20英尺35 t砂石集裝箱的研制

馬新偉 龍建國 何光偉 張皓

摘要：基于目前國內(nèi)砂石散料貨物公路運(yùn)輸工具主要采用自卸半掛車，受運(yùn)輸車輛車廂容積限制，砂石貨物裝載噸位嚴(yán)重不足的情況，主要介紹了20英尺35 t砂石集裝箱的主要用途、主要技術(shù)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)依據(jù)和主要結(jié)構(gòu)，并闡述了箱體的強(qiáng)度計(jì)算和試驗(yàn)情況。

關(guān)鍵詞：集裝箱；砂石散料；公路運(yùn)輸；輕量化

中圖分類號(hào)：U466? 收稿日期：2024-03-10

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406015

1 前言

目前國內(nèi)砂石散料貨物公路運(yùn)輸工具主要采用自卸半掛車，受運(yùn)輸車輛車廂容積限制，砂石貨物裝載噸位嚴(yán)重不足。根據(jù)中國砂石協(xié)會(huì)砂石成本統(tǒng)計(jì)，公路運(yùn)輸成本約占總成本的30%，運(yùn)輸成本較高。

集裝箱作為現(xiàn)代運(yùn)輸?shù)闹匾ぞ咧?，不僅在海運(yùn)中得到廣泛應(yīng)用，在公路、鐵路以及航空運(yùn)輸中也得到快速發(fā)展。隨著全國多省相繼出臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)集裝箱車輛通行費(fèi)相關(guān)減免政策，通過中國船級(jí)社認(rèn)證的公路運(yùn)輸集裝箱需求量也越來越大。因此，設(shè)計(jì)一種符合中國船級(jí)社檢驗(yàn)規(guī)范的20英尺35 t砂石集裝箱（以下簡稱“砂石集裝箱”），砂石全程采用集裝箱運(yùn)輸，有效減少砂石骨料裝卸和路途損耗，大幅降低物流成本，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸途中零損耗、零污染，切實(shí)提高了砂石運(yùn)輸能力［1］。

2 主要用途

砂石集裝箱主要搭載集裝箱運(yùn)輸半掛車使用，用于砂石散料貨物的裝運(yùn)或存儲(chǔ)。借助裝載機(jī)、挖掘機(jī)及其他上料機(jī)械設(shè)備從頂部裝貨，卸貨時(shí)與傾卸設(shè)施配合，將箱體傾斜舉起，貨物從后部門端卸貨流出（圖1）。

3 主要技術(shù)特點(diǎn)

砂石集裝箱具有以下主要特點(diǎn)：

a.箱體運(yùn)用輕量化設(shè)計(jì)理念，通過優(yōu)化鋼材截面模數(shù)，在不降低其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下，采用更小截面面積的高強(qiáng)度鋼，以達(dá)到減少箱體自重的目的，同時(shí)在滿足最大運(yùn)載需求和運(yùn)載容積前提下，匹配合適的高度，使箱體容積最優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)箱體最低高度和最優(yōu)自重。

b.在箱體的前端、門端與側(cè)壁箱內(nèi)連接位置處設(shè)置通長封板，有效避免砂石散料卸料時(shí)在箱體角落發(fā)生物料堆積，從而帶來的卸貨困難、卸貨不干凈等問題。

c.采用側(cè)面開啟的鎖閉機(jī)構(gòu)，通過側(cè)面的旋轉(zhuǎn)把手控制門端上翻門的開閉，可防止卸貨時(shí)，箱內(nèi)砂石散料塌落瞬間涌出對(duì)卸貨人員造成傷害（圖2）。

d.集裝箱底架靠門端采用翹尾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并搭配鐵路敞頂集裝箱門端的密封結(jié)構(gòu)，可有效防止砂石公路運(yùn)輸過程中污水跑冒滴漏，污染路面（圖3）。

4 主要技術(shù)參數(shù)

集裝箱的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

5 主要結(jié)構(gòu)

砂石集裝箱主要由前端裝配、門端裝配、側(cè)壁裝配、底架裝配組成，如圖4所示。

51 底架裝配

底架裝配由下側(cè)梁、下側(cè)梁加強(qiáng)板、底橫梁、矩管橫梁、地板等組成。下側(cè)梁采用鋼板壓制成形，翼緣向外的C形結(jié)構(gòu)。底橫梁采用由鋼板壓制而成的槽型結(jié)構(gòu)，考慮該集裝箱無插槽結(jié)構(gòu)，因此在載荷傳遞區(qū)設(shè)矩形管作加強(qiáng)矩管橫梁。地板采用鋼板［2］。

