公路大件貨物運(yùn)輸支座選取研究

鮮 飛,曾傳華，張一寒，劉思源

(西華大學(xué)汽車(chē)與交通學(xué)院， 四川 成都 610039)

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)大型工程項(xiàng)目投資力度的加大，設(shè)備的超大集重已是普遍現(xiàn)象，為解決減小貨物重力對(duì)液壓平板車(chē)架的變形作用，以及針對(duì)貨物本身的強(qiáng)度以及與車(chē)板不能直接接觸等問(wèn)題，采用在運(yùn)輸過(guò)程中使用支座去分載貨物作用于車(chē)架的力，同時(shí)做到貨物與車(chē)板不直接接觸，以保護(hù)貨物。

已有的研究中，大件貨物運(yùn)輸所需支座數(shù)量以及位置的研究大多是基于臥式容器的貨物運(yùn)輸，臥式容器運(yùn)輸所需支座的數(shù)量及位置主要根據(jù)容器設(shè)計(jì)強(qiáng)度決定。如顧玉鋼利用分析設(shè)計(jì)方法建立非等距4支座的大型壓力水罐有限元分析計(jì)算模型，計(jì)算出由支座引起的容器最大局部強(qiáng)度的周向應(yīng)力，所得結(jié)果與容器設(shè)計(jì)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，判斷支座的放置位置以及數(shù)量選擇的可行性[1]；王穎聰通過(guò)研究支座位置變化過(guò)程中臥式容器應(yīng)力分布情況，來(lái)判斷支座放置位置的合理性[2]?；诜桥P式容器的常規(guī)貨物運(yùn)輸所需支座數(shù)量以及位置的研究，大多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)支座承載車(chē)板的力學(xué)分析來(lái)確定。

本文通過(guò)對(duì)臥式容器所需支座數(shù)量影響因素的分析，建立三水平三因素實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，使臥式容器在運(yùn)輸時(shí)對(duì)所需支座數(shù)量的選擇有一定的理論參考。同時(shí)，對(duì)常規(guī)貨物提出了依據(jù)車(chē)板長(zhǎng)度以及擺動(dòng)軸排數(shù)的奇偶性來(lái)確定所需支座的數(shù)量以及位置，這種確定方法在實(shí)際中具備一定的可操作性。

1 臥式容器支座數(shù)量與位置分析

大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算分析表明，影響支座數(shù)量與位置的是容器在支座截面處的軸向應(yīng)力、周向應(yīng)力以及切向剪切力，其中最大局部應(yīng)力為周向應(yīng)力，因此判斷支座數(shù)量與擺放位置合理與否主要根據(jù)所產(chǎn)生的最大局部周向應(yīng)力是否超過(guò)容器本身的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，使容器與支座接觸部分發(fā)生不可恢復(fù)變形或者是頂部“塌陷”來(lái)確定。由中徑公式可知，容器的設(shè)計(jì)壓力與其壁厚線(xiàn)性相關(guān)，對(duì)于設(shè)計(jì)壓力小、容器筒體壁薄的大直徑臥式容器，支座數(shù)量與位置選擇不合理都會(huì)使容器發(fā)生局部塌陷[3]。

支座數(shù)量的確定要考慮容器強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在強(qiáng)度方面，支座最優(yōu)位置的確定，應(yīng)滿(mǎn)足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定要求；在穩(wěn)定性方面，主要體現(xiàn)在整體剛度不足失穩(wěn)、支座處容器筒體頂部扁塌以及筒體中部截面扁塌。由分析可知，支座數(shù)量的選擇主要受設(shè)計(jì)壓力pc、筒體內(nèi)徑D0、兩封頭切線(xiàn)間距離L的影響，因此建立三因素三水平的正交模擬實(shí)驗(yàn)，取如表1所示的三水平下三因素的不同取值[4]。

表1 三水平下三因素的不同取值

將一般大型臥式容器所需要的最少支座數(shù)量作為決策值，參照表1中三因素的取值，配比如表2所示的正交實(shí)驗(yàn)方案表[4]。

表2 三因素影響下支座個(gè)數(shù)正交實(shí)驗(yàn)方案表

表3 回歸統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

表4 方差計(jì)算結(jié)果

表5 回歸參數(shù)計(jì)算結(jié)果

依據(jù)表5中回歸系數(shù)計(jì)算結(jié)果，得到pc、D0、L與支座個(gè)數(shù)n之間的擬合關(guān)系，最終得到如式(1)多元線(xiàn)性回歸方程式。同時(shí)把計(jì)算得到的n值圓整作為大型臥式容器運(yùn)輸過(guò)程中所需要的支座數(shù)量推薦值，再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理調(diào)整，為支座的數(shù)量選擇提供一個(gè)可靠的選擇方法。

n=-5pc+0.0002L+0.0029D0+2.6111。

(1)

