配两轴牵引车使用的LNG低温半挂车设计

陈飞　周小翔　海航　赵林

摘要：国内LNG的运输以低温半挂车为主，考虑到运输载重量的最大化，市场上基本都是使用三轴牵引车与三轴低温半挂车搭配的汽车列车方案。而国内法规限定LNG低温半挂车的容积为52.6 m?，对应三轴低温半挂车的满载质量约为37 t，汽车列车满载情况下的总质量约为46 t，达不到此方案49 t总质量的法规上限。现通过一系列技术方法对半挂车进行减重设计，可将低温半挂车的满载质量降到35 t，按照GB 1589-2016规定，这样可以配两轴牵引车使用，组成的五轴汽车列车总质量控制在43 t以内，能较大地降低运输成本，提高运输效率。

关键词：LNG；
低温；
半挂车；
两轴牵引车

中图分类号：U462  收稿日期：2023-02-25

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.014

1 前言

天然气因为其具有清洁能源属性，近年来在国内得到了大力发展。目前国内天然气运输方式除管道运输外，均以公路跨区域运输为主，其中最主流的方案就是使用三轴牵引车配三轴低温半挂车来进行运输。按照GB 1589-2016的规定，三轴牵引车与三轴低温半挂车组成的六轴汽车列车，最大允许总质量限值为49 t，而目前这种配置的实际总质量约为46 t，利用率有较大的提升空间。

根据《移动式压力容器安全技术监察规程》（TSG R0005-2011）第1号修改单的规定：真空绝热罐体内容积不得大于52.6 m?。罐体容积限定，相当于限定了装载质量，总质量达不到49 t的最大利用率［1］。查看GB 1589-2016标准可知，五轴的汽车列车最大允许总质量为43 t。五轴的汽车列车有两种方案：两轴牵引车配三轴半挂车或三轴牵引车配两轴半挂车。考虑到两轴牵引车的价格优势更大，且三轴LNG低温半挂车可配两轴牵引车也可配三轴牵引车，通用性更佳，故优先选择两轴牵引车配三轴LNG低温半挂车的方案来设计。

目前国内主流的主机车厂已经有成熟的危化品专用两轴牵引车供选用，如东风牌DFH4180A4危险品半挂牵引车，其整备质量为6.805 t，准牵引挂车质量为35 t。由此将三轴LNG低温半挂车总质量控制在35 t，再加上人员质量0.195 t，这样汽车列车总质量为42 t，满足GB 1589中五轴汽车列车最大允许总质量为43 t的要求。

目前市场上一般52.6 m?的三轴LNG低温半挂车的整备质量（自重）约为15 t。LNG的密度范围为0.42～0.46 t/m?，取偏中间值0.4436 t/m?，得出52.6 m?的低温罐体，实际装载的LNG质量为：

52.6（容积）×0.9（额定充满率）×0.4436（密度）=21 t

低溫半挂车的整备质量为：

35（半挂车总质量）-21（装载质量）=14 t（低温半挂车的整备质量）

LNG低温半挂车的整备质量要从15 t降到14 t，相当于自重要降1 t。目前主流的LNG低温半挂车已经进行过不同程度的轻量化设计，在此基础上还要降1 t，必须对整个LNG低温半挂车进行通盘考虑，将每个零部件逐一考虑轻量化方案，在不影响罐车整体强度和可靠性的基础上，进行合理的减重优化设计。

2 优化设计方案

2.1 总体优化设计方案

两轴牵引车的鞍座允许承载质量一般在11 t左右，半挂车总质量35 t设计，故后三轴处的承载质量定为24 t较为合理。与原先的三轴LNG低温半挂车相比，前部牵引销座处的承载受力要大幅度减小，这样主要承载部件牵引销座、行走机构与罐体的相对位置要大幅前移，才能满足GB 1589和两轴牵引车的鞍座允许承载质量要求。

按LNG低温半挂车整备质量要降低1 t，自重要降低6.67%，减重的比例较大。将1 t进行分解，首先罐体部分要能进行占比较大的减重，才能实现总体的减重目标（图1）。其余少部分的减重分在行走机构、阀门箱、支腿总成、牵引销座总成、侧防护栏总成等外围部件上。

