裝載工況對大件運輸車組彎道行駛安全車速閾值影響

張世偉，曾傳華，潘婷婷，申航宇

(西華大學 汽車與交通學院，四川 成都 610065)

0 引 言

公路大件運輸指公路運輸中對龐大、沉重而又不可分割的整體貨物的運輸.公路大件運輸對象主要是關乎國民經濟的發電設備、化工設備、煉油設備等，通常具有超高、超寬、超長、超重且不可解體的特點[1].公路大件運輸貨物制造周期長且造價昂貴，如果在易發事故的彎道發生側翻或者側滑將會帶來無法估量的損失.現有文獻多從大件貨物和彎道因素為研究重點分析大件車組彎道安全，研究大件貨物裝載工況對車組行駛安全的文獻較少.李夢澤[2]運用軟件仿真分析出大件貨物在離散型脈沖路面和隨機不平順路面運輸時，垂向加速度對平穩性影響最大；王傳連等[3]通過仿真分析裝載質量和道路附著系數兩方面對車輛在彎道發生側滑、側翻的影響，并給予了安全行駛建議；杜穎[4]在對鐵路運輸中分析得到貨物重心的橫向或縱向偏移為不利鐵道車輛安全行駛的裝載工況；邵金菊等[5]考慮彎道半徑、附著系數對彎道車速的影響，基于仿真實驗數據，建立了安全車速與附著系數、彎道半徑的數學模型，該模型降低了計算誤差；Lamiraux F.等[6]對空客公司的A380客機大型組件運輸車輛在轉彎時車貨輪廓通過性進行了研究，并建立三維仿真模型，保證了大型組件的運輸安全；Artūras Petra?ka等[7]認為大件運輸方案主要取決于貨物的生產地點和使用地點，針對大件運輸路線，通過整體評估和設計開發一個用于客觀評估運輸大件貨物的整個路線的“工具”非常重要.

我國相關企業技術人員認為大件車組彎道行駛安全研究主要是輪廓通過性，而輪廓通過性好不能完全保障運輸安全，車組在彎道的行駛安全也是很重要的.大件貨物裝載工況對公路大件運輸車輛彎道行駛安全有著顯著的影響，為了安全高效的完成運輸，研究公路大件運輸在不同裝載工況下對彎道行駛安全車速閾值影響是十分有必要的.本研究主要分析大件貨物裝載質工況對公路大件運輸車組彎道行駛安全車速閥值的影響，研究公路大件運輸車組在彎道的行駛安全.

1 TruckSim仿真模型建立

基于公路大件運輸貨物超高、超寬、超長、超重且不可解體的特點，通常需要用大型牽引車牽引，平板半掛車或液壓平板車承載運輸大件貨物.當大件貨物運輸距離較長時，為保證大件貨物能夠安全高效運輸，需要使用有高穩定性和剛性的平板車.

基于公路大件運輸車組特點，本研究以奔馳Actros3353牽引車和平板車為原型，運用TruckSim軟件建立公路大件運輸牽引車和平板車的動力學模型，主要有車體建模及空氣動力學建模、輪胎系統建模、懸架系統建模、制動系統建模、轉向系統建模及動力傳動系統建模等[8]，原型圖和建模圖如圖1、圖2所示.

2 裝載工況對大件車組彎道行駛安全車速閾值影響

裝載工況對大件車組的運輸穩定性影響很大，主要影響橫向穩定性和縱向穩定性.在不考慮輪廓通過性的情況下，公路大件運輸裝載工況對彎道行駛安全車速閾值影響主要有裝載質量、重心高度、重心橫向偏移和縱向偏移這4個因數[9].大件運輸貨物需捆綁加固，要求貨物的綁扎后不發生前后滑動，也不發生橫向側傾.大件運輸車組重心的變化主要由貨物本身重心高低、大件運輸車組上下坡的重心縱向偏移變化引起，公路大件運輸所選道路橫坡引起的重心橫向偏移較小.針對公路大件運輸常見彎道情況，同時考慮縱坡對大件貨物重心縱向偏移的影響，著重研究裝載工況中裝載質量、裝載重心高度、重心縱向偏移3個因素.

2.1 裝載質量對彎道行駛安全車速閾值影響

為分析裝載質量對公路大件運輸彎道行駛安全車速閾值影響，設計以下仿真實驗：仿真路徑選擇直線加彎道路段，其彎道半徑為300 m，附著系數為0.85，不設道路橫坡、縱坡；裝載重心高度為3 m，裝載模型的選擇采用箱體載荷；基于大件貨物特點設置裝載質量為20、25、30、40、50、60、70、80、90、95和100 t,共11組分別進行仿真實驗.

