配兩軸牽引車使用的LNG低溫半掛車設計

陳飛　周小翔　海航　趙林

摘要：國內LNG的運輸以低溫半掛車為主，考慮到運輸載重量的最大化，市場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。而國內法規限定LNG低溫半掛車的容積為52.6 m?，對應三軸低溫半掛車的滿載質量約為37 t，汽車列車滿載情況下的總質量約為46 t，達不到此方案49 t總質量的法規上限。現通過一系列技術方法對半掛車進行減重設計，可將低溫半掛車的滿載質量降到35 t，按照GB 1589-2016規定，這樣可以配兩軸牽引車使用，組成的五軸汽車列車總質量控制在43 t以內，能較大地降低運輸成本，提高運輸效率。

關鍵詞：LNG；低溫；半掛車；兩軸牽引車

中圖分類號：U462? 收稿日期：2023-02-25

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.014

1 前言

天然氣因為其具有清潔能源屬性，近年來在國內得到了大力發展。目前國內天然氣運輸方式除管道運輸外，均以公路跨區域運輸為主，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進行運輸。按照GB 1589-2016的規定，三軸牽引車與三軸低溫半掛車組成的六軸汽車列車，最大允許總質量限值為49 t，而目前這種配置的實際總質量約為46 t，利用率有較大的提升空間。

根據《移動式壓力容器安全技術監察規程》（TSG R0005-2011）第1號修改單的規定：真空絕熱罐體內容積不得大于52.6 m?。罐體容積限定，相當于限定了裝載質量，總質量達不到49 t的最大利用率［1］。查看GB 1589-2016標準可知，五軸的汽車列車最大允許總質量為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。考慮到兩軸牽引車的價格優勢更大，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，故優先選擇兩軸牽引車配三軸LNG低溫半掛車的方案來設計。

目前國內主流的主機車廠已經有成熟的危化品專用兩軸牽引車供選用，如東風牌DFH4180A4危險品半掛牽引車，其整備質量為6.805 t，準牽引掛車質量為35 t。由此將三軸LNG低溫半掛車總質量控制在35 t，再加上人員質量0.195 t，這樣汽車列車總質量為42 t，滿足GB 1589中五軸汽車列車最大允許總質量為43 t的要求。

目前市場上一般52.6 m?的三軸LNG低溫半掛車的整備質量（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，實際裝載的LNG質量為：

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量為：

35（半掛車總質量）-21（裝載質量）=14 t（低溫半掛車的整備質量）

LNG低溫半掛車的整備質量要從15 t降到14 t，相當于自重要降1 t。目前主流的LNG低溫半掛車已經進行過不同程度的輕量化設計，在此基礎上還要降1 t，必須對整個LNG低溫半掛車進行通盤考慮，將每個零部件逐一考慮輕量化方案，在不影響罐車整體強度和可靠性的基礎上，進行合理的減重優化設計。

2 優化設計方案

2.1 總體優化設計方案

兩軸牽引車的鞍座允許承載質量一般在11 t左右，半掛車總質量35 t設計，故后三軸處的承載質量定為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、行走機構與罐體的相對位置要大幅前移，才能滿足GB 1589和兩軸牽引車的鞍座允許承載質量要求。

按LNG低溫半掛車整備質量要降低1 t，自重要降低6.67%，減重的比例較大。將1 t進行分解，首先罐體部分要能進行占比較大的減重，才能實現總體的減重目標（圖1）。其余少部分的減重分在行走機構、閥門箱、支腿總成、牽引銷座總成、側防護欄總成等外圍部件上。