因支座擺放位置的不同，支座所承受的力也會(huì)隨之發(fā)生變化。對(duì)于最兩端的支座來(lái)說(shuō)，隨著其位置不斷向貨物重心靠近，周向應(yīng)力會(huì)有一個(gè)漸變的過(guò)程。當(dāng)最兩端的支座與各自端點(diǎn)處封頭切線(xiàn)的距離A≤0.5D0(D0為容器筒體內(nèi)徑)時(shí)，周向應(yīng)力不變；當(dāng)0.5D0D0時(shí), 此時(shí)的支座邊角處周向應(yīng)力最大，在此過(guò)程中周向應(yīng)力的某一值超過(guò)容器材料的許用應(yīng)力，對(duì)容器造成破環(huán)，即最兩端的支座放置位置在A=0.5D0附近[6]。

除兩端的支座外，中間的所有支座擺放位置的合理性是根據(jù)容器在支座圓筒截面處的周向力大小來(lái)決定的[7-8]。本文以某一具體實(shí)例為例，選用3個(gè)支座，分析其位置不同時(shí)支座反力大小變化情況，所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示[9]，引入均勻度概念來(lái)表示支座反力變化程度。

表6 三支座反力計(jì)算結(jié)果

從支座反力不均勻度分析結(jié)果可知，當(dāng)中間支座位置處于圓筒中部位置時(shí)，支座不均勻度最小。而此時(shí)，對(duì)支座容器截面處的彎矩求解結(jié)果表明，隨著容器中間位置處的支座不斷向容器最兩端的支座靠近時(shí)，支座反力的不均勻度越大，即三支座處各自的受力情況將發(fā)生差異性。當(dāng)其中某支座反力增加到某一極限值時(shí)，此支座處圓筒截面的周向應(yīng)力超過(guò)容器設(shè)備本身的許用應(yīng)力，造成容器損壞。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明中間支座的放置位置要均勻分布，等距布置，此時(shí)每個(gè)支座所承受力的大小相互之間近乎相等，一旦中間某個(gè)支座位置不是等距分布，則會(huì)導(dǎo)致某中一個(gè)支座的支座反力變大，當(dāng)這種支座反力不斷增加時(shí)，會(huì)引起容器局部周向應(yīng)力變大進(jìn)而超過(guò)容器材料許用應(yīng)力值，對(duì)設(shè)備造成破壞。表7以實(shí)際中的兩個(gè)項(xiàng)目為實(shí)驗(yàn)對(duì)象[10-11]，得到中間支座位置均勻分布后支座反力數(shù)據(jù)(兩個(gè)項(xiàng)目的操作均采用的是8支座)。

表7 多支座下臥式容器的支座反力計(jì)算

2 非臥式容器的常規(guī)貨物支座數(shù)量與位置分析

針對(duì)非臥式容器的常規(guī)貨物，在多支座支撐下具有超重、橫截面積大等特點(diǎn)，同時(shí)貨物的剛性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于掛車(chē)的剛性。一般來(lái)說(shuō)，貨物的慣性矩是掛車(chē)主縱梁慣性矩的260倍以上。由材料力學(xué)可知，慣性矩反映了梁式構(gòu)件的縱向剛度，也就能從側(cè)面反映出貨物的剛性。支座的需求主要是分載，避免掛車(chē)在某一處受較大的集中載荷，使掛車(chē)車(chē)架發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變形，引發(fā)貨物在運(yùn)輸過(guò)程中的安全問(wèn)題。根據(jù)實(shí)際工程運(yùn)輸項(xiàng)目，結(jié)合市場(chǎng)上現(xiàn)有的平板車(chē)型以及其許可彎曲力矩，對(duì)于多支座的貨物運(yùn)輸在支座數(shù)量選擇與位置布置上與臥式容器有很大的不同，如圖1為貨物多點(diǎn)支撐和支撐間距示意圖。對(duì)于A1、A2、B1、B2、Bn的取值，在實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中考慮由于行車(chē)道的坡度/傾斜，貨物的有效載荷重心偏移情況，會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，針對(duì)常用車(chē)型在實(shí)際過(guò)程中的情況，總結(jié)調(diào)整參數(shù)如表8以及表9所示。

圖1 多點(diǎn)支撐和支撐間距

表8 不同擺動(dòng)軸懸垂A及跨距B的取值

表9 3排擺動(dòng)軸懸垂A及跨距B的取值

為了不超過(guò)車(chē)板的許可彎曲力矩，對(duì)于支座的數(shù)量與位置布置如圖1所示：(1)懸垂A1和A2長(zhǎng)度不得超過(guò)Amax；(2)支座跨間距離B1、B2、…、Bn不得超過(guò)Bmax。

