半挂车载运集装箱侧倾稳定性分析和安全保护装置设计
何承法，沈小锦，王国强，顾勇，俞霄
（张家港永嘉集装箱码头有限公司，江苏苏州，215633）
摘要
以半挂车载运集装箱为研究对象，通过力学建模和公式推导，分析其在钢板弹簧断裂后的侧倾稳定性和影响集装箱侧倾的因素。在直线行驶工况下，半挂车载运集装箱侧倾稳定性与集装箱倾角有关；在曲线行驶工况下，半挂车载运集装箱侧倾稳定性与曲线行驶速度、转弯半径、集装箱倾角等有关。根据此结论，设计一种预防集装箱侧倾的安全保护装置，通过加装安全保护撞块，控制钢板弹簧断裂后的集装箱倾角，从而防止集装箱发生侧倾。
关键词
港口；集装箱半挂车；集装箱侧倾稳定性；安全保护装置
0 引言
集装箱半挂车广泛应用于港口短驳运输，具有低速、重载等特性。钢板弹簧是半挂车悬挂系统的重要部件之一，其主要作用是使车架、车身与车轮或车桥之间保持弹性联系，并把路面作用于轮胎上的垂直作用力（支撑力）、纵向作用力（牵引力和制动力）、侧向反力和这些力所造成的力矩传递到车架或车身上，以保证车辆正常行驶。
集装箱半挂车在重载行驶过程中，钢板弹簧疲劳断裂事故时有发生，例如：半挂车单侧双轴钢板弹簧同时断裂，半挂车将失去钢板弹簧的支撑作用，会造成载运集装箱往一侧倾斜，存在严重的安全隐患。当前，各大港口为避免钢板弹簧断裂造成集装箱侧倾的安全事故，主要采用定期检查钢板弹簧的方法进行预防。然而，半挂车钢板弹簧的使用寿命与其本身的质量、司机的操作习惯、承受的载荷和道路状况等多方面因素有关，较难通过经验数据确定钢板弹簧的更换周期，这给日常的检查维护带来较大的难度。
1 半挂车钢板弹簧断裂后载运车集装箱倾角
当半挂车单侧钢板弹簧断裂后，断裂侧的纵梁失去支撑，该侧纵梁在集装箱载荷作用下迅速下沉，连同断裂的钢板弹簧整体搁置在车桥上，半挂车左右两侧纵梁下沉量不一致，导致拖载集装箱与水平面形成一定的倾角。半挂车钢板弹簧断裂后集装箱倾斜角度示意图见图1。
在额定负载下，钢板弹簧未断裂侧的纵梁下沉量约等于钢板弹簧形变量30 mm，断裂侧的纵梁下沉量为纵梁与钢板弹簧之间的间隙，约等于280 mm，集装箱半挂车两侧纵梁中心线之间的距离为920 mm。经计算可得此时集装箱的倾角为16°。
2 半挂车钢板弹簧断裂后载运车侧倾稳定性分析
假设有水平面直线行驶和曲线行驶等2种工况。半挂车运行速度为V，拖载集装箱总质量为G，曲线行驶工况下转弯半径为R。已知集装箱宽度B=2 438 mm，高度为2 591 mm，导板高度h=130 mm。假设箱内货物均匀分布，集装箱质心在集装箱对角线交点处，质心与集装箱下平面之间的距离H=1 296 mm。
2.1 水平路面直线行驶工况
在水平路面直线行驶工况下，集装箱侧倾的临界条件为半挂车对集装箱的支反力N和摩擦力f为零。半挂车水平路面直线行驶时集装箱受力示意图见图2。
对导板D点列力矩方程，有
将集装箱宽度、质心高度和导板高度数据代入式（2），可计算出钢板弹簧断裂时集装箱侧倾临界角度约为46°，这个角度远大于钢板弹簧断裂后集装箱自然形成的倾角16°。因此，集装箱半挂车在水平路面上直线行驶时,如单侧双轴前后弹簧钢板同时断裂，所载运的集装箱不会发生侧倾。
2.2 水平路面曲线行驶工况