2.2 罐体部分优化设计

三轴LNG低温半挂车的整备质量约15 t，罐体部分的质量一般超过10 t，罐体的质量所占整车质量的比重约为72%左右，故罐体的减重是优化设计的重点，具体的优化设计方案如下：

a.内容器罐体增加应变强化。以前应变强化技术一般用于工业气体车罐体的设计，基于LNG罐车设计压力0.65 MPa左右，相对优势较小，故在LNG罐车上基本没有应用。经过计算，在维持现有设计压力情况下，按照T/CATSI 05001-2018《移动式真空绝热深冷压力容器内容器应变强化技术要求》法规要求计算，可将内容器筒体壁厚由5 mm降到4.5 mm，使用定制钢板，封头由6 mm降到5 mm，总计可减重约420 kg。

b.在保证内筒体刚度的前提下对加强圈进行优化设计，通过调整加强圈结构形式与布置位置等措施，减重共计102 kg。

c.针对外罐体进行优化设计，通过应力分析结合CGA方法计算，将外封头厚度降到6.5 mm，调整外筒体加强圈布置等措施可减重80 kg。

d.优化设计罐体与行走机构连接的支撑结构，改变原有的V形梁+筋板的连接支撑结构，使用小截面鞍座结构，这种结构不但增强了罐体的刚度，而且能减重60 kg。

e.对罐体内的各种管件、支撑件等零部件进行优化设计，减重共计约40 kg。

通过以上一系列的优化设计措施，在保证原有罐体性能和容积的前提下，减重达到700 kg，对于相对成熟的LNG运输半挂车来说，减重优化设计效果非常明显。

2.3 外围部件优化设计

三轴LNG低温半挂车除去罐体部分的外围部分重量约为5 t，其中行走机构重量占了大部分，故行走机构的减重、其余部件总成的轻量化就成了减重优化设计的主要方向，具体的优化设计方案如下：

a.根据GB 7258-2017《机动车运行安全技术条件》9.4条规定，危险品半挂车应装备空气悬架。根据标准执行后会发现，现有的空气悬架重量与原成熟的钢板弹簧平衡悬架相比每辆车重约200 kg。目前BPW等悬架厂家新推出了轻量化的空气悬架系统和配套的车轴，此配置的半挂车也是轻量化的产品，满载总质量为35 t，比普通40 t级的半挂车轻，也是考虑使用轻量化空悬的原因。这样车轴悬架系统可以减重200 kg。

b.目前国内半挂车的车架大部分都为钢制焊接式车架，重量没有优势。而且在交通追尾事故发生后，车辆后悬尾部返修经常需要切割车架，维修不便利。为此研发了新的装配式后悬（图2），采用强度较高的铝合金材料，与前部分车架采用螺栓装配连接，不但减轻了质量，而且美观实用便于后续返修。此项设计优化减重30 kg。

c.行业内首次在半挂车上采用开模的高强度铝合金后防护（图3），经过应力分析和试验验证，完全符合GB 11567-2017《汽车及挂车侧面和后下部防护要求》的法规及强度要求。此项设计优化减重20 kg。

d.对支腿及支撑系统进行优化设计，使用JOST的铝合金支腿，并对支撑组件进行优化设计，对支撑杆等部件全铝化改进设计。此项设计优化减重20 kg。

e.根据35 t的总质量，结合可能使用两轴牵引车牵引的需求并按照轴荷分配计算，将牵引销座处的轴荷布置为11 t，这样相对常规40 t级半挂车牵引销座处的16 t，减少了5 t。由于牵引销座处的承载重量大为降低，故将牵引销座总成的滑板厚度由12 mm降为10 mm，并优化了牵引销座支撑结构，适配JOST KZ1010的牵引销。通过此项设计优化减重10 kg。

f.剩余的外围零部件通过材料由钢制改为铝合金、高强度塑料等的方案实行优化减重。比如使用铝合金工具箱、铝合金储气筒、塑料灭火器箱等方案措施，外围部件再优化减重约30 kg。

集合种种的外围部件的优化设计，外围的部件一共实现了300 kg的减重，在满足减重的设计理念下，还提升了产品品质和后期售后维修的便利性。

通过以上所有的减重措施，顺利实现了1 t有余的减重优化设计，将半挂车整备质量控制在14 t以内，顺利实现将满载后半挂车总质量控制在35 t，可以搭配二轴牵引车组成五轴汽车列车使用。

3 结语

本文通过对现行标准法规的详细解读，并结合对现在国内市场上主流LNG低温运输半挂车与牵引车的搭配参数进行分析，探讨出新的LNG低温运输半挂车与牵引车的搭配模式。在此搭配方案下，对LNG低温半挂车进行全系统的研发设计，分析计算各系统可靠的优化设计参数，完全可以实现新搭配模式下對LNG低温半挂车的参数要求。

新的运输搭配方案在实现不减少原有LNG装载量的同时，降低了汽车列车的轴数与总质量，可实现更低的车辆油耗和高速公路通行费用，符合现在全球绿色节能的理念。

参考文献：

[1]张国昌52.6 m³LNG运输半挂车的设计［J］.能源研究与管理，2015（4）：81-84.

作者简介：

陈飞，男，1983年生，工程师，研究方向为低温液体运输专用车辆设计。

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