52 前端裝配

前端裝配由前端板、爬梯圓管、前端框架和前端加強(qiáng)梁焊接而成。

前端板由2塊壓形波紋板拼接而成，端板左側(cè)焊接一組爬梯圓管。前端框架由上端梁、下端梁、角件和前角柱及角柱封板等組焊而成。前端框架中間位置設(shè)置有加強(qiáng)梁，用以抵抗考慮砂石散料貨物運(yùn)輸過程中緊急制動(dòng)對(duì)前端板的沖擊力，防止前端板變形。

53 側(cè)壁裝配

側(cè)壁裝配由上側(cè)梁、側(cè)壁板、側(cè)壁拉桿等而成。

上側(cè)梁為矩形管。側(cè)壁板由5塊波紋板焊接而成。兩側(cè)壁之間加裝螺栓連接的側(cè)壁拉桿，用以防止砂石散料貨物在滿載運(yùn)輸過程中出現(xiàn)脹箱現(xiàn)象。

54 門端裝配

門端裝配主要由門框、上翻門和鎖閉機(jī)構(gòu)組成（圖5）。

門框包括門檻、后角柱、橫梁、豎梁、加強(qiáng)梁、加強(qiáng)座、繩鉤和角件，焊接在一起成一部件。

上翻門包括門框、門板、門鉸鏈組件和鉸鏈銷、門封膠條和膠墊，使用鉸鏈銷將上翻門安裝在門端門框上。

鎖閉機(jī)構(gòu)由鎖桿、把手、鎖桿安裝座、傳動(dòng)桿、鎖鉤等組成，鎖閉機(jī)構(gòu)通過螺栓固定在底架裝配上。

6 箱體強(qiáng)度計(jì)算

61 采用標(biāo)準(zhǔn)

為降低砂石集裝箱自重，箱體首次采用高強(qiáng)度鋼，并按照GB/T 17274《系列1無壓干散貨集裝箱技術(shù)要求和試驗(yàn)方法》（以下簡稱GB/T 17274），對(duì)該箱體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了堆碼、吊頂、吊底、縱向栓固、端壁強(qiáng)度、側(cè)板強(qiáng)度、橫向剛性、縱向剛性共8個(gè)工況的計(jì)算［3］。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，砂石集裝箱各部件在各載荷工況下產(chǎn)生的最大von Mises應(yīng)力不得超過材料的屈服極限。von Miss應(yīng)力可以表示為：

[σeq=12σ1-σ22+σ2-σ32+σ3-σ12]

式中，[σeq]為各節(jié)點(diǎn)von Mises應(yīng)力，MPa；[σ]（i=1，2，3）為各節(jié)點(diǎn)主應(yīng)力，MPa。

62 計(jì)算條件和工況

作用在砂石集裝箱上的載荷包括垂向力、縱向力、橫向力。砂石集裝箱計(jì)算基本參數(shù)見表2，參照GB/T 17274，集裝箱載荷組合計(jì)算工況見表3。

63 計(jì)算方法

為準(zhǔn)確地預(yù)測其在各載荷工況作用下應(yīng)力與位移的分布，采用有限單元法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）及有限元仿真軟件ANSYS 2019R3對(duì)砂石集裝箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。計(jì)算基于以下假設(shè)進(jìn)行：

a.對(duì)于結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力小于材料屈服極限的工況，分析基于線彈性模型進(jìn)行。

b.考察變形和應(yīng)力的節(jié)點(diǎn)結(jié)果。

砂石集裝箱有限元分析模型采用空間笛卡爾坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系中，X軸與線路方向相垂直，Y軸指向車輛運(yùn)行前方，Z軸垂直于軌道平面，其正方向?yàn)樨Q直向上。坐標(biāo)系XOY平面位于通過底板中心的水平面上，原點(diǎn)位于底板中心。砂石集裝箱鋼結(jié)構(gòu)采用shell 63單元進(jìn)行離散，基本尺寸為20 mm，角件采用solid 45單元進(jìn)行離散，基本尺寸為20 mm。其有限元模型如圖6所示。