仿真實驗方法：公路大件運輸車組以某恒定車速沿道路中線通過彎道路徑，若車組未發生側翻或側滑則增加車速重復試驗，直至得車輛通過彎道且不發生側翻或側滑的臨界車速，該車速為彎道行駛安全車速閾值.通過大件運輸車組通過彎道路徑的內側車輪垂直反力為零(此時橫向載荷轉移率LTR絕對值為1)來判斷是否側翻[10-12];以側向梯度SSG為側滑評價指標，當|SSG|=0.08時車輛有較大的側滑風險[13];也可通過仿真視頻直觀判斷是否側翻或側滑.圖3為裝載質量為60 t時，以恒定車速85 km/h通過彎道側翻圖.

在11組裝載質量下得到不同裝載質量的安全車速閾值，如表1所示.

表1 不同裝載質量的安全車速閾值

根據表1的仿真實驗數據繪制安全車速閾值與裝載質量關系圖，對其進行擬合如圖4所示，擬合公式呈指數函數關系，

V(G)=-79.72G0.1647+240.9

(1)

式中，V(G)為裝載質量影響下的安全車速閾值，km/h；G為裝載質量,t.式(1)的模型精確度為0.998 8.

由圖4可知裝載質量和安全車速閾值呈指數關系，當裝載質量越大時安全車速閾值越低，當裝載質量為20～40 t時,對安全車速閾值的影響較大，而當裝載質量大于40 t時，對安全車速閾值的影響逐漸變小，慢慢趨近平緩.

2.2 重心高度對彎道行駛安全車速閾值影響

為分析裝載大件貨物重心高度對大件運輸彎道行駛安全車速閾值影響，構建裝載貨物重心高度與彎道行駛安全車速閾值的關系模型，以不同的裝載貨物重心高度進行仿真實驗，并對結果進行分析.大件運輸車的重心是掛車和貨物的組合重心，重心高度Ha應是組合重心至穩定面的距離，可由下式計算，

(2)

式中，m1g、m2g分別為貨物、掛車重力；H1、H2分別為貨物、掛車重心離地高度；Ha為車貨組合重心高度[14].

結合大件貨物和平板車特點設置裝載貨物重心高度為2.60、2.80、3.00、3.20、3.40、3.60、3.80、4.00、4.20、4.40和4.60 m共計11組進行仿真實驗.仿真實驗路徑選擇直線加彎道路段，其彎道半徑為300 m，附著系數為0.85，不設道路橫坡、縱坡，裝載質量為60 t.仿真試驗方法如上2.1，以某恒定車速沿道路中線通過彎道路徑，若車組未發生側翻或側滑則增加車速重復試驗，直至得到車輛通過彎道不發生側翻或側滑的臨界車速，該車速為彎道行駛安全車速閾值.在11組重心高度下得到不同裝載貨物重心高度的安全車速閾值，如表2所示.

表2 不同重心高度的安全車速閾值

根據表2的仿真實驗數據繪制安全車速閾值和裝載貨物重心高度的關系圖，并對其進行擬合如圖5所示.

擬合公式呈指數函數關系為,

V(H)=3.992H2-50.42H-200

(3)

式中,V(H)為重心高度影響下的安全車速閾值,km/h；H為重心高度,m.模型精確度為0.999 2.

由圖5可知，隨著裝載重心高度增加，彎道行駛安全車速閾值越來越低；裝載重心高度低時對彎道行駛安全車速閾值影響大于裝載重心高度高時對彎道行駛安全車速閾值的影響.

2.3 縱向偏移對彎道行駛安全車速閾值影響

為分析裝載大件貨物重心縱向偏移對大件運輸彎道行駛安全車速閾值影響，以不同的裝載貨物重心縱向偏移進行仿真實驗，并對結果進行分析.本研究以平板車的縱向中心為參考點(0點)，分別以向牽引車方向偏移為縱向正偏移，設置偏移距離0.50、1.00、1.50、2.00和2.50 m共5組數據；以車尾方向為縱向負偏移，設置偏移距離為-0.50、-1.00、-1.50、-2.00和-2.50 m共5組.裝載質量為60 t，重心高度為4.00 m.仿真實驗路段和方法如上2.1所示，在11組重心縱向偏移下得到不同裝載貨物重心縱向偏移的安全車速閾值，如表3所示.

表3 不同重心縱向偏移的安全車速閾值

根據表3的仿真實驗數據繪制安全車速閾值和貨物重心縱向偏移的關系圖，如圖6所示.

由圖6可知,裝載重心的縱向偏移對安全車速閾值影響較小.隨著貨物重心的縱向正偏移加大，安全車速閾值減??；隨著貨物重心的縱向負偏移加大，安全車速閾值增大.

3 雙因素影響下的彎道行駛安全車速閾值

經仿真分析可知裝載工況對彎道行駛安全車速閾值的影響較大的是裝載重量和重心高度，相比之下裝載重心的縱向偏移對其影響較小.本文為了使仿真結果可靠，擬合數學模型準確度高，給予公路大件運輸安全重要的理論依據，針對在不同的裝載質量和重心高度進行正交實驗[15].

