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        LNG 罐式集裝箱沖擊試驗研究

        2021-05-21 01:54:16汪家偉張良威姜瑞金
        鐵道機車車輛 2021年2期
        關鍵詞:罐箱罐式緩沖器

        汪家偉,張良威,徐 力,姜瑞金

        (中車長江運輸設備集團有限公司 科技開發(fā)分公司,武漢430212)

        自2017 年政府工作報告提出“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”以來,加快改善生態(tài)環(huán)境特別是空氣質量已經(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)開始關注LNG 的存儲和運輸。LNG 罐式集裝箱作為一種存儲單元,可以提供海運、公路等多種運輸途徑,可以彌補管道運輸投入大、周期長的不足,為用戶提供靈活、便捷的物流服務,受廣大企業(yè)所青睞。LNG 罐式集裝箱沖擊試驗作為考核LNG 罐式集裝箱抗沖擊能力的一種檢測手段,能夠對LNG 罐式集裝箱在受到外力撞擊后的安全性和可靠性進行評判,在LNG罐式集裝箱設計制造中就顯得尤為重要。

        1 LNG 罐式集裝箱沖擊試驗方法

        1.1 基于沖擊響應譜的LNG 罐式集裝箱沖擊試驗

        對于一個單自由度振動系統(tǒng),在受到外力沖擊作用時必然會產(chǎn)生一個瞬時響應。沖擊響應譜就是在描述單自由度振動系統(tǒng)受一定沖擊作用時,響應的最大值與振動系統(tǒng)固有頻率或固有周期的關系的圖線[1]。根據(jù)聯(lián)合國《關于危險貨物運輸?shù)慕ㄗh書(試驗和標準手冊)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,采集碰撞過程中加速度值的時域曲線,通過頻譜轉換得到系統(tǒng)的沖擊響應譜曲線,與標準SRS 曲線進行比對,當沖擊響應譜曲線全部到達標準SRS曲線上方時,表明此次沖擊達到了所需沖擊環(huán)境的要求,在此種環(huán)境條件下,罐箱的變形以及狀態(tài)就反應出了罐箱承受沖擊的能力[1]。

        1.2 罐式集裝箱沖擊試驗沖擊響應譜力學模型[2]

        圖1 給出了罐箱沖擊試驗沖擊響應譜計算的力學模型,可以將該系統(tǒng)看成質量為m,剛度系數(shù)為k,阻尼為c的單自由度系統(tǒng)。試驗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譜的計算模型。

        圖1 罐箱沖擊試驗沖擊響應譜力學模型

        根據(jù)模型,推導出系統(tǒng)的運動方程:

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

        零初始條件下,被試集裝箱的相對位移響應為:

        2 LNG 罐式集裝箱沖擊試驗

        2.1 試驗設備要求

        (1)沖擊試驗線

        能夠實現(xiàn)沖擊車輛溜放作業(yè)并達到試驗速度的長直軌道,能牽引和溜放沖擊車的試驗設備。

        (2)沖擊車

        鐵路敞車一輛,車內裝散粒貨物,總重不小于80 t。

        (3)試驗臺座

        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)

        沖擊試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要能夠完成動態(tài)數(shù)據(jù)的采集和處理,能夠實現(xiàn)車速和沖擊響應譜曲線計算,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

        加速度計振幅不小于±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 個底角件的外側,安裝位置如圖2所示。

        2.3 樣品要求

        (1)罐式集裝箱應根據(jù)技術要求完成沖擊試驗前的其他型式試驗,試驗結果符合罐式集裝箱技術要求。

        (2)罐式集裝箱所有尺寸符合集裝箱裝卸、轉運和栓固的要求。

        圖2 加速度計安裝位置示意圖

        2.4 沖擊速度

        沖擊速度是指沖擊車與試驗臺座即將發(fā)生撞擊時沖擊車的瞬間速度,采用軌道貼片法進行測量。

        2.5 試驗準備

        (1)罐箱檢查

        采取目視檢查、長度測量的方法對被試罐箱進行試驗前的檢查,確認被試罐箱無影響試驗結果的缺陷后方可進行沖擊試驗,并確認罐箱的附件安裝情況。

        (2)罐箱稱重

        試驗采用水作為試驗充裝介質,將試驗罐箱裝載接近額定質量,然后進行稱重并記錄數(shù)據(jù)。

        (3)真空度檢測

        試驗前對罐箱夾層真空度進行檢測,真空度應滿足罐箱技術要求。

        2.6 沖擊測試

        沖擊速度按照4 km/h、8 km/h 和12 km/h 速度級進行,每次沖擊后對罐箱對角線尺寸進行測量并記錄。速度到達10.98 km/h 時,沖擊響應譜曲線全部到達最小SRS 曲線上方,結果如圖3、圖4所示。

        2.7 結果評定

        2.7.1 罐箱檢查

        沖擊試驗終止后,目視檢查被試罐箱的主體結構、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 時加速度時域曲線

        圖4 速度10.98 km/h 時SRS 曲線

        2.7.2 尺寸測量

        沖擊試驗終止后,被試LNG 罐式集裝箱(40 ft)的頂面、側面的對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

