陳飛　周小翔　海航　趙林

摘要：國(guó)內(nèi)LNG的運(yùn)輸以低溫半掛車為主，考慮到運(yùn)輸載重量的最大化，市場(chǎng)上基本都是使用三軸牽引車與三軸低溫半掛車搭配的汽車列車方案。而國(guó)內(nèi)法規(guī)限定LNG低溫半掛車的容積為52.6 m?，對(duì)應(yīng)三軸低溫半掛車的滿載質(zhì)量約為37 t，汽車列車滿載情況下的總質(zhì)量約為46 t，達(dá)不到此方案49 t總質(zhì)量的法規(guī)上限。現(xiàn)通過(guò)一系列技術(shù)方法對(duì)半掛車進(jìn)行減重設(shè)計(jì)，可將低溫半掛車的滿載質(zhì)量降到35 t，按照GB 1589-2016規(guī)定，這樣可以配兩軸牽引車使用，組成的五軸汽車列車總質(zhì)量控制在43 t以內(nèi)，能較大地降低運(yùn)輸成本，提高運(yùn)輸效率。

關(guān)鍵詞：LNG；低溫；半掛車；兩軸牽引車

中圖分類號(hào)：U462? 收稿日期：2023-02-25

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.014

1 前言

天然氣因?yàn)槠渚哂星鍧嵞茉磳傩裕陙?lái)在國(guó)內(nèi)得到了大力發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)天然氣運(yùn)輸方式除管道運(yùn)輸外，均以公路跨區(qū)域運(yùn)輸為主，其中最主流的方案就是使用三軸牽引車配三軸低溫半掛車來(lái)進(jìn)行運(yùn)輸。按照GB 1589-2016的規(guī)定，三軸牽引車與三軸低溫半掛車組成的六軸汽車列車，最大允許總質(zhì)量限值為49 t，而目前這種配置的實(shí)際總質(zhì)量約為46 t，利用率有較大的提升空間。

根據(jù)《移動(dòng)式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（TSG R0005-2011）第1號(hào)修改單的規(guī)定：真空絕熱罐體內(nèi)容積不得大于52.6 m?。罐體容積限定，相當(dāng)于限定了裝載質(zhì)量，總質(zhì)量達(dá)不到49 t的最大利用率［1］。查看GB 1589-2016標(biāo)準(zhǔn)可知，五軸的汽車列車最大允許總質(zhì)量為43 t。五軸的汽車列車有兩種方案：兩軸牽引車配三軸半掛車或三軸牽引車配兩軸半掛車?？紤]到兩軸牽引車的價(jià)格優(yōu)勢(shì)更大，且三軸LNG低溫半掛車可配兩軸牽引車也可配三軸牽引車，通用性更佳，故優(yōu)先選擇兩軸牽引車配三軸LNG低溫半掛車的方案來(lái)設(shè)計(jì)。

目前國(guó)內(nèi)主流的主機(jī)車廠已經(jīng)有成熟的?；穼Ｓ脙奢S牽引車供選用，如東風(fēng)牌DFH4180A4危險(xiǎn)品半掛牽引車，其整備質(zhì)量為6.805 t，準(zhǔn)牽引掛車質(zhì)量為35 t。由此將三軸LNG低溫半掛車總質(zhì)量控制在35 t，再加上人員質(zhì)量0.195 t，這樣汽車列車總質(zhì)量為42 t，滿足GB 1589中五軸汽車列車最大允許總質(zhì)量為43 t的要求。

目前市場(chǎng)上一般52.6 m?的三軸LNG低溫半掛車的整備質(zhì)量（自重）約為15 t。LNG的密度范圍為0.42～0.46 t/m?，取偏中間值0.4436 t/m?，得出52.6 m?的低溫罐體，實(shí)際裝載的LNG質(zhì)量為：

52.6（容積）×0.9（額定充滿率）×0.4436（密度）=21 t

低溫半掛車的整備質(zhì)量為：

35（半掛車總質(zhì)量）-21（裝載質(zhì)量）=14 t（低溫半掛車的整備質(zhì)量）

LNG低溫半掛車的整備質(zhì)量要從15 t降到14 t，相當(dāng)于自重要降1 t。目前主流的LNG低溫半掛車已經(jīng)進(jìn)行過(guò)不同程度的輕量化設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上還要降1 t，必須對(duì)整個(gè)LNG低溫半掛車進(jìn)行通盤考慮，將每個(gè)零部件逐一考慮輕量化方案，在不影響罐車整體強(qiáng)度和可靠性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理的減重優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

