一款馱背運輸鋁合金廂式半掛車

1.中車眉山車輛有限公司 魏清嶺 張超德 江明星

2.眉山物流裝備有限公司 林武

結合國內馱背運輸的發展狀況，為更好地滿足馱背運輸需求，進一步提高車輛載貨能力及運輸安全，特研制了一款用于馱背運輸的鋁合金廂式半掛車。介紹了車輛的研制目標、技術參數、結構特點及采用的新技術，并對車輛進行了剛度、強度的分析。

隨著我國經濟結構調整、產業轉型升級的不斷深入，我國綜合運輸行業正在經歷一場改變傳統運輸模式的變革。在這場變革中，積極推廣歐美國家已經較為成熟的馱背運輸模式，將成為我國交通運輸向現代物流運輸轉型發展的必由之路。

馱背運輸鋁合金廂式半掛車的研制，符合公路、鐵路運輸相關標準及限界要求，滿足公鐵聯運馱背運輸需求。主要解決了車輛整體輕量化的問題，不僅承載性能有所提升，而且還提升了運輸效率，增值降耗、綠色環保也符合國家低碳經濟發展目標。

研制目標

馱背運輸鋁合金廂式半掛車的研制應達到以下目標：

a.同時滿足鐵路馱背運輸滾裝、吊裝運輸要求；

b.滿足甩掛運輸要求，適應既有公路裝、卸貨設施，也適應鐵路聯運裝備；

c.研究應用空氣懸架、盤式制動、EBS等技術，提高運輸安全性；

d.研究應用公鐵聯運公路半掛車裝載加固技術，提高運輸安全性；

e.研究應用智能化裝備和系統，提高公路運輸安全性，提高運輸效率；

f.研究應用輕量化、高強度車體，采用輕量化材料，整備質量≤6.5t。

主要特點

a.采用廂體和車架整體焊接式全承載結構，材料主要選用6082-T6鋁合金型材和高強度鋼；

b.廂體各部件采用中空鋁合金型材制作，降低自重，提高工藝性；

c.采用高行程電動支腿，可翻轉式后防護裝置；

d.采用創新性氣囊防分離結構，保證吊裝時不會損傷氣囊；

e.采用盤式制動和EBS制動控制系統，提高制動安全性和側翻穩定性；

f.廂箱體裝配智能系統Troutur，可以實時傳遞記錄車輛位置、車輛載荷、車廂內裝載情況分布等信息。

主要技術參數及確定依據

馱背運輸鋁合金廂式半掛車主要技術參數如下：最大設計總質量為40t，車輛最大長度為13600mm，最大高度為4000mm，最大寬度為2550 mm，自重 ≤6.5t，容積為51 m3，軸數3根，軸距為1310mm，牽引銷結合面離地高為1245 mm，最小轉彎直徑為24 m，最大駐坡度為18%，鐵路工況符合GB 146.1-1983 《標準軌距鐵路機車車輛限界》。

根據GB 146.1-1983《鐵路機車車輛限界》和GB 1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質量限值》的綜合考慮，整車高度確定為4000mm, 寬度為2550mm，鐵路車輛承載面高度278mm。根據《鐵路貨物裝載加固規則》附件3中，貨物裝載限界圖的要求，該車在其指定的鐵路車輛上運輸距離限界98mm，滿足鐵路運輸要求。如圖1所示。

圖1 限界校核圖

主要結構

該車主要由車體、走行制動系統、智能管理系統、防分離裝置、捆綁加固裝置等組成。如圖2所示。

圖2 整車結構照片

1.車體組成

車體由車架、廂體組成，為全承載式整體焊接結構。廂體為鋁合金型材焊接形成的框架結構，車架為鋁合金與高強度鋼鉚、焊復合結構，廂體落在車架上，廂體底板與車架縱梁上翼板之間通過焊縫連接。結構形式如圖3所示。