2.2 罐體部分優化設計

三軸LNG低溫半掛車的整備質量約15 t，罐體部分的質量一般超過10 t，罐體的質量所占整車質量的比重約為72%左右，故罐體的減重是優化設計的重點，具體的優化設計方案如下：

a.內容器罐體增加應變強化。以前應變強化技術一般用于工業氣體車罐體的設計，基于LNG罐車設計壓力0.65 MPa左右，相對優勢較小，故在LNG罐車上基本沒有應用。經過計算，在維持現有設計壓力情況下，按照T/CATSI 05001-2018《移動式真空絕熱深冷壓力容器內容器應變強化技術要求》法規要求計算，可將內容器筒體壁厚由5 mm降到4.5 mm，使用定制鋼板，封頭由6 mm降到5 mm，總計可減重約420 kg。

b.在保證內筒體剛度的前提下對加強圈進行優化設計，通過調整加強圈結構形式與布置位置等措施，減重共計102 kg。

c.針對外罐體進行優化設計，通過應力分析結合CGA方法計算，將外封頭厚度降到6.5 mm，調整外筒體加強圈布置等措施可減重80 kg。

d.優化設計罐體與行走機構連接的支撐結構，改變原有的V形梁+筋板的連接支撐結構，使用小截面鞍座結構，這種結構不但增強了罐體的剛度，而且能減重60 kg。

e.對罐體內的各種管件、支撐件等零部件進行優化設計，減重共計約40 kg。

通過以上一系列的優化設計措施，在保證原有罐體性能和容積的前提下，減重達到700 kg，對于相對成熟的LNG運輸半掛車來說，減重優化設計效果非常明顯。

2.3 外圍部件優化設計

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，其中行走機構重量占了大部分，故行走機構的減重、其余部件總成的輕量化就成了減重優化設計的主要方向，具體的優化設計方案如下：

a.根據GB 7258-2017《機動車運行安全技術條件》9.4條規定，危險品半掛車應裝備空氣懸架。根據標準執行后會發現，現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和配套的車軸，此配置的半掛車也是輕量化的產品，滿載總質量為35 t，比普通40 t級的半掛車輕，也是考慮使用輕量化空懸的原因。這樣車軸懸架系統可以減重200 kg。

b.目前國內半掛車的車架大部分都為鋼制焊接式車架，重量沒有優勢。而且在交通追尾事故發生后，車輛后懸尾部返修經常需要切割車架，維修不便利。為此研發了新的裝配式后懸（圖2），采用強度較高的鋁合金材料，與前部分車架采用螺栓裝配連接，不但減輕了質量，而且美觀實用便于后續返修。此項設計優化減重30 kg。

c.行業內首次在半掛車上采用開模的高強度鋁合金后防護（圖3），經過應力分析和試驗驗證，完全符合GB 11567-2017《汽車及掛車側面和后下部防護要求》的法規及強度要求。此項設計優化減重20 kg。

d.對支腿及支撐系統進行優化設計，使用JOST的鋁合金支腿，并對支撐組件進行優化設計，對支撐桿等部件全鋁化改進設計。此項設計優化減重20 kg。

e.根據35 t的總質量，結合可能使用兩軸牽引車牽引的需求并按照軸荷分配計算，將牽引銷座處的軸荷布置為11 t，這樣相對常規40 t級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，并優化了牽引銷座支撐結構，適配JOST KZ1010的牽引銷。通過此項設計優化減重10 kg。

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

集合種種的外圍部件的優化設計，外圍的部件一共實現了300 kg的減重，在滿足減重的設計理念下，還提升了產品品質和后期售后維修的便利性。

通過以上所有的減重措施，順利實現了1 t有余的減重優化設計，將半掛車整備質量控制在14 t以內，順利實現將滿載后半掛車總質量控制在35 t，可以搭配二軸牽引車組成五軸汽車列車使用。

3 結語

本文通過對現行標準法規的詳細解讀，并結合對現在國內市場上主流LNG低溫運輸半掛車與牽引車的搭配參數進行分析，探討出新的LNG低溫運輸半掛車與牽引車的搭配模式。在此搭配方案下，對LNG低溫半掛車進行全系統的研發設計，分析計算各系統可靠的優化設計參數，完全可以實現新搭配模式下對LNG低溫半掛車的參數要求。

新的運輸搭配方案在實現不減少原有LNG裝載量的同時，降低了汽車列車的軸數與總質量，可實現更低的車輛油耗和高速公路通行費用，符合現在全球綠色節能的理念。

參考文獻：

[1]張國昌52.6 m³LNG運輸半掛車的設計［J］.能源研究與管理，2015（4）：81-84.

作者簡介：

陳飛，男，1983年生，工程師，研究方向為低溫液體運輸專用車輛設計。