2.1 總體優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

兩軸牽引車的鞍座允許承載質(zhì)量一般在11 t左右，半掛車總質(zhì)量35 t設(shè)計(jì)，故后三軸處的承載質(zhì)量定為24 t較為合理。與原先的三軸LNG低溫半掛車相比，前部牽引銷座處的承載受力要大幅度減小，這樣主要承載部件牽引銷座、行走機(jī)構(gòu)與罐體的相對(duì)位置要大幅前移，才能滿足GB 1589和兩軸牽引車的鞍座允許承載質(zhì)量要求。

按LNG低溫半掛車整備質(zhì)量要降低1 t，自重要降低6.67%，減重的比例較大。將1 t進(jìn)行分解，首先罐體部分要能進(jìn)行占比較大的減重，才能實(shí)現(xiàn)總體的減重目標(biāo)（圖1）。其余少部分的減重分在行走機(jī)構(gòu)、閥門箱、支腿總成、牽引銷座總成、側(cè)防護(hù)欄總成等外圍部件上。

2.2 罐體部分優(yōu)化設(shè)計(jì)

三軸LNG低溫半掛車的整備質(zhì)量約15 t，罐體部分的質(zhì)量一般超過(guò)10 t，罐體的質(zhì)量所占整車質(zhì)量的比重約為72%左右，故罐體的減重是優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案如下：

a.內(nèi)容器罐體增加應(yīng)變強(qiáng)化。以前應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)一般用于工業(yè)氣體車罐體的設(shè)計(jì)，基于LNG罐車設(shè)計(jì)壓力0.65 MPa左右，相對(duì)優(yōu)勢(shì)較小，故在LNG罐車上基本沒有應(yīng)用。經(jīng)過(guò)計(jì)算，在維持現(xiàn)有設(shè)計(jì)壓力情況下，按照T/CATSI 05001-2018《移動(dòng)式真空絕熱深冷壓力容器內(nèi)容器應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)要求》法規(guī)要求計(jì)算，可將內(nèi)容器筒體壁厚由5 mm降到4.5 mm，使用定制鋼板，封頭由6 mm降到5 mm，總計(jì)可減重約420 kg。

b.在保證內(nèi)筒體剛度的前提下對(duì)加強(qiáng)圈進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整加強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)形式與布置位置等措施，減重共計(jì)102 kg。

c.針對(duì)外罐體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)應(yīng)力分析結(jié)合CGA方法計(jì)算，將外封頭厚度降到6.5 mm，調(diào)整外筒體加強(qiáng)圈布置等措施可減重80 kg。

d.優(yōu)化設(shè)計(jì)罐體與行走機(jī)構(gòu)連接的支撐結(jié)構(gòu)，改變?cè)械腣形梁+筋板的連接支撐結(jié)構(gòu)，使用小截面鞍座結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不但增強(qiáng)了罐體的剛度，而且能減重60 kg。

e.對(duì)罐體內(nèi)的各種管件、支撐件等零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減重共計(jì)約40 kg。

通過(guò)以上一系列的優(yōu)化設(shè)計(jì)措施，在保證原有罐體性能和容積的前提下，減重達(dá)到700 kg，對(duì)于相對(duì)成熟的LNG運(yùn)輸半掛車來(lái)說(shuō)，減重優(yōu)化設(shè)計(jì)效果非常明顯。

2.3 外圍部件優(yōu)化設(shè)計(jì)

三軸LNG低溫半掛車除去罐體部分的外圍部分重量約為5 t，其中行走機(jī)構(gòu)重量占了大部分，故行走機(jī)構(gòu)的減重、其余部件總成的輕量化就成了減重優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要方向，具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案如下：

a.根據(jù)GB 7258-2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》9.4條規(guī)定，危險(xiǎn)品半掛車應(yīng)裝備空氣懸架。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行后會(huì)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的空氣懸架重量與原成熟的鋼板彈簧平衡懸架相比每輛車重約200 kg。目前BPW等懸架廠家新推出了輕量化的空氣懸架系統(tǒng)和配套的車軸，此配置的半掛車也是輕量化的產(chǎn)品，滿載總質(zhì)量為35 t，比普通40 t級(jí)的半掛車輕，也是考慮使用輕量化空懸的原因。這樣車軸懸架系統(tǒng)可以減重200 kg。