圖3 車體結構三維圖示

1.1 車架結構

車架由縱梁、牽引裝置、鵝頸橫梁、吊點橫梁、支撐橫梁、中部橫梁組成。結構如圖4所示。

圖4 車架三維結構圖

縱梁為上、下翼板與腹板組焊而成的工字型魚腹結構，材質為6082-T6鋁合金。由于車架與走形部件承受交變載荷作用工況復雜，因此牽引裝置、鵝頸橫梁、吊點橫梁、支撐橫梁、中部橫梁等部件均為高強度材料制成，與縱梁的連接采用拉擠鉚接的型式。

牽引裝置的牽引板、牽引橫梁、牽引銷橫梁、牽引縱梁、連接板、三角塊及牽引銷等鋼制零部件為焊接連接。牽引裝置與縱梁下翼板的連接采用10.9級內六角沉頭螺釘連接。螺母采用10.9級防松螺母。與車架縱梁連接采用拉擠鉚接的方式，縱梁腹板上孔徑13.5mm,連接板厚度為16mm，采用MTD-T12-20、套環MTT-T12G連接。具體結構形式詳見圖5。

圖5 牽引裝置三維結構圖

1.2 廂體結構

廂體包括端墻、側墻、底板、頂圍等部件，均由牌號為6082-T6的材質的大斷面中空擠壓鋁合金型材焊接而成。通過螺栓連接外門框及側墻板。底板四周與左右、前圍下邊梁、后門框下邊梁滿焊；底板之間對接焊縫滿焊。頂弧桿與左右側邊梁鉚接，起吊點加強梁與左右邊梁焊接。

6082-T6鋁合金材料為硬度95HB的Al-Mg-Si系合金材料，其抗拉強度可達310MPa，非比例延伸強度為260MPa，是一種熱處理型的耐腐蝕性合金。該合金可成型性、焊接性、機加工性良好，韌性高、加工后不變形?？垢g性及氧化效果較好。由于廂體各部件采用6082-T6中空鋁合金型材焊接結構，在降低自重、增大容積的同時，整體焊接結構強度、剛度及整體性有所提高，再加上鋁合金較高的回收價值，因此與同級別的全鋼結構車型相比可以取得較好的綜合經濟性。

1.3 鋁合金焊接工藝性分析

廂體及車架縱梁等主要部件為鋁合金焊接結構，在焊接構成中，各部件焊接主要采用手工MIG焊（熔化極惰性氣體保護焊）和專機MIG焊，其中專機焊接量在80%以上，保證焊縫連接部位強度不低于母材強度的70%。由于鋁合金在焊接過程中極容易產生氣孔、裂紋、咬邊、未焊透、未熔合等缺陷，因此在試制過程中為減小焊接缺陷，針對鋁合金焊接過程中容易發生的典型問題，主要采用了以下的控制方法：