在水平路面曲线行驶工况下，集装箱侧倾的临界条件为半挂车对集装箱的支反力N和摩擦力f为零。半挂车水平路面曲线行驶时集装箱受力示意图见图3。
对导板D点列力矩方程，有
假定钢板弹簧断裂时半挂车在水平路面曲线行驶，令α=16°，取R=18 m，代入不等式（4），可算出V≥10.2 m/s，换算得V≥36.7 km/h。此速度为半挂车在水平路面曲线行驶时，钢板弹簧断裂后载运集装箱倾翻临界速度。集装箱半挂车在水平路面上曲线行驶时，要严格控制车速，否则在钢板弹簧突然断裂时可能会造成集装箱侧倾。
3 影响半挂车集装箱侧倾稳定性的因素
根据式（4），集装箱倾翻临界速度与曲线行驶半径成正比，与质心高度成反比，与集装箱倾角成正比。因此，转弯半径越小、质心高度越高、倾角越大，此时倾翻临界速度越小，半挂车载运集装箱在曲线行驶时的稳定性越差。但式（4）未考虑地面坡度，例如半挂车在横向斜坡路面曲线行驶，则计算中集装箱倾角应包含地面坡度，计算公式不变。当半挂车在坡度路面曲线行驶时，集装箱实际倾角会变得更大，一旦钢板弹簧突然断裂，集装箱倾翻的可能性大幅增加。
此外，当集装箱内装载货物分布不均、偏载时，箱内货物在半挂车曲线行驶时质心往外侧移动，集装箱侧倾稳定性将大幅降低。
4 集装箱防侧倾安全保护装置设计
由半挂车载运集装箱侧倾稳定性分析可知，要想实现钢板弹簧断裂后防止集装箱发生侧倾，应当控制集装箱与水平面的倾角。半挂车悬挂由串联式钢板弹簧和悬挂支座等组成。由于在半挂车纵梁、悬挂支座与钢板弹簧之间有一定的空间，如在此位置设置防止集装箱侧倾的安全撞块，并适当控制撞块与钢板弹簧之间的间隙，则钢板弹簧断裂后集装箱的倾斜角度就能得到控制。集装箱防侧倾安全保护装置实物见图4。
在加装安全撞块后，半挂车纵梁与钢板弹簧之间的间隙被防侧倾安全撞块部分填充，安全撞块与弹簧钢板之间应预留一定的间隙。如该间隙过大，钢板弹簧断裂后集装箱倾斜角度也越大，防侧倾安全保护作用则会降低。如该间隙过小，重载时半挂车纵梁在载荷作用下整体下沉，安全保护撞块与钢板弹簧直接接触，半挂车纵梁与钢板弹簧之间形成刚性联系，失去悬挂系统缓冲减振作用。以某型号的钢板弹簧为例，在额定负荷下钢板弹簧的变形量约为30 mm。考虑轮胎磨损、悬挂支座磨损、钢板弹簧使用一段时间后刚度下降等因素，加装的安全保护撞块与钢板弹簧之间的间隙应控制在40~60 mm，安全保护撞块的高度被设计为230 mm。
5 试验效果
根据以上设计思路，对发生事故的1台集装箱半挂车进行改造。为验证改造效果，将该半挂车断裂的两幅钢板弹簧进行点焊，恢复原车状态，安装防集装箱侧倾安全保护撞块后在桥吊下进行重载集装箱冲击试验。因半挂车单侧双轴钢板弹簧原本已发生断裂，试验中只是进行点焊连接，在集装箱重载作用下钢板弹簧瞬间断裂，该侧纵梁迅速下沉。当钢板弹簧断裂后，加装的安全保护撞块迅速下沉，将断裂后的钢板弹簧压死在后桥上。经测量，半挂车钢板弹簧断裂一侧纵梁下沉量与完好一侧纵梁下沉量之间的差值为50 mm，此时可计算得到集装箱倾角为3°，达到改造预期目的。
6 结语
本文对半挂车单侧双轴钢板弹簧断裂这一特殊工况下载运集装箱侧倾稳定性进行力学计算分析，研究影响半挂车集装箱侧倾稳定性的因素，并设计一种简易的安全保护装置，通过控制集装箱倾角巧妙地实现钢板弹簧断裂后集装箱侧倾安全保护。
