截止頻率300 Hz，阻帶衰減48 dB/倍頻程。

（2）加速度計(jì)

加速度計(jì)振幅不小于±200g，最大低頻限度1 Hz，最小高頻限度3 000 Hz，加速度安裝在被試罐箱沖擊端2 個(gè)底角件的外側(cè)，安裝位置如圖2所示。

2.3 樣品要求

（1）罐式集裝箱應(yīng)根據(jù)技術(shù)要求完成沖擊試驗(yàn)前的其他型式試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合罐式集裝箱技術(shù)要求。

（2）罐式集裝箱所有尺寸符合集裝箱裝卸、轉(zhuǎn)運(yùn)和栓固的要求。

圖2 加速度計(jì)安裝位置示意圖

2.4 沖擊速度

沖擊速度是指沖擊車與試驗(yàn)臺(tái)座即將發(fā)生撞擊時(shí)沖擊車的瞬間速度，采用軌道貼片法進(jìn)行測量。

2.5 試驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）罐箱檢查

采取目視檢查、長度測量的方法對(duì)被試罐箱進(jìn)行試驗(yàn)前的檢查，確認(rèn)被試罐箱無影響試驗(yàn)結(jié)果的缺陷后方可進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，并確認(rèn)罐箱的附件安裝情況。

（2）罐箱稱重

試驗(yàn)采用水作為試驗(yàn)充裝介質(zhì)，將試驗(yàn)罐箱裝載接近額定質(zhì)量，然后進(jìn)行稱重并記錄數(shù)據(jù)。

（3）真空度檢測

試驗(yàn)前對(duì)罐箱夾層真空度進(jìn)行檢測，真空度應(yīng)滿足罐箱技術(shù)要求。

2.6 沖擊測試

沖擊速度按照4 km/h、8 km/h 和12 km/h 速度級(jí)進(jìn)行，每次沖擊后對(duì)罐箱對(duì)角線尺寸進(jìn)行測量并記錄。速度到達(dá)10.98 km/h 時(shí)，沖擊響應(yīng)譜曲線全部到達(dá)最小SRS 曲線上方，結(jié)果如圖3、圖4所示。

2.7 結(jié)果評(píng)定

2.7.1 罐箱檢查

沖擊試驗(yàn)終止后，目視檢查被試罐箱的主體結(jié)構(gòu)、主要承載部位和開口等，沒有出現(xiàn)變形、焊縫開裂、泄漏等不適合于使用的損壞。

圖3 速度10.98 km/h 時(shí)加速度時(shí)域曲線

圖4 速度10.98 km/h 時(shí)SRS 曲線

2.7.2 尺寸測量

沖擊試驗(yàn)終止后，被試LNG 罐式集裝箱（40 ft）的頂面、側(cè)面的對(duì)角線長度差值變化量ΔK1、ΔK2滿足：ΔK1≤19 mm，ΔK2≤10 mm 的要求，被試罐箱的長度符合12 192 mm（0/-10），寬度符合2 438 mm（0/-5），高度符合2 591 mm（0/-5）的要求。

2.7.3 真空度檢測

沖擊試驗(yàn)終止后，測量LNG 罐式集裝箱的夾層真空度，測試結(jié)果應(yīng)符合罐箱技術(shù)要求。

3 LNG 罐式集裝箱沖擊試驗(yàn)對(duì)比研究

3.1 不同LNG 罐式集裝箱對(duì)比

為了研究不同罐箱沖擊結(jié)果的差異，采用2 種不同型號(hào)LNG 罐式集裝箱A 和LNG 罐式集裝箱B重復(fù)上述沖擊試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1。

當(dāng)速度到達(dá)10.98 km/h，LNG 罐式集裝箱A 沖擊響應(yīng)譜曲線全部到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)SRS 曲線上方。當(dāng)速度到達(dá)11.54 km/h 時(shí)，LNG 罐式集裝箱B 沖擊響應(yīng)譜曲線全部到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)SRS 曲線上方，結(jié)果如圖5、圖6 所示。

表1 LNG 罐式集裝箱A 和LNG 罐式集裝箱B 參數(shù)表

圖5 10.98 km/h 時(shí)LNG 罐 箱A 的SRS 曲 線

圖6 11.54 km/h 時(shí)LNG 罐 箱B 的SRS 曲 線

2 個(gè)LNG 罐箱在沖擊響應(yīng)譜全部到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)SRS 曲線上方時(shí)，速度值相近。由于LNG 罐箱B的試驗(yàn)質(zhì)量稍大于LNG 罐箱A 的試驗(yàn)質(zhì)量，所以沖擊響應(yīng)譜全部到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)SRS 曲線上方時(shí)，LNG罐箱B 所需的沖擊速度更大。

3.2 不同沖擊試驗(yàn)臺(tái)座對(duì)比

為了研究不同試驗(yàn)臺(tái)座對(duì)LNG 罐式集裝箱沖擊試驗(yàn)結(jié)果的影響，采用2 臺(tái)不同的試驗(yàn)臺(tái)座進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)臺(tái)座A 和試驗(yàn)臺(tái)座B 參數(shù)表

