LNG 罐式集裝箱沖擊試驗研究

汪家偉，張良威，徐 力，姜瑞金

（中車長江運輸設(shè)備集團有限公司 科技開發(fā)分公司，武漢430212）

自2017 年政府工作報告提出“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”以來，加快改善生態(tài)環(huán)境特別是空氣質(zhì)量已經(jīng)被提上日程。LNG 作為一種清潔、高效能源也變得炙手可熱，越來越多的企業(yè)開始關(guān)注LNG 的存儲和運輸。LNG 罐式集裝箱作為一種存儲單元，可以提供海運、公路等多種運輸途徑，可以彌補管道運輸投入大、周期長的不足，為用戶提供靈活、便捷的物流服務(wù)，受廣大企業(yè)所青睞。LNG 罐式集裝箱沖擊試驗作為考核LNG 罐式集裝箱抗沖擊能力的一種檢測手段，能夠?qū)NG 罐式集裝箱在受到外力撞擊后的安全性和可靠性進行評判，在LNG罐式集裝箱設(shè)計制造中就顯得尤為重要。

1 LNG 罐式集裝箱沖擊試驗方法

1.1 基于沖擊響應(yīng)譜的LNG 罐式集裝箱沖擊試驗

對于一個單自由度振動系統(tǒng)，在受到外力沖擊作用時必然會產(chǎn)生一個瞬時響應(yīng)。沖擊響應(yīng)譜就是在描述單自由度振動系統(tǒng)受一定沖擊作用時，響應(yīng)的最大值與振動系統(tǒng)固有頻率或固有周期的關(guān)系的圖線［1］。根據(jù)聯(lián)合國《關(guān)于危險貨物運輸?shù)慕ㄗh書（試驗和標(biāo)準(zhǔn)手冊）第六修訂版》規(guī)定，在LNG 罐式集裝箱撞擊端底角件上布置加速度計，采集碰撞過程中加速度值的時域曲線，通過頻譜轉(zhuǎn)換得到系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)譜曲線，與標(biāo)準(zhǔn)SRS 曲線進行比對，當(dāng)沖擊響應(yīng)譜曲線全部到達標(biāo)準(zhǔn)SRS曲線上方時，表明此次沖擊達到了所需沖擊環(huán)境的要求，在此種環(huán)境條件下，罐箱的變形以及狀態(tài)就反應(yīng)出了罐箱承受沖擊的能力［1］。

1.2 罐式集裝箱沖擊試驗沖擊響應(yīng)譜力學(xué)模型［2］

圖1 給出了罐箱沖擊試驗沖擊響應(yīng)譜計算的力學(xué)模型，可以將該系統(tǒng)看成質(zhì)量為m，剛度系數(shù)為k，阻尼為c的單自由度系統(tǒng)。試驗罐箱通過鎖座固定在被沖擊車的撞擊端，u（t）為系統(tǒng)的輸入，代表沖擊車對被沖擊車的作用，輸入作用在被沖擊車上，以此為建立罐箱沖擊響應(yīng)譜的計算模型。

圖1 罐箱沖擊試驗沖擊響應(yīng)譜力學(xué)模型

根據(jù)模型，推導(dǎo)出系統(tǒng)的運動方程：

式中：δ(t)為被試集裝箱的相對位移，δ(t)=x(t)-u(t)；u(t)為被沖擊車的絕對位移；x(t)為被試集裝箱的絕對位移。

零初始條件下，被試集裝箱的相對位移響應(yīng)為：

2 LNG 罐式集裝箱沖擊試驗

2.1 試驗設(shè)備要求

（1）沖擊試驗線

能夠?qū)崿F(xiàn)沖擊車輛溜放作業(yè)并達到試驗速度的長直軌道，能牽引和溜放沖擊車的試驗設(shè)備。

（2）沖擊車

鐵路敞車一輛，車內(nèi)裝散粒貨物，總重不小于80 t。

（3）試驗臺座

鐵路平車一輛，用于承載被試罐箱，并傳遞縱向力。

2.2 檢測儀器要求

（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

沖擊試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要能夠完成動態(tài)數(shù)據(jù)的采集和處理，能夠?qū)崿F(xiàn)車速和沖擊響應(yīng)譜曲線計算，采樣頻率4 kHz，濾波截止頻率300 Hz，阻帶衰減48 dB/倍頻程。