        沖擊試驗終止后,測量LNG 罐式集裝箱的夾層真空度,測試結果應符合罐箱技術要求。

        3 LNG 罐式集裝箱沖擊試驗對比研究

        3.1 不同LNG 罐式集裝箱對比

        為了研究不同罐箱沖擊結果的差異,采用2 種不同型號LNG 罐式集裝箱A 和LNG 罐式集裝箱B重復上述沖擊試驗,將試驗結果進行對比,結果見表1。

        當速度到達10.98 km/h,LNG 罐式集裝箱A 沖擊響應譜曲線全部到達標準SRS 曲線上方。當速度到達11.54 km/h 時,LNG 罐式集裝箱B 沖擊響應譜曲線全部到達標準SRS 曲線上方,結果如圖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LNG 罐 箱A 的SRS 曲 線

        圖6 11.54 km/h 時LNG 罐 箱B 的SRS 曲 線

        2 個LNG 罐箱在沖擊響應譜全部到達標準SRS 曲線上方時,速度值相近。由于LNG 罐箱B的試驗質量稍大于LNG 罐箱A 的試驗質量,所以沖擊響應譜全部到達標準SRS 曲線上方時,LNG罐箱B 所需的沖擊速度更大。

        3.2 不同沖擊試驗臺座對比

        為了研究不同試驗臺座對LNG 罐式集裝箱沖擊試驗結果的影響,采用2 臺不同的試驗臺座進行沖擊試驗,結果見表2。

        表2 試驗臺座A 和試驗臺座B 參數(shù)表

        試驗臺座A 的撞擊速度到達11.46 km/h 時,LNG 罐式集裝箱沖擊響應譜曲線全部到達標準SRS 曲線上方,試驗臺座B 的撞擊速度到達11.45 km/h 時,LNG 罐式集裝箱沖擊響應譜曲線全部到達標準SRS 曲線上方,結果如圖7、圖8 所示。

        試驗臺座A 和試驗臺座B 參數(shù)基本一致,在LNG 罐式集裝箱沖擊響應譜曲線全部到達標準SRS 曲線上方時,兩者速度差異不大,曲線走勢也基本一致。

        3.3 試驗臺座緩沖器參數(shù)測試

        為了進一步研究沖擊車與試驗臺座的撞擊過程,在試驗臺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,再次進行沖擊測試,結果見表3。

        在第7 次和第8 次沖擊試驗時,沖擊響應譜曲線全部達到標準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,此時緩沖器已經(jīng)到達最大壓縮量,此時近似為剛性碰撞。經(jīng)過后續(xù)多次沖擊試驗的數(shù)據(jù)得出,對于上述型號LNG 罐式集裝箱,只有當試驗臺座的緩沖器壓縮量達到最大值,近似成為剛性碰撞時,沖擊響應譜曲線才能全部到達標準SRS 曲線上方。

        圖7 11.46 km/h 時試驗臺座A 上罐箱的SRS 曲線

        圖8 11.45 km/h 時試驗臺座B 上罐箱的SRS 曲線

        表3 試驗臺座撞擊端緩沖器壓縮量和車鉤力數(shù)值

        4 總結與展望

        4.1 總結

        沖擊響應譜在各個行業(yè)中已經(jīng)得到廣泛應用,對于LNG 罐式集裝箱沖擊這種復雜的沖擊過程,采用標準SRS 曲線判定沖擊環(huán)境更為方便和簡潔,使不同結構的LNG 罐式集裝箱可以在同樣的沖擊環(huán)境下進行比較,通過變形量來評判罐箱的抗沖擊性能。通過試驗數(shù)據(jù)的不斷積累、對比分析,對LNG 罐式集裝箱的結構設計、局部結構優(yōu)化提供了有效的技術支撐,為LNG 罐式集裝箱在運用過程中的安全性、可靠性提供有力保障。目前國內有3 家機構的沖擊試驗線取得了罐箱沖擊試驗認證資質,基本完成了罐箱沖擊試驗資質在全國范圍內的布局,確保了全國各地的罐式集裝箱都可以方便進行罐箱沖擊試驗檢驗。

        4.2 展望

        為了提高罐式集裝箱沖擊試驗結果準確度,結合沖擊試驗過程,提出以下幾點展望:

        4.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣頻率

        根據(jù)聯(lián)合國《關于危險貨物運輸?shù)慕ㄗh書(試驗和標準手冊)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,對比同一沖擊速度下的試驗結果,探索采樣頻率對沖擊試驗結果的影響。

        4.2.2 加速度計的固有頻率

        罐箱在撞擊過程中,當加速度計的固有頻率在沖擊響應譜的頻率范圍內,會產(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固有頻率提高至3 倍于響應頻率以上,避免該現(xiàn)象發(fā)生,以提升采樣數(shù)據(jù)的準確性。

        4.2.3 不同的試驗臺座

        通過進一步改變試驗臺座的自重、更換不同型號的緩沖器,研究緩沖器的動態(tài)變化過程,探索試驗臺座參數(shù)對試驗結果的影響。

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