LNG 罐式集装箱冲击试验研究

汪家伟，张良威，徐 力，姜瑞金

（中车长江运输设备集团有限公司 科技开发分公司，武汉430212）

自2017 年政府工作报告提出“蓝天保卫战”以来，加快改善生态环境特别是空气质量已经被提上日程。LNG 作为一种清洁、高效能源也变得炙手可热，越来越多的企业开始关注LNG 的存储和运输。LNG 罐式集装箱作为一种存储单元，可以提供海运、公路等多种运输途径，可以弥补管道运输投入大、周期长的不足，为用户提供灵活、便捷的物流服务，受广大企业所青睐。LNG 罐式集装箱冲击试验作为考核LNG 罐式集装箱抗冲击能力的一种检测手段，能够对LNG 罐式集装箱在受到外力撞击后的安全性和可靠性进行评判，在LNG罐式集装箱设计制造中就显得尤为重要。

1 LNG 罐式集装箱冲击试验方法

1.1 基于冲击响应谱的LNG 罐式集装箱冲击试验

对于一个单自由度振动系统，在受到外力冲击作用时必然会产生一个瞬时响应。冲击响应谱就是在描述单自由度振动系统受一定冲击作用时，响应的最大值与振动系统固有频率或固有周期的关系的图线［1］。根据联合国《关于危险货物运输的建议书（试验和标准手册）第六修订版》规定，在LNG 罐式集装箱撞击端底角件上布置加速度计，采集碰撞过程中加速度值的时域曲线，通过频谱转换得到系统的冲击响应谱曲线，与标准SRS 曲线进行比对，当冲击响应谱曲线全部到达标准SRS曲线上方时，表明此次冲击达到了所需冲击环境的要求，在此种环境条件下，罐箱的变形以及状态就反应出了罐箱承受冲击的能力［1］。

1.2 罐式集装箱冲击试验冲击响应谱力学模型［2］

图1 给出了罐箱冲击试验冲击响应谱计算的力学模型，可以将该系统看成质量为m，刚度系数为k，阻尼为c的单自由度系统。试验罐箱通过锁座固定在被冲击车的撞击端，u（t）为系统的输入，代表冲击车对被冲击车的作用，输入作用在被冲击车上，以此为建立罐箱冲击响应谱的计算模型。

图1 罐箱冲击试验冲击响应谱力学模型

根据模型，推导出系统的运动方程：

式中：δ(t)为被试集装箱的相对位移，δ(t)=x(t)-u(t)；u(t)为被冲击车的绝对位移；x(t)为被试集装箱的绝对位移。

零初始条件下，被试集装箱的相对位移响应为：

2 LNG 罐式集装箱冲击试验

2.1 试验设备要求

（1）冲击试验线

能够实现冲击车辆溜放作业并达到试验速度的长直轨道，能牵引和溜放冲击车的试验设备。

（2）冲击车

铁路敞车一辆，车内装散粒货物，总重不小于80 t。

（3）试验台座

铁路平车一辆，用于承载被试罐箱，并传递纵向力。

2.2 检测仪器要求

（1）数据采集系统

冲击试验数据采集系统需要能够完成动态数据的采集和处理，能够实现车速和冲击响应谱曲线计算，采样频率4 kHz，滤波截止频率300 Hz，阻带衰减48 dB/倍频程。

（2）加速度计

加速度计振幅不小于±200g，最大低频限度1 Hz，最小高频限度3 000 Hz，加速度安装在被试罐箱冲击端2 个底角件的外侧，安装位置如图2所示。

2.3 样品要求

（1）罐式集装箱应根据技术要求完成冲击试验前的其他型式试验，试验结果符合罐式集装箱技术要求。

（2）罐式集装箱所有尺寸符合集装箱装卸、转运和栓固的要求。

图2 加速度计安装位置示意图

2.4 冲击速度

冲击速度是指冲击车与试验台座即将发生撞击时冲击车的瞬间速度，采用轨道贴片法进行测量。

2.5 试验准备

（1）罐箱检查

采取目视检查、长度测量的方法对被试罐箱进行试验前的检查，确认被试罐箱无影响试验结果的缺陷后方可进行冲击试验，并确认罐箱的附件安装情况。

（2）罐箱称重

试验采用水作为试验充装介质，将试验罐箱装载接近额定质量，然后进行称重并记录数据。

（3）真空度检测

试验前对罐箱夹层真空度进行检测，真空度应满足罐箱技术要求。

2.6 冲击测试

冲击速度按照4 km/h、8 km/h 和12 km/h 速度级进行，每次冲击后对罐箱对角线尺寸进行测量并记录。速度到达10.98 km/h 时，冲击响应谱曲线全部到达最小SRS 曲线上方，结果如图3、图4所示。

2.7 结果评定

2.7.1 罐箱检查

冲击试验终止后，目视检查被试罐箱的主体结构、主要承载部位和开口等，没有出现变形、焊缝开裂、泄漏等不适合于使用的损坏。

图3 速度10.98 km/h 时加速度时域曲线

图4 速度10.98 km/h 时SRS 曲线

2.7.2 尺寸测量

冲击试验终止后，被试LNG 罐式集装箱（40 ft）的顶面、侧面的对角线长度差值变化量ΔK1、ΔK2满足：ΔK1≤19 mm，ΔK2≤10 mm 的要求，被试罐箱的长度符合12 192 mm（0/-10），宽度符合2 438 mm（0/-5），高度符合2 591 mm（0/-5）的要求。