（2）加速度計

加速度計振幅不小于±200g，最大低頻限度1 Hz，最小高頻限度3 000 Hz，加速度安裝在被試罐箱沖擊端2 個底角件的外側(cè)，安裝位置如圖2所示。

2.3 樣品要求

（1）罐式集裝箱應(yīng)根據(jù)技術(shù)要求完成沖擊試驗前的其他型式試驗，試驗結(jié)果符合罐式集裝箱技術(shù)要求。

（2）罐式集裝箱所有尺寸符合集裝箱裝卸、轉(zhuǎn)運和栓固的要求。

圖2 加速度計安裝位置示意圖

2.4 沖擊速度

沖擊速度是指沖擊車與試驗臺座即將發(fā)生撞擊時沖擊車的瞬間速度，采用軌道貼片法進行測量。

2.5 試驗準(zhǔn)備

（1）罐箱檢查

采取目視檢查、長度測量的方法對被試罐箱進行試驗前的檢查，確認被試罐箱無影響試驗結(jié)果的缺陷后方可進行沖擊試驗，并確認罐箱的附件安裝情況。

（2）罐箱稱重

試驗采用水作為試驗充裝介質(zhì)，將試驗罐箱裝載接近額定質(zhì)量，然后進行稱重并記錄數(shù)據(jù)。

（3）真空度檢測

試驗前對罐箱夾層真空度進行檢測，真空度應(yīng)滿足罐箱技術(shù)要求。

2.6 沖擊測試

沖擊速度按照4 km/h、8 km/h 和12 km/h 速度級進行，每次沖擊后對罐箱對角線尺寸進行測量并記錄。速度到達10.98 km/h 時，沖擊響應(yīng)譜曲線全部到達最小SRS 曲線上方，結(jié)果如圖3、圖4所示。

2.7 結(jié)果評定

2.7.1 罐箱檢查

沖擊試驗終止后，目視檢查被試罐箱的主體結(jié)構(gòu)、主要承載部位和開口等，沒有出現(xiàn)變形、焊縫開裂、泄漏等不適合于使用的損壞。

圖3 速度10.98 km/h 時加速度時域曲線

圖4 速度10.98 km/h 時SRS 曲線

2.7.2 尺寸測量

沖擊試驗終止后，被試LNG 罐式集裝箱（40 ft）的頂面、側(cè)面的對角線長度差值變化量ΔK1、ΔK2滿足：ΔK1≤19 mm，ΔK2≤10 mm 的要求，被試罐箱的長度符合12 192 mm（0/-10），寬度符合2 438 mm（0/-5），高度符合2 591 mm（0/-5）的要求。

2.7.3 真空度檢測

沖擊試驗終止后，測量LNG 罐式集裝箱的夾層真空度，測試結(jié)果應(yīng)符合罐箱技術(shù)要求。

3 LNG 罐式集裝箱沖擊試驗對比研究

3.1 不同LNG 罐式集裝箱對比

為了研究不同罐箱沖擊結(jié)果的差異，采用2 種不同型號LNG 罐式集裝箱A 和LNG 罐式集裝箱B重復(fù)上述沖擊試驗，將試驗結(jié)果進行對比，結(jié)果見表1。

當(dāng)速度到達10.98 km/h，LNG 罐式集裝箱A 沖擊響應(yīng)譜曲線全部到達標(biāo)準(zhǔn)SRS 曲線上方。當(dāng)速度到達11.54 km/h 時，LNG 罐式集裝箱B 沖擊響應(yīng)譜曲線全部到達標(biāo)準(zhǔn)SRS 曲線上方，結(jié)果如圖5、圖6 所示。

表1 LNG 罐式集裝箱A 和LNG 罐式集裝箱B 參數(shù)表

圖5 10.98 km/h 時LNG 罐 箱A 的SRS 曲 線

圖6 11.54 km/h 時LNG 罐 箱B 的SRS 曲 線

2 個LNG 罐箱在沖擊響應(yīng)譜全部到達標(biāo)準(zhǔn)SRS 曲線上方時，速度值相近。由于LNG 罐箱B的試驗質(zhì)量稍大于LNG 罐箱A 的試驗質(zhì)量，所以沖擊響應(yīng)譜全部到達標(biāo)準(zhǔn)SRS 曲線上方時，LNG罐箱B 所需的沖擊速度更大。