a. 為了減小焊縫金屬熱影響區的裂紋敏感性，在焊接過程中選用了熔化溫度低于母材的焊縫金屬。焊縫金屬避免鎂與銅的組合，因為Al-Mg-Cu有很高的裂紋敏感性。

b. 為控制焊縫塑性變形在合理的范圍內，禁止選用含硅焊絲，由于含硅焊絲的塑性較差，對有塑性要求的焊接部位建議不選擇。

c. 選用與母材匹配的焊絲及純度滿足要求的保護氣體，嚴格按照焊接操作規程對焊接區域進行焊前清理、打磨，清除母材表面的氧化膜及油污，擦洗吹干母材表面的油污及水分。

d. 焊絲應密封放置，焊接場地設防風裝置，選擇合理的焊接參數、坡口型式和裝配間隙，焊前需按工藝要求進行預熱。

1.4 走行制動系統

走行制動系統主要由輪軸懸架總成、EBS制動系統等組成，結構原理如圖6所示。

圖6 制動系統原理圖

圖7 不同時速時有無EBS制動距離對比

牽引車采用雙回路的制動系統，半掛車采用與其配合的雙管路充氣制動系統，主要由ECU控制器、掛車模塊、制動信號傳輸器、ABS電磁閥、比例繼動閥、氣制動連接裝置等組成。氣制動連接裝置符合GB/T 13881-2019 《道路車輛牽引車與掛車之間氣制動管連接器》的規定，EBS系統型式及接口符合GB T 20716.1-2006 《道路車輛牽引車和掛車之間的電連接器第1部分：24V標稱電壓車輛的制動系統和行走系的連接》的規定。該套制動系統已經通過試驗驗證，其性能滿足GB 12676-2014 《商用車輛和掛車制動系統技術要求及試驗方法》要求。EBS與ABS系統相比，制動距離短了許多。根據威伯科（Wabco）數據顯示，同樣的車速和車況，在50km/h的時候帶EBS的車制動距離可縮短5m，80km/h的時候制動距離縮短20m，90km/h的時候帶EBS的車制動距離縮短17m。數據對比情況詳見圖7所示。

1.5 智能管理系統（Wabco）

車體上裝有T-Router監控系統，該系統內置GPS，并與TEBS裝置連通，通過TEBS提供電源，將車輛信息傳遞給監管平臺。系統控制原理如圖8所示。

智能管理系統主要功能如下：

a. 通過無線傳輸裝置，實時傳遞車輛位置信息；

b.讀取TEBS數據，包括防側翻激活信息和車橋載荷?？梢粤炕L險，結合路線和位置信息，有針對性分析發生側翻的風險因素；

c. 實時了解掛車狀態信息包括：位置、安全、載荷、輪胎胎壓等；

d. 倒車時，檢測到在尾部盲區50～200cm內有物體或者墻壁，自動剎車。

圖8 智能管理系統控制原理圖

1.6 防分離裝置

由于半掛車在馱背運輸過程中，在吊裝作業時輪軸總成在自重的作用下產生向下的力，傳統結構的車型氣囊通過連接板與車架剛性連接，輪軸下墜的過程中導致氣囊受到較大的拉力，非常容易造成氣囊損壞。帶有防分離裝置的車輛，在車輛吊裝作業時氣囊處于自由狀態，由氣囊分離器承受輪軸產生的拉力。氣囊分離器是其中一種有效且方便的保護措施。分別在以下幾個工況對系統起到保護作用。具體結構如圖9、10所示。

a.車輛在公路上正常行駛時，掛車整備質量即可將氣囊按壓在預先設定好的工作位置，保證車輛正常工作。

圖9 不同工況時氣囊狀態圖示

圖10 防分離裝置三維結構圖

b.當準備吊裝作業時,氣囊內氣壓下降，控制氣囊有規律收縮，避免造成氣囊損傷。

c.當半掛車被吊起裝卸時，由于氣囊分離器使氣囊和上面的支架分開，保證氣囊不會在真空狀態下被拉長，避免造成氣囊損傷。

d.當吊裝工作結束后，氣囊在車體自重及導向裝置的作用下，回到工作位置，避免了氣囊無規則收縮造成損壞。

1.7 捆綁加固裝置

鋁合金馱背運輸半掛車廂體內貨物的栓固采用腹板、撐桿進行縱向固定、雙層隔貨，車廂裝滿貨物時，最末端貨物設有擋桿，不依賴車廂后廂門作為限位固定，確保打開廂門貨物不會跌落。車廂未裝滿時在最末端貨物處使用撐桿進行阻擋。避免貨物直接沖擊前墻、后門，中間阻斷裝置可水平承受12kN的均布載荷，地板上設置下沉式栓固環，便于散貨的捆綁加固在地板上設置栓固環。能夠滿足不同堆碼要求的貨物運輸需求。具體結構及裝載效果詳見圖11～13所示。