b.目前國(guó)內(nèi)半掛車的車架大部分都為鋼制焊接式車架，重量沒有優(yōu)勢(shì)。而且在交通追尾事故發(fā)生后，車輛后懸尾部返修經(jīng)常需要切割車架，維修不便利。為此研發(fā)了新的裝配式后懸（圖2），采用強(qiáng)度較高的鋁合金材料，與前部分車架采用螺栓裝配連接，不但減輕了質(zhì)量，而且美觀實(shí)用便于后續(xù)返修。此項(xiàng)設(shè)計(jì)優(yōu)化減重30 kg。

c.行業(yè)內(nèi)首次在半掛車上采用開模的高強(qiáng)度鋁合金后防護(hù)（圖3），經(jīng)過(guò)應(yīng)力分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，完全符合GB 11567-2017《汽車及掛車側(cè)面和后下部防護(hù)要求》的法規(guī)及強(qiáng)度要求。此項(xiàng)設(shè)計(jì)優(yōu)化減重20 kg。

d.對(duì)支腿及支撐系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用JOST的鋁合金支腿，并對(duì)支撐組件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)支撐桿等部件全鋁化改進(jìn)設(shè)計(jì)。此項(xiàng)設(shè)計(jì)優(yōu)化減重20 kg。

e.根據(jù)35 t的總質(zhì)量，結(jié)合可能使用兩軸牽引車牽引的需求并按照軸荷分配計(jì)算，將牽引銷座處的軸荷布置為11 t，這樣相對(duì)常規(guī)40 t級(jí)半掛車牽引銷座處的16 t，減少了5 t。由于牽引銷座處的承載重量大為降低，故將牽引銷座總成的滑板厚度由12 mm降為10 mm，并優(yōu)化了牽引銷座支撐結(jié)構(gòu)，適配JOST KZ1010的牽引銷。通過(guò)此項(xiàng)設(shè)計(jì)優(yōu)化減重10 kg。

f.剩余的外圍零部件通過(guò)材料由鋼制改為鋁合金、高強(qiáng)度塑料等的方案實(shí)行優(yōu)化減重。比如使用鋁合金工具箱、鋁合金儲(chǔ)氣筒、塑料滅火器箱等方案措施，外圍部件再優(yōu)化減重約30 kg。

集合種種的外圍部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，外圍的部件一共實(shí)現(xiàn)了300 kg的減重，在滿足減重的設(shè)計(jì)理念下，還提升了產(chǎn)品品質(zhì)和后期售后維修的便利性。

通過(guò)以上所有的減重措施，順利實(shí)現(xiàn)了1 t有余的減重優(yōu)化設(shè)計(jì)，將半掛車整備質(zhì)量控制在14 t以內(nèi)，順利實(shí)現(xiàn)將滿載后半掛車總質(zhì)量控制在35 t，可以搭配二軸牽引車組成五軸汽車列車使用。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的詳細(xì)解讀，并結(jié)合對(duì)現(xiàn)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上主流LNG低溫運(yùn)輸半掛車與牽引車的搭配參數(shù)進(jìn)行分析，探討出新的LNG低溫運(yùn)輸半掛車與牽引車的搭配模式。在此搭配方案下，對(duì)LNG低溫半掛車進(jìn)行全系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)，分析計(jì)算各系統(tǒng)可靠的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，完全可以實(shí)現(xiàn)新搭配模式下對(duì)LNG低溫半掛車的參數(shù)要求。

新的運(yùn)輸搭配方案在實(shí)現(xiàn)不減少原有LNG裝載量的同時(shí)，降低了汽車列車的軸數(shù)與總質(zhì)量，可實(shí)現(xiàn)更低的車輛油耗和高速公路通行費(fèi)用，符合現(xiàn)在全球綠色節(jié)能的理念。

參考文獻(xiàn)：

[1]張國(guó)昌52.6 m³LNG運(yùn)輸半掛車的設(shè)計(jì)［J］.能源研究與管理，2015（4）：81-84.

作者簡(jiǎn)介：

陳飛，男，1983年生，工程師，研究方向?yàn)榈蜏匾后w運(yùn)輸專用車輛設(shè)計(jì)。