模塊化的雙掛汽車列車研究

摘要：雙掛汽車列車運輸是一種新的模塊化運輸方式，具有高效低碳等優點。該種車型長度較長、總質量較大，再加上運輸模塊增多，導致車輛安全性能變差。為此，系統地梳理了多掛列車車輛型譜，提出了適合國內運輸的雙掛汽車列車方案，并應用車輛主動安全技術提升汽車列車安全性能。

關鍵詞：雙掛汽車列車;模塊化;多掛列車車輛型譜;車輛主動安全技術

中圖分類號：U469" 收稿日期：2023-02-12

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.03.014

1 研究背景

2017-2021年期間國內牽引車輛和掛車的數量在全部營運貨車中的比重從30.65%提升到60.17%，營運貨車重載化、大型化、列車化的趨勢十分明顯。快遞、快運行業發展迅猛，快遞業務量從2017年的400.56億件上漲到2021年的1083.00億件，這種發展對運輸的時效性、運輸裝備的容積提出了新的要求，亟需研制出大容量的雙掛汽車列車，以促進運力提升和優化運輸組織結構［1］。

2015年6月，交通運輸部發布了《交通運輸部關于開展超長汽車列車試點工作的批復》（交運函（2015）436號），同意將貨車、半掛車、中置軸掛車等貨物運載單元進行組合，組成超長汽車列車從事運輸作業，為提升我國貨運車輛裝備水平進行有益探索和創新。

在歐美等發達國家，雙掛汽車列車是一種成熟的運輸方式。根據國外運營經驗，雙掛汽車列車運輸模式可以實現運輸節能化和高效化，對比普通牽掛組合，減少牽引車數量，減少駕駛員，每噸公里CO2排放量降低15%～20%，節約25%的道路運輸空間，減少道路車輛流量、改善交通安全現狀。

相比之下，我國的GB 1589—2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質量限值》限定了車輛的長度、最大總質量，至今為止雙掛汽車列車未見商業化運行，隨著我國交通體系不斷完善和物流行業的蓬勃發展，現有標準必將突破，雙掛汽車列車將推廣應用［2］。

2 總體結構選型

即將頒布的《道路車輛汽車列車多車輛間連接裝置強度要求》標準修改采用ISO18868：2013，與國際標準在技術內容基本保持一致，根據我國車輛軸荷、質量限值標準進行測算，并與現行有效的國家法律、法規、標準保持一致，重新繪制了多掛列車車輛型譜（表1），根據歐美澳等常用的雙掛汽車列車結構型式和實際的應用情況，標準刪除了ISO18868：2013第4章中4.4條款規定的車型，該車型采用了牽引貨車+中置軸掛車+中置軸掛車的組合方式（圖1），僅作為試運行車型驗證過，在國外實際應用較少，且裝卸貨的便捷性和效率不高，因此該類型汽車列車被刪除。

A型掛車是指掛車在車輛后部裝有連接裝置，用于牽引中置軸掛車或牽引拖臺的半掛車，B型掛車是指在車輛后部裝有牽引座，用于牽引另一輛半掛車的半掛車（見圖2），C型掛車是指不具備牽引功能的半掛車。牽引拖臺是指用于與半掛車組合使用，由一個軸或一組軸和牽引座組成的被牽引車輛（見圖3）。在車輛設計過程中，依據多掛汽車列車車輛型譜，使車輛能夠適應我國運輸路況、工況。

Ⅳ型汽車列車采用牽引拖臺連接前后車輛，相對來說增加了車輛長度、車軸數量、裝載質量和一個鉸接的自由度，總長度加長、總重量加大，再加上運動模塊增多，車輛易產生側滑、甩尾、側翻等危險工況。Ⅰ型汽車列車為A型掛車牽引中置軸掛車，牽引連接裝置為牽引桿連接器與牽引掛環，Ⅲ型汽車列車為牽引貨車+牽引拖臺結構，顯然牽引拖臺、牽引桿連接裝置增加了車輛長度，參考國外試驗數據，通過“后部放大系數（Rearward Amplification，簡稱RA）”評定雙掛汽車列車的行駛穩定性，Ⅱ型汽車列車后部放大系數為1.55，也是4種汽車列車模式中最小的，即行駛穩定性最好的，綜上車輛總體結構選取Ⅱ型汽車列車，連接裝置為牽引銷與牽引座，車輛整體結構緊湊，有效縮短汽車列車長度，改善汽車列車的機動性［3］。

3 整車介紹

隨著集裝箱運輸方式的興起，集裝箱運輸車能夠實現運輸機械化、標準化作業，可充分發揮集裝箱運輸的優勢，在公路集裝箱運輸中起著不可替代的作用，B型半掛車和C型掛車車型為集裝箱運輸半掛車，秉承綠色低碳設計理念，一臺牽引車運輸更多的貨物，可減少碳排放、減少道路磨損。該雙掛汽車列車突破了GB 1589—2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質量限值》質量限值（49 000 kg）長度限值（17 100 mm）要求，但軸荷符合法規要求，可在特定路線試點運用。

整車由牽引車、B型掛車和C型掛車等組成，雙掛汽車列車可裝運1個1AA型40英尺（12.192 m）集裝箱，裝運1個1CC型20英尺（6.096 m）集裝箱（圖4）。根據GB 1589—2016要求，牽引車驅動軸每軸每側裝備空氣懸架，最大總質量限值增加1 000 kg，牽引車最大總質量可達到26 000 kg，掛車三軸組最大允許軸荷限值為24 000 kg，可確定多掛汽車列車總質量為74 000 kg（圖5）。