3 案例分析

如圖2為費(fèi)托合成反應(yīng)器相關(guān)尺寸參數(shù)。重心位置距離裙座最邊緣27 233 mm，處于反應(yīng)器中軸線(xiàn)上；兩端封頭切線(xiàn)之間的距離為49 500 mm，容器內(nèi)徑為9 600 mm，壁厚132 mm，設(shè)計(jì)壓力6.5 MPa。

由中徑公式可知，反應(yīng)器薄壁厚度滿(mǎn)足強(qiáng)度及剛度設(shè)計(jì)要求，不需要進(jìn)行高壓壁厚補(bǔ)償，根據(jù)式(1) 計(jì)算結(jié)果可以得到費(fèi)托合成反應(yīng)器運(yùn)輸過(guò)程中所需要的支座數(shù)量n=-5pc+0.0002L+0.0029D0+2.6111=-5×6.5+0.0002×49500+0.0029×9600+2.6111=7.85,圓整后為支座所需數(shù)量推薦值n=8。由支座設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，每個(gè)支座重17 t。根據(jù)貨物自身重量1 855 t，以及設(shè)備相關(guān)尺寸φ9 860 mm×130 mm×54 400 mm，按平板車(chē)每軸線(xiàn)最大承重48 t，每軸線(xiàn)自重為4 t，配備6縱列20軸線(xiàn)的初步配車(chē)方案；貨物和支座總重為G1=1855t+17×8t=1991t；軸線(xiàn)總重G2=4×3×20t=240 t；軸線(xiàn)最大承載為：Gmax=483×20t=2880t；可以得出軸線(xiàn)承載率為δ=(G1+G2)/Gmax×100%=77%，說(shuō)明初始配車(chē)方案合理。

圖2 設(shè)備尺寸參數(shù)

由上文可知，在支座數(shù)量推薦值確定后以及依據(jù)上述所確定的配車(chē)方案，同時(shí)考慮費(fèi)托反應(yīng)器本身設(shè)備尺寸及轉(zhuǎn)臺(tái)擺放位置、法蘭盤(pán)位置等情況，對(duì)支座數(shù)量進(jìn)行調(diào)整修正后僅需要6個(gè)支座，經(jīng)過(guò)實(shí)際校核計(jì)算分析滿(mǎn)足運(yùn)輸要求。根據(jù)實(shí)際確定的支座數(shù)量和支座位置擺放原則，最兩邊的支座距離封頭距離4 700 mm=0.5D0<9 400 mm

圖3 支座位置分布圖

支座相對(duì)于設(shè)備的位置是以設(shè)備裙座底部為基點(diǎn)，每個(gè)支座的中心線(xiàn)離裙座底部的距離如表10所示(支座從右到左依次編號(hào)，單位mm)。

表10 支座位置相對(duì)于反應(yīng)器位置

由表8以及表9數(shù)據(jù)參考取值可知，對(duì)于該項(xiàng)目所采取的配車(chē)方案每軸線(xiàn)6排擺動(dòng)軸：Amax=6.3 m，Bmax=14 m。根據(jù)圖4支座在平板車(chē)上的放置位置可知，兩端支座離車(chē)板端梁處的距離分別為2 900 mm、5 500 mm，均小于Amax，中間支座最大跨距為5 700 mm

表11 支座離車(chē)板端梁的距離

圖4 支座在平板車(chē)上的擺放位置

4 結(jié)論

本文對(duì)大件貨物在運(yùn)輸中所需要的支座數(shù)量以及位置進(jìn)行研究，提出了臥式容器以及非臥式容器常規(guī)貨物支座數(shù)量及位置確定方法。

對(duì)于臥式壓力容器，運(yùn)輸所需支座的數(shù)量根據(jù)容器本身的設(shè)計(jì)壓力、筒體內(nèi)徑、兩封頭切線(xiàn)間距離L共同決定，除最兩端的支座外，每個(gè)支座的擺放位置均勻分布放置，但同時(shí)也要根據(jù)設(shè)備本身的法蘭、凸起等情況進(jìn)行調(diào)整，最兩端的支座擺放位置在0.5附近。

非臥式容器的常規(guī)貨物運(yùn)輸所需支座數(shù)量及位置可根據(jù)車(chē)板長(zhǎng)度來(lái)確定，通過(guò)確保車(chē)板所受力矩不超過(guò)其許可彎曲力矩，來(lái)保障貨物運(yùn)輸?shù)陌踩?/p>