2.7.3 真空度检测

冲击试验终止后，测量LNG 罐式集装箱的夹层真空度，测试结果应符合罐箱技术要求。

3 LNG 罐式集装箱冲击试验对比研究

3.1 不同LNG 罐式集装箱对比

为了研究不同罐箱冲击结果的差异，采用2 种不同型号LNG 罐式集装箱A 和LNG 罐式集装箱B重复上述冲击试验，将试验结果进行对比，结果见表1。

当速度到达10.98 km/h，LNG 罐式集装箱A 冲击响应谱曲线全部到达标准SRS 曲线上方。当速度到达11.54 km/h 时，LNG 罐式集装箱B 冲击响应谱曲线全部到达标准SRS 曲线上方，结果如图5、图6 所示。

表1 LNG 罐式集装箱A 和LNG 罐式集装箱B 参数表

图5 10.98 km/h 时LNG 罐 箱A 的SRS 曲 线

图6 11.54 km/h 时LNG 罐 箱B 的SRS 曲 线

2 个LNG 罐箱在冲击响应谱全部到达标准SRS 曲线上方时，速度值相近。由于LNG 罐箱B的试验质量稍大于LNG 罐箱A 的试验质量，所以冲击响应谱全部到达标准SRS 曲线上方时，LNG罐箱B 所需的冲击速度更大。

3.2 不同冲击试验台座对比

为了研究不同试验台座对LNG 罐式集装箱冲击试验结果的影响，采用2 台不同的试验台座进行冲击试验，结果见表2。

表2 试验台座A 和试验台座B 参数表

试验台座A 的撞击速度到达11.46 km/h 时，LNG 罐式集装箱冲击响应谱曲线全部到达标准SRS 曲线上方，试验台座B 的撞击速度到达11.45 km/h 时，LNG 罐式集装箱冲击响应谱曲线全部到达标准SRS 曲线上方，结果如图7、图8 所示。

试验台座A 和试验台座B 参数基本一致，在LNG 罐式集装箱冲击响应谱曲线全部到达标准SRS 曲线上方时，两者速度差异不大，曲线走势也基本一致。

3.3 试验台座缓冲器参数测试

为了进一步研究冲击车与试验台座的撞击过程，在试验台座的撞击端缓冲器上安装了位移传感器，用于测量缓冲器的压缩量，并将该端车钩更换为测力车钩，用于监控车钩力，再次进行冲击测试，结果见表3。

在第7 次和第8 次冲击试验时，冲击响应谱曲线全部达到标准SRS 曲线上方。根据MT-2 缓冲器的压缩特性和车钩力可以得出，此时缓冲器已经到达最大压缩量，此时近似为刚性碰撞。经过后续多次冲击试验的数据得出，对于上述型号LNG 罐式集装箱，只有当试验台座的缓冲器压缩量达到最大值，近似成为刚性碰撞时，冲击响应谱曲线才能全部到达标准SRS 曲线上方。

图7 11.46 km/h 时试验台座A 上罐箱的SRS 曲线

图8 11.45 km/h 时试验台座B 上罐箱的SRS 曲线

表3 试验台座撞击端缓冲器压缩量和车钩力数值

4 总结与展望

4.1 总结

冲击响应谱在各个行业中已经得到广泛应用，对于LNG 罐式集装箱冲击这种复杂的冲击过程，采用标准SRS 曲线判定冲击环境更为方便和简洁，使不同结构的LNG 罐式集装箱可以在同样的冲击环境下进行比较，通过变形量来评判罐箱的抗冲击性能。通过试验数据的不断积累、对比分析，对LNG 罐式集装箱的结构设计、局部结构优化提供了有效的技术支撑，为LNG 罐式集装箱在运用过程中的安全性、可靠性提供有力保障。目前国内有3 家机构的冲击试验线取得了罐箱冲击试验认证资质，基本完成了罐箱冲击试验资质在全国范围内的布局，确保了全国各地的罐式集装箱都可以方便进行罐箱冲击试验检验。

4.2 展望

为了提高罐式集装箱冲击试验结果准确度，结合冲击试验过程，提出以下几点展望：

4.2.1 数据采集系统采样频率

根据联合国《关于危险货物运输的建议书（试验和标准手册）第六修订版》规定，数据采集系统的最低采样频率为1 000 Hz，目前LNG 罐式集装箱冲击试验采样频率大多按照1 000 Hz 执行，可将采样频率提高至4 000 Hz 至10 000 Hz，对比同一冲击速度下的试验结果，探索采样频率对冲击试验结果的影响。

4.2.2 加速度计的固有频率

罐箱在撞击过程中，当加速度计的固有频率在冲击响应谱的频率范围内，会产生共振，这是在数据采集过程中需要避免的，可以研究将加速度计固有频率提高至3 倍于响应频率以上，避免该现象发生，以提升采样数据的准确性。

4.2.3 不同的试验台座

通过进一步改变试验台座的自重、更换不同型号的缓冲器，研究缓冲器的动态变化过程，探索试验台座参数对试验结果的影响。