3.2 不同沖擊試驗臺座對比

為了研究不同試驗臺座對LNG 罐式集裝箱沖擊試驗結(jié)果的影響，采用2 臺不同的試驗臺座進行沖擊試驗，結(jié)果見表2。

表2 試驗臺座A 和試驗臺座B 參數(shù)表

試驗臺座A 的撞擊速度到達11.46 km/h 時，LNG 罐式集裝箱沖擊響應(yīng)譜曲線全部到達標(biāo)準(zhǔn)SRS 曲線上方，試驗臺座B 的撞擊速度到達11.45 km/h 時，LNG 罐式集裝箱沖擊響應(yīng)譜曲線全部到達標(biāo)準(zhǔn)SRS 曲線上方，結(jié)果如圖7、圖8 所示。

試驗臺座A 和試驗臺座B 參數(shù)基本一致，在LNG 罐式集裝箱沖擊響應(yīng)譜曲線全部到達標(biāo)準(zhǔn)SRS 曲線上方時，兩者速度差異不大，曲線走勢也基本一致。

3.3 試驗臺座緩沖器參數(shù)測試

為了進一步研究沖擊車與試驗臺座的撞擊過程，在試驗臺座的撞擊端緩沖器上安裝了位移傳感器，用于測量緩沖器的壓縮量，并將該端車鉤更換為測力車鉤，用于監(jiān)控車鉤力，再次進行沖擊測試，結(jié)果見表3。

在第7 次和第8 次沖擊試驗時，沖擊響應(yīng)譜曲線全部達到標(biāo)準(zhǔn)SRS 曲線上方。根據(jù)MT-2 緩沖器的壓縮特性和車鉤力可以得出，此時緩沖器已經(jīng)到達最大壓縮量，此時近似為剛性碰撞。經(jīng)過后續(xù)多次沖擊試驗的數(shù)據(jù)得出，對于上述型號LNG 罐式集裝箱，只有當(dāng)試驗臺座的緩沖器壓縮量達到最大值，近似成為剛性碰撞時，沖擊響應(yīng)譜曲線才能全部到達標(biāo)準(zhǔn)SRS 曲線上方。

圖7 11.46 km/h 時試驗臺座A 上罐箱的SRS 曲線

圖8 11.45 km/h 時試驗臺座B 上罐箱的SRS 曲線

表3 試驗臺座撞擊端緩沖器壓縮量和車鉤力數(shù)值

4 總結(jié)與展望

4.1 總結(jié)

沖擊響應(yīng)譜在各個行業(yè)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，對于LNG 罐式集裝箱沖擊這種復(fù)雜的沖擊過程，采用標(biāo)準(zhǔn)SRS 曲線判定沖擊環(huán)境更為方便和簡潔，使不同結(jié)構(gòu)的LNG 罐式集裝箱可以在同樣的沖擊環(huán)境下進行比較，通過變形量來評判罐箱的抗沖擊性能。通過試驗數(shù)據(jù)的不斷積累、對比分析，對LNG 罐式集裝箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計、局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了有效的技術(shù)支撐，為LNG 罐式集裝箱在運用過程中的安全性、可靠性提供有力保障。目前國內(nèi)有3 家機構(gòu)的沖擊試驗線取得了罐箱沖擊試驗認證資質(zhì)，基本完成了罐箱沖擊試驗資質(zhì)在全國范圍內(nèi)的布局，確保了全國各地的罐式集裝箱都可以方便進行罐箱沖擊試驗檢驗。

4.2 展望

為了提高罐式集裝箱沖擊試驗結(jié)果準(zhǔn)確度，結(jié)合沖擊試驗過程，提出以下幾點展望：

4.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣頻率

根據(jù)聯(lián)合國《關(guān)于危險貨物運輸?shù)慕ㄗh書（試驗和標(biāo)準(zhǔn)手冊）第六修訂版》規(guī)定，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最低采樣頻率為1 000 Hz，目前LNG 罐式集裝箱沖擊試驗采樣頻率大多按照1 000 Hz 執(zhí)行，可將采樣頻率提高至4 000 Hz 至10 000 Hz，對比同一沖擊速度下的試驗結(jié)果，探索采樣頻率對沖擊試驗結(jié)果的影響。

4.2.2 加速度計的固有頻率

罐箱在撞擊過程中，當(dāng)加速度計的固有頻率在沖擊響應(yīng)譜的頻率范圍內(nèi)，會產(chǎn)生共振，這是在數(shù)據(jù)采集過程中需要避免的，可以研究將加速度計固有頻率提高至3 倍于響應(yīng)頻率以上，避免該現(xiàn)象發(fā)生，以提升采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4.2.3 不同的試驗臺座

通過進一步改變試驗臺座的自重、更換不同型號的緩沖器，研究緩沖器的動態(tài)變化過程，探索試驗臺座參數(shù)對試驗結(jié)果的影響。