基于整體自裝卸車運輸的多式聯運托盤結構改進研究

彭超 李紅勛 張雨佳

軍事交通學院 天津 300161

基于整體自裝卸車運輸的多式聯運托盤結構改進研究

彭超 李紅勛 張雨佳

軍事交通學院 天津 300161

以整體自裝卸車運輸的某多式聯運托盤為研究對象，對試驗中存在使用不便的問題部件進行了有限元分析，并提出了一種改進方案。通過分析可得，改進方案能較好地解決出現的問題。

多式聯運托盤 有限元分析 改進方案

1 前言

整體自裝卸車運輸的多式聯運整裝整卸托盤是在通用整裝整卸托盤的基礎上加裝了導軌系統和限位裝置等，能夠實現航空集裝板陸空聯運的快速、無縫銜接[1]。但是，在實際使用過程中，多式聯運托盤后擋板的結構型式會在使用中造成諸多不便。為此，針對問題部件進行有限元分析，并提出了一種改進方案，通過分析驗證，改進方案能較好地解決多式聯運托盤后擋板使用不便的問題。

2 多式聯運托盤裝置結構原理

多式聯運托盤（以下簡稱托盤裝置）初始設計方案是由導軌總成、側擋板總成、后擋板總成和附件等組成。為滿足對P1、P2和P6等不同型號民航標準集裝板的裝卸需求，將該裝置設計分為橫向和縱向兩種布置方式[2]。本文僅對縱向布置進行研究。

托盤裝置的三維模型如圖1所示，托盤裝置結構組成示意如圖2所示。托盤裝置上的導軌縱向布置，側擋板通過擋板限位塊與整裝整卸托盤進行定位，壓板由側擋板上凸塊和彈簧鎖限位，進而再對整裝整卸托盤中部的擋板、導軌總成、前限位裝置（用于對航空集裝板進行限位）和后擋板進行限位。

3 關鍵部件有限元分析

從圖2可知，后擋板通過銷軸固定在限位塊上，與托盤兩側的側擋板一起，對裝載的航空集裝板起固定作用。其中，后擋板尤為關鍵，不僅起到貨物的前后固定作用，在危險工況下，還應具備足夠的強度避免斷裂。后擋板的結構形式在實際使用過程中尤為不便。首先，其體積較大，質量達到12.5 kg，給裝卸帶來不便，同時較大的質量影響車輛的運輸能力。其次，在實際使用過程中，后擋板的使用壽命較短。

ANSYS Workbench是一款具有強大的結構、流體、熱、電磁及其相互耦合分析的工程仿真軟件。為了校核危險工況下后擋板強度，本文通過ANSYS Workbench對后擋板進行有限元分析和強度校核。

3.1 后擋板建模

首先利用建模軟件Solidworks對后擋板各部件進行實體建模，再根據結構組成進行虛擬裝配。后擋板的結構組成如圖3所示。圖4為后擋板主要部件的結構尺寸。

3.2 危險工況選取

多式聯運托盤依靠整體自裝卸車自裝卸結構完成裝卸作業，裝卸過程在文獻[1]中有詳細描述。整體自裝卸車舉升機構在對托盤裝置進行裝卸過程中，托盤的最大傾斜角度為27°[1]，此時后擋板承受載荷最大，處于危險工況，結合裝載的P6托盤質量為6 804 kg，通過計算公式(1)，可以得出后擋板承受的載荷。

式中，F為后擋板承受的載荷；m為P6托盤質量；θ為托盤傾斜角度。

計算可得，后擋板承受的載荷F=30272 N。

3.3 結構靜力學分析

有限元分析軟件ANSYS Workbench靜力學分析的一般步驟為：建立模型、定義材料屬性、劃分網格、施加載荷與約束及結果后處理，下面對后擋板進行靜力學分析。

首先啟用Workbench的靜力學分析模塊，通過外部路徑，將Solidworks模型導入Ansys Workbench中。根據設計要求和相關技術指標[1]，如表1所示，在材料庫中定義材料類型。

表1 材料屬性

進行網格劃分時應優先選取正六面體、正四面體等規整度高的網格，本文選擇六面體為主導的網格劃分。網格劃分如圖5所示。

由圖2可知，后擋板裝在限位塊上，而限位塊固定在托盤裝置上，P6托盤重力的分力作用在后擋板上。根據實際情況對部件添加相應的載荷及約束：對限位塊底部進行約束，在后擋板受力面上加上垂向載荷，載荷取危險工況下的30 272 N。

3.4 仿真分析

前處理完成后進行仿真分析，在Workbench的后處理模塊中選擇求解等效應力，可以得到危險工況下部件的等效應力云圖，如圖6所示。

由分析結果可得，在后擋板的上下擋板鉸接點附近，應力較為集中，最大應力為1 155.5 MPa。后擋板材料采用HG70高強度鋼板，其屈服極限為590 MPa，后擋板所受應力大于材料的屈服極限，其在強度上的設計上是不合理的，存在安全隱患。