3.1 裝載質量和重心高度的影響

為研究雙因素對大件車組彎道安全車速的影響，得到裝載工況影響下的彎道安全車速閾值預估模型進行以下正交仿真實驗.選取裝載質量25～100 t和重心高度2.80～4.60 m；為保障行駛安全，設置重心縱向偏移固定值為-0.50 m；重心的橫向位置位于平板車的橫向中心位置；仿真實驗路段選擇直線加彎道路段，其彎道半徑為300 m，附著系數為0.85，不設道路橫坡、縱坡.仿真實驗方法如上2.1所示.通過公路大件運輸車組在彎道路段的正交實驗，得到裝載質量和重心高度影響下的彎道行駛安全車速閾值，如表4所示.

表4 雙因素影響下的彎道行駛安全車速閾值

根據表4繪制裝載質量和重心高度影響下的彎道行駛安全車速閾值三維曲面圖，如圖7所示.

運用Matlab的二次響應曲面工具擬合裝載質量、重心高度和彎道行駛安全車速閾值的響應面函數[16]，得到響應面擬合公式為，

V(H,G)=183.2-15.9H-1.419G-5.973×

10-2HG+1.774×10-2G2-3.858×

10-4HG2-7.156×10-5G3

(4)

式中，V(H,G)為重心高度和裝載質量影響下的彎道安全車速閾值,km/h；H為重心高度，m；G為裝載質量，t為模型精確度為0.996 7.

由圖7可知，裝載質量越重時，重心高度的調整對彎道行駛安全車速閾值影響越大；在裝載質量和重心高度同時增加時，彎道行駛安全車速閾值減小得更快.同時，得到的擬合公式對公路大件運輸彎道行駛安全車速閾值的擬合公式更加精確，能給予一定的理論支持.

3.2 仿真驗證

由于公路大件運輸車組彎道行駛安全車速閾值實驗的危險性，對裝載質量和重心高度影響下的彎道行駛安全車速閾值的計算模型的準確性驗證，仍采用上述2.1的仿真實驗進行驗證.

仿真驗證參數選取質量為63 t、重心高度為3.92 m，仿真路段及實驗步驟與2.1相同.仿真結果為：當車速為63 km/h時，大件運輸車輛剛好發生側翻；而經上述裝載質量和裝載重心與安全車速閾值的數學模型求解得出此時車速為63.33 km/h，與數學模型存有0.52%的計算誤差，擬合公式(4)得到的計算結果可靠.

3.3 彎道安全車速預估

大件運輸車輛的側滑、側翻等側向失穩事件與彎道半徑、路面附著條件等均密切相關，為保障大件車組行駛安全還應考慮彎道半徑和附著系數對公路大件運輸車輛彎道行駛安全閥值的影響.

因此對不同附著系數進行如上2.1的仿真實驗，并對實驗數據進行分析得到，當附著系數為0.26時車速達到閾值，此時附著系數即使持續增加到1，彎道安全車速閥值都不發生改變.考慮到大件運輸行駛公路大多為混凝土路面或瀝青路面，當路面潮濕或干燥時其附著系數都大于0.4[17]，故不考慮附著系數影響.對不同彎道半徑進行如上2.1的仿真實驗，對仿真實驗數據進行分析得到不同彎道半徑影響下的彎道安全車速閾值擬合公式為，

V(R)=6.24R0.4681

(5)

式中，V(R)為彎道半徑影響下的彎道安全車速閾值,km/h；R為彎道半徑,m.

結合式(4)和式(5)作彎道行駛安全車速分析：當轉彎半徑為300 m、裝載質量為60 t、重心高度為4.00 m時，計算得到V(R)=89 km/h,V(G,H)=62 km/h,可得彎道行駛安全車速閾值，V<62 km/h，由此可得彎道行駛安全車速預估模型，

Vsafe

(6)

式中,Vsafe為彎道行駛安全車速，km/h.

4 結 論

1)大件運輸車組的裝載質量為20～40 t時，對安全車速閾值影響較大，隨著裝載質量的增加影響逐漸變小；當大件貨物重心高度較低時，彎道行駛安全車速閾值的影響要比重心高度較高時的影響大；大件貨物重心的縱向偏移對彎道行駛安全車速閾值影響較小，裝載重心的縱向前偏移使安全車速閾值減小，縱向后偏移使彎道行駛安全車速閾值增大.大件運輸車組在裝載質量較小和裝載重心較低時，為保障大件車組彎道行駛安全應留出較大車速余值.

2)仿真分析發現，裝載工況對彎道行駛安全車速閾值影響較大的是裝載質量和大件貨物的重心高度，大件貨物重心的縱向偏移影響較小.

3)本研究以影響較大的雙因素進行正交實驗，結合彎道因素得到在不同裝載質量和不同重心高度影響下，大件運輸車組彎道路段安全車速閥值預估模型.通過模型能給予公路大件貨物運輸車輛在彎道下安全行駛的車速建議，結合彎道因素和輪廓通過性研究，保障公路大件運輸車組行駛安全.