圖11 固貨裝置布置三維模型

圖12 固貨裝置實物照片

圖13 雙層隔貨實景照片

分析計算

為了保證鋁合金馱背運輸車結構的強度和剛度滿足設計要求，準確預測在各載荷工況作用下應力分布，委托高校應用有限元分析軟件(ANSYS)對其結構靜強度進行了分析。

鋁合金馱背運輸車有限元模型采用空間笛卡爾坐標系。其幾何模型和有限元離散模型如圖14、15所示。

圖14 鋁合金馱背運輸車幾何模型

圖15 有限元模型

鋁合金馱背運輸車剛度和靜強度有限元分析計算時，車體承受的質量和載荷為靜態滿載情況。該鋁合金馱背運輸車設計總重40t，其中自重為6.5t，均布載重33.5t。

1. 評估標準

根據強度理論，當應力值達到材料的強度極限（或屈服極限）時，材料就會發生斷裂破壞（或塑性變形）。車架在各種工況下，各部位的應力值不能超過材料的許用應力極限。根據強度要求和材料特性，可選擇單元結點處的最大拉應力、最大剪應力或綜合應力作為強度校核基準。

1.1 剛度校核

最大撓度：f≤2L/1000

式中，f為最大撓度；L為半掛車軸距，mm 。

1.2 強度校核

高強度鋼B510L和鋁合金T6082-T6的屈服強度應力詳見表1。

表1 制造材料力學性能及各工況下校核標準

2. 計算結果與評估

2.1 車架剛度計算結果與評估

鋁合金馱背運輸車車架在滿載作用下，車架底架的最大垂向變形為4.14mm，小于車架測量長度的2‰（允許變形數據：8 1 1 0×0.002=16.2mm）。計算結果云圖詳見圖16所示，對比理論與實際計算值后確定該車剛度滿足評估要求。

圖16 滿載情況下車體結構變形圖（放大10倍）

2.2 車體靜強度計算結果與評估

2.2.1 彎曲工況

鋁合金馱背運輸車在此計算工況下各節點當量應力及最大應力部位周邊應力如圖17、18所示。該工況最大應力出現在BOTTOM面，其最大當量應力為406.582MPa；車體采用鋁合金6082-T6的部分最大當量應力為131.185MPa，出現在氣囊安裝板與縱向梁螺栓連接處，小于該處材質（鋁合金6 0 8 2-T 6）的屈服強度（260MPa）。

2.2.2 扭轉工況

圖17 BOTTOM面當量應力云圖

圖18 BOTTOM面最大應力周邊云圖

鋁合金馱背運輸車在此計算工況下各節點當量應力及最大應力部位周邊應力如圖19、20所示。該工況最大應力出現在如圖所示的TOP面，其最大當量應力為400.379MPa；車體采用鋁合金6082-T6的部分最大當量應力為160.432MPa，出現在起吊梁與縱向梁螺栓連接處，小于該處材質（鋁合金6082-T6）的屈服強度（260MPa）。

2.2.3 吊裝工況

在此計算工況下各節點的當量應力如圖21所示，其最大當量應力為252.981MPa；最大應力部位周邊當量應力如圖22所示。出現在起吊梁與縱向梁螺栓連接處，小于該處材質（鋁合金6082-T6）的抗拉強度（310MPa）。

仿真分析結果表明該車各強度計算工況的最大當量應力均小于該處所用材料在相應工況下的許用應力或者屈服強度，該鋁合金馱背運輸半掛車的強度、剛度滿足要求。

結語

鋁合金馱背廂式運輸半掛車總體結構、主要技術參數、仿真分析結果，滿足滿足各個工況相關標準的要求，全鋁合金車體承載結構及固貨腹板等采用了創新方案，空氣懸掛、EBS制動系統、氣囊防分離裝置等，為國內領先采用的新技術，填補了國內馱背運輸領域空白，為我國馱背運輸裝備技術的發展起到了很好的引領作用。

圖19 TOP 面 當量應力云圖

圖20 TOP 面 最大應力周邊

圖21 鐵路工況作用下車體當量應力云圖

圖22 鐵路工況下車體最大應力周邊云圖