1.C型掛車" 2.1AA型40英尺集裝箱" 3.B型掛車

4.1CC型20英尺集裝箱" 5.牽引車

雙掛汽車列車主要技術參數如表2所示。

3.1 牽引車

汽車列車在行駛時易出現折疊、甩尾和蛇形等形式的橫向失穩狀態，尤其是在高速變道工況下會增加半掛汽車列車橫向失穩的可能性，為保證汽車列車運行安全及穩定性，牽引車應裝備電子穩定性控制系統（ESC）、自動緊急制動系統（AEBS）、車道偏離預警系統（LDWS）、EBS制動控制系統、360全景盲區監測系統、緩速器輔助制動裝置，6×4牽引車三橋配置空氣懸架，盤式制動器，可匹配EBS+ESC制動系統以增加車輛抗側翻穩定性、橫向穩定性及制動性能。GB/T 35782《道路車輛甩掛運輸技術條件》要求，汽車列車比功率（發動機凈功率/總質量）≥5.40 kW/t，牽引車發動機凈功率應≥74×5.4 kW=399.6 kW，選取牽引車功率412 kW，符合國Ⅵ排放標準。

3.2 B型掛車

該車主要由走行系統組成、牽引座組成、支撐裝置、車架組成、牽引銷，制動系統等組成（圖6）。走行系統由空氣懸掛、10 t盤式制動車軸、12R22.5-12PR輪胎、9.0-22.5鋼圈組成（圖7），C型掛車支撐裝置撐地后，B型掛車空氣懸掛氣囊放氣，B型掛車車架下降，C型掛車牽引銷和B型掛車牽引座快速分離，如此提高了運輸效率（圖8）。

B型掛車主要技術參數如表3所示。

牽引座組成由牽引座和墊板組成，牽引座型號GB/T 13880 FW 90-1，通過12個8.8級M16的螺栓、自鎖螺母連接牽引座墊板，墊板通過12個8.8級M16的螺栓、自鎖螺母固定在車架上，牽引座安裝符合GB/T 13880《道路車輛牽引座互換性》要求，牽引座墊板厚8 mm，材質為Q355B（圖9）。

B型掛車選用WABCO TRAILER-EBS E3-AXLES B-double ahead EBS（4S/2M）制動系統，系統需加裝掛車控制閥，該系統可根據實際載荷調整各軸制動力分配，其中ECU控制單元內置ESC電子穩定性控制模塊，對裝有ESC的牽引車，ESC控制模塊時刻檢測車輛當前的運行狀態，當相應的參數超過設定的限值時，ESC控制模塊會通過CAN總線控制EBS單元對車輛自動實施減速或制動控制，可根據車速、縱向和橫向加速度氣囊壓力等參數，在車輛側翻前實施制動。緊急繼動閥帶傳感器，實現制動壓力調控，掛車控制閥內置比例電磁閥，繼動閥和壓力傳感器，保留備壓控制，當前車EBS制動時，也對后車進行制動，通過CAN總線，將制動/控制壓力信號傳遞給C型掛車的ECU單元，以確保多輛掛車獲得最佳的制動響應時間。系統配置有牽引車握手（紅、黃）以便和C型掛車制動系統氣路連接（圖10）。

3.3 C型掛車

該車結構同普通集裝箱運輸半掛車，主要配置同B型掛車（圖11），制動系統選用WABCO-TEBS E-4S/2M。C型掛車因回轉半徑限制（圖12），前懸選取760 mm。

C型掛車主要技術參數如表4所示。

4 車輛靜強度分析

B型掛車結構及載荷不同于普通掛車，依據汽車列車多車輛間連接裝置強度要求，Ⅱ型汽車列車牽引車輛和掛車之間的縱向力D值（kN）計算公式：

式中，Ａ為連接裝置前部車輛最大允許總質量，41 t；Ｂ為連接裝置后部車輛最大允許總質量，40 t；UT為Ｃ型半掛車轉移至牽引座上的垂直質量，16 t；ｇ為重力加速度，9.81 m/s2。

經計算D值為133.416 kN，以上載荷工況加載到B型掛車有限元模型中，分別進行彎曲工況、扭轉工況、彎扭工況強度分析，計算結果表明彎扭工況應力最大，最大值264.95 MPa，出現在端部集裝箱鎖座座板孔處（圖13），小于該處材料的許用應力271 MPa。垂向變形為12.19 mm，小于車架測量長度的1.5‰（車架長度10 470 mm，允許變形15.705 mm）（圖14）。

5 主要技術特點

a.B型掛車、C型掛車采用了小鵝頸梁結構（鵝頸梁高120 mm），在滿足車輛強度剛度要求下，降低車輛承載面高度、整車質心。

b.采用牽引座和車架適配設計，載荷優化分配，使車輛軸荷分配合理，B型車架滿足牽引C型掛車和承受C型掛車載荷的要求。

c.采用可升降空氣懸掛系統，實現掛車之間的分離和連掛，提高運輸效率。

d.多種主動安全技術的應用，提升了汽車列車安全性能。

6 結語

本文對模塊化的雙掛汽車列車進行了研究，并建議在相關部門協助下，進行樣機試制及試驗，通過實測試驗，在技術和應用層面不斷累積經驗，逐步完善雙掛汽車列車性能測試評價方案，以推動我國雙掛汽車列車廣泛應用。

參考文獻：

[1]李源熟.在我國發展雙掛汽車列車運輸可行性的探討[J].公路交通科技，1995（2）25-28.

[2]張楷祥，周慶輝.半掛汽車列車高速變道橫向穩定性控制研究[J].車輛工程制造接術2022（4）：15-19.

[3]伍賽特.汽車列車技術現狀及發展趨勢研究[J].內燃機與配件，2021（2）：53-54.

作者簡介：

林武，男，1970年生，高級工程師，研究方向為物流運輸裝備研發。