試驗(yàn)臺(tái)座A 的撞擊速度到達(dá)11.46 km/h 時(shí)，LNG 罐式集裝箱沖擊響應(yīng)譜曲線全部到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)SRS 曲線上方，試驗(yàn)臺(tái)座B 的撞擊速度到達(dá)11.45 km/h 時(shí)，LNG 罐式集裝箱沖擊響應(yīng)譜曲線全部到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)SRS 曲線上方，結(jié)果如圖7、圖8 所示。

試驗(yàn)臺(tái)座A 和試驗(yàn)臺(tái)座B 參數(shù)基本一致，在LNG 罐式集裝箱沖擊響應(yīng)譜曲線全部到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)SRS 曲線上方時(shí)，兩者速度差異不大，曲線走勢也基本一致。

3.3 試驗(yàn)臺(tái)座緩沖器參數(shù)測試

為了進(jìn)一步研究沖擊車與試驗(yàn)臺(tái)座的撞擊過程，在試驗(yàn)臺(tái)座的撞擊端緩沖器上安裝了位移傳感器，用于測量緩沖器的壓縮量，并將該端車鉤更換為測力車鉤，用于監(jiān)控車鉤力，再次進(jìn)行沖擊測試，結(jié)果見表3。

在第7 次和第8 次沖擊試驗(yàn)時(shí)，沖擊響應(yīng)譜曲線全部達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)SRS 曲線上方。根據(jù)MT-2 緩沖器的壓縮特性和車鉤力可以得出，此時(shí)緩沖器已經(jīng)到達(dá)最大壓縮量，此時(shí)近似為剛性碰撞。經(jīng)過后續(xù)多次沖擊試驗(yàn)的數(shù)據(jù)得出，對(duì)于上述型號(hào)LNG 罐式集裝箱，只有當(dāng)試驗(yàn)臺(tái)座的緩沖器壓縮量達(dá)到最大值，近似成為剛性碰撞時(shí)，沖擊響應(yīng)譜曲線才能全部到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)SRS 曲線上方。

圖7 11.46 km/h 時(shí)試驗(yàn)臺(tái)座A 上罐箱的SRS 曲線

圖8 11.45 km/h 時(shí)試驗(yàn)臺(tái)座B 上罐箱的SRS 曲線

表3 試驗(yàn)臺(tái)座撞擊端緩沖器壓縮量和車鉤力數(shù)值

4 總結(jié)與展望

4.1 總結(jié)

沖擊響應(yīng)譜在各個(gè)行業(yè)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，對(duì)于LNG 罐式集裝箱沖擊這種復(fù)雜的沖擊過程，采用標(biāo)準(zhǔn)SRS 曲線判定沖擊環(huán)境更為方便和簡潔，使不同結(jié)構(gòu)的LNG 罐式集裝箱可以在同樣的沖擊環(huán)境下進(jìn)行比較，通過變形量來評(píng)判罐箱的抗沖擊性能。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不斷積累、對(duì)比分析，對(duì)LNG 罐式集裝箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了有效的技術(shù)支撐，為LNG 罐式集裝箱在運(yùn)用過程中的安全性、可靠性提供有力保障。目前國內(nèi)有3 家機(jī)構(gòu)的沖擊試驗(yàn)線取得了罐箱沖擊試驗(yàn)認(rèn)證資質(zhì)，基本完成了罐箱沖擊試驗(yàn)資質(zhì)在全國范圍內(nèi)的布局，確保了全國各地的罐式集裝箱都可以方便進(jìn)行罐箱沖擊試驗(yàn)檢驗(yàn)。

4.2 展望

為了提高罐式集裝箱沖擊試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確度，結(jié)合沖擊試驗(yàn)過程，提出以下幾點(diǎn)展望：

4.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣頻率

根據(jù)聯(lián)合國《關(guān)于危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)慕ㄗh書（試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)手冊）第六修訂版》規(guī)定，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最低采樣頻率為1 000 Hz，目前LNG 罐式集裝箱沖擊試驗(yàn)采樣頻率大多按照1 000 Hz 執(zhí)行，可將采樣頻率提高至4 000 Hz 至10 000 Hz，對(duì)比同一沖擊速度下的試驗(yàn)結(jié)果，探索采樣頻率對(duì)沖擊試驗(yàn)結(jié)果的影響。

4.2.2 加速度計(jì)的固有頻率

罐箱在撞擊過程中，當(dāng)加速度計(jì)的固有頻率在沖擊響應(yīng)譜的頻率范圍內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生共振，這是在數(shù)據(jù)采集過程中需要避免的，可以研究將加速度計(jì)固有頻率提高至3 倍于響應(yīng)頻率以上，避免該現(xiàn)象發(fā)生，以提升采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4.2.3 不同的試驗(yàn)臺(tái)座

通過進(jìn)一步改變試驗(yàn)臺(tái)座的自重、更換不同型號(hào)的緩沖器，研究緩沖器的動(dòng)態(tài)變化過程，探索試驗(yàn)臺(tái)座參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。