64 計(jì)算結(jié)果

砂石集裝箱在表3各載荷工況作用下，其最大當(dāng)量應(yīng)力工況為側(cè)板強(qiáng)度工況，最大當(dāng)量應(yīng)力為55181 MPa，出現(xiàn)在側(cè)壁拉桿與上側(cè)梁焊接處，如圖7所示。最大當(dāng)量應(yīng)力值未超過其材料的強(qiáng)度極限。

計(jì)算結(jié)果表明，該集裝箱在GB/T 17274《系列1無壓干散貨集裝箱技術(shù)要求和試驗(yàn)方法》規(guī)定的各載荷工況作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值均未超過選用材料的強(qiáng)度極限，滿足設(shè)計(jì)要求。

7 試驗(yàn)情況

為驗(yàn)證該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，按照GB/T 17274《系列1無壓干散貨集裝箱技術(shù)要求和試驗(yàn)方法》及《集裝箱檢驗(yàn)規(guī)范》的要求，完成了砂石集裝箱堆碼試驗(yàn)、吊頂試驗(yàn)、吊底試驗(yàn)、縱向栓固試驗(yàn)、端壁強(qiáng)度試驗(yàn)、側(cè)板強(qiáng)度試驗(yàn)、橫向剛性試驗(yàn)、縱向剛性試驗(yàn)，部分試驗(yàn)照片見圖8。

試驗(yàn)結(jié)果如下：

a.堆碼試驗(yàn)。

在箱內(nèi)載荷18R-T（R為額定質(zhì)量，T為自重），每一個(gè)頂角件施加垂向載荷18Rg/4（g為重力加速度）作用下，角柱水平方向的最大變形量為067 mm，最大殘余變形量003 mm；角柱垂向最大變形量056 mm，殘余變形量001 mm，滿足GB/T 17274要求。

b.吊頂試驗(yàn)。

箱內(nèi)載荷2R-T，通過4個(gè)頂角件垂直起吊，底部最大變形量13 mm，殘余變形量1 mm。滿足GB/T 17274要求。

c.吊底試驗(yàn)。

箱內(nèi)載荷2R-T，通過4個(gè)底角件與水平方向呈45°角度起吊，底部最大變形量14 mm，殘余變形量1 mm。滿足GB/T 17274要求。

d.縱向栓固試驗(yàn)。

箱內(nèi)載荷R-T，通過固定箱體一端2個(gè)底角件，然后通過另一端2個(gè)底角件的底孔同時(shí)施加2Rg（g為重力加速度）的縱向水平力，拉伸時(shí)最大變形量為5 mm，壓縮時(shí)最大變形量為7 mm。滿足GB/T 17274要求。

e.端壁試驗(yàn)。

由箱內(nèi)向端壁施加04 Pg（P為載重）的均布載荷，端壁最大變形量為19 mm，殘余變形量1 mm。滿足GB/T 17274要求。

f.側(cè)壁試驗(yàn)。

由箱內(nèi)向側(cè)壁施加06 Pg的均布載荷，側(cè)壁最大變形量為26 mm，殘余變形量1 mm。滿足GB/T 17274要求。

g.橫向剛性試驗(yàn)。

固定箱體底角件，對(duì)同端面頂角件施加橫向150 kN的作用力，前端對(duì)角線變形量差值為4 mm，門端對(duì)角線變形量差值為37 mm。滿足GB/T 17274要求

h.縱向剛性試驗(yàn)。

固定箱體底角件，對(duì)同側(cè)面頂角件施加橫向150 kN的作用力，頂角件最大位移量為2 mm，殘余變形量為1 mm。滿足GB/T 17274要求。

8 結(jié)語

砂石散料廣泛應(yīng)用于房屋建筑、路橋工程、基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域，砂石需求量極其龐大。文中在既有集裝箱設(shè)計(jì)制造技術(shù)基礎(chǔ)上，提出一種自重輕、卸貨效率高的20英尺35 t砂石散料運(yùn)輸集裝箱，并通過計(jì)算和試驗(yàn)對(duì)箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證。未來可針對(duì)用戶的使用情況、裝卸貨的特點(diǎn)，進(jìn)行箱體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，或采用新的復(fù)合材料代替部分鋼制部件，實(shí)現(xiàn)箱體自重更輕。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

馬新偉，男，1991年生，工程師，研究方向?yàn)閷Ｓ密囕v設(shè)計(jì)。