4 改進研究

4.1 改進方案

貨物的約束方法有很多，主要有鎖止、阻擋、捆綁等，托盤裝置后擋板總成的設計屬于阻擋約束方法，不僅不能確保貨物的有效固定，也不能滿足使用中的強度要求。

由于捆綁法在日常生活中應用最為廣泛，本文選擇捆綁法約束航空集裝板。捆綁法使用的捆綁帶，一般為扁平編織帶，是由人造纖維，如尼龍、膨脹尼龍、聚酯、纖維或它們的混合物通過加工編織而成。不同規格的捆綁帶極限工作載荷也不相同。捆綁器工作時，織帶所受載荷小于其極限工作載荷時，織帶將發生彈性變形，不會發生捆綁失效；當工作載荷超過其極限工作載荷，而小于其破斷載荷時，織帶將發生塑性變形，貨物將發生散包，即捆綁失效；當工作載荷超過破斷載荷時，織帶將發生斷裂。

由于目前我國還沒有捆綁器的使用標準，所以只能依據國外的相關標準來確定捆綁器的數量。美國運輸部的相關條例規定：要保證貨物不發生移動，捆綁器的極限工作載荷至少是貨物質量的1/2[3]。由此可計算所需捆綁器數量。

本文選取捆綁帶的極限載荷為2 500 kg，同時托盤裝置裝載的航空集裝板為6 804 kg。根據式(2)可得，捆綁器的數量應該為兩個。

裝載物的捆綁方式主要分為摩擦捆綁和直接捆綁，直接捆綁又可分為幾種捆綁方式。由于采用摩擦捆綁時，在車輛行駛過程中可能引起裝載物豎直跳動，當與接觸面脫離時，摩擦力會消失，導致捆綁失效。故結合托盤裝置實際情況，本文采用直接捆綁法的傾斜捆綁方式。

傾斜捆綁示意如圖7所示，對托盤的左右方向進行傾斜捆綁，托盤一側使用兩個捆綁帶，在另一側也使用相同數量的捆綁帶，且對應的兩捆綁帶保持平行，兩側的捆綁帶豎向角相同[4]。

在建筑建設中對質量安全的嚴格監督，不僅僅是對施工材料以及人員進行監督，對建筑本身也是要加強監督，進行及時的記錄。對周圍環境要詳細記錄，在不同的周邊環境下，建筑施工的技術是不同的，施工方案也要有一定的針對性。特別在實際施工中地基與基礎分部工程的要加強監督力度，不僅僅是對施工單位的施工過程進行監督[5]。也是要對勘察單位的勘察成果及設計單位的圖紙設計深度等各方面情況展開監督，一切對質量安全造成影響的因素都是要進行監督的內容，在建筑工程竣工驗收合格后，還要對建筑物竣工后的合理沉降期限進行觀測，合格后方可進行下一步的交房。

根據傾斜捆綁有效固定的相關要求，當采用圖7所示橫向捆綁時，需要在集裝板后側加上限位塊。

本文在原后擋板的限位塊進行簡單改進后，去掉限位塊的銷孔，改進后限位塊如圖8所示。改進后的限位塊在傾斜捆綁時，起到了避免車輛行駛過程中產生縱向慣性力時導致裝載物的縱向滑移和傾翻的作用。

4.2 改進后方案有限元分析

對改進后的限位塊進行強度校核，在危險工況，即托盤的最大傾斜角度為27°下進行有限元分析，根據多式聯運托盤結構形式，通過計算公式(3)，可以得出單個限位塊所受的載荷。

式中，Q為限位塊承受的載荷；m為P6托盤質量；θ為托盤傾斜角度；n為后擋板個數，取n=4。

計 算可 得 ， 單個 限 位 塊所 受 的 載荷 為7 568 N。

通過分析可得，不計捆綁帶作用的情況下，限位塊承受的最大等效應力為152.09 MPa，小于限位塊的屈服極限590 MPa。

綜上所述，改進方案通過傾斜捆綁以及限位塊，能夠有效確保航空集裝板在運輸或裝卸過程中固定可靠，同時通過有限元分析，校核了該結構強度的合理性，采用捆綁法替代后擋板，還使得后擋板總成達到減重效果，有效地提高了運力，節約了成本。改進前后對比如表2所示。

5 結語

本文針對某多式聯運托盤試驗過程中，后擋板質量過大且強度不足的問題進行了優化，通過改進限位塊和采用傾斜捆綁方式替代原后擋板，實現了對貨物的有效固定，同時通過有限元分析驗證了設計的合理性。

表2 改進前后對比

[1] 李紅勛,賈英杰,李立順.某多式聯運整裝整卸托盤裝置結構設計與有限元分析[J].起重運輸機械,2016(01):37-39.

[2] 李立順,孟祥德,詹雋青等.基于SolidWorks的整體自裝卸車虛擬設計與運動仿真[J].起重運輸機械,2007(03):21-23.

[3] 汪一立.車輛貨物約束系統側翻力學特性的研究[D].武漢理工大學,2010.

[4] 汪小玲.基于安全機制的車輛貨物約束系統啟停過程的力學特性分析 [D].武漢理工大學,2011.

Structure Improvement Research Based on Multimodal Transport Tray of Self-loading/unloading Vehicle

PENG Chao et al

This paper takes multimodal transport pallet of overall self-loading and unloading vehicle as the research object, finite element analysis is carried out on the existed problems in the test of components, and an improved scheme is put forward.Through the analysis, improvement scheme can better solve the problems.

multimodal tray device; finite element analysis;improvement research

彭超，男，1993年生，碩士研究生，現從事特種車輛仿真研究。

U469.4.03

A

1004-0226(2017)07-0095-04

2017-03-13