營運貨車系固點強度試驗方法的研究

吳剛，孫偉東，徐浩

(上海機動車檢測認證技術研究中心有限公司，上海 201805)

0 引言

據統計，2019年全國公路完成貨運量343.6億t，占全社會貨運量比重達到74%，公路貨運因價格低廉、機動性高、網絡覆蓋面大，成為目前我國主要的貨運方式。載貨汽車通常情況下都是用來裝載貨物的，然而大多數貨物都是不規則的，甚至有些貨物的外形會發生千變萬化，這些貨物一旦在道路上飛濺、掉落等，對道路上的其他車輛及乘客、行人都會造成不同程度的傷害甚至危及生命。為了防止類似情況發生，需要在貨車上布置合適的系固點數量，以及要求系固點有足夠的強度和剛度，同時配合綁帶、鏈條等對貨物進行綁扎，從而降低或者消除貨物的不安全因素，降低貨車在行駛中對周圍環境產生的風險系數。

為了進一步加強營運貨車安全技術管理，有效遏制因車輛安全性能不足導致的運輸安全事故，交通運輸部制定發布了交通運輸行業標準JT/T 1178.1—2018《營運貨車安全技術條件 第1部分：載貨汽車》，并于2018年5月1日起正式實施[1]。

1 標準要求

對于最大允許總質量大于3.5 t且小于12 t的貨運車輛參照JT/T 1178.1—2018《營運貨車安全技術條件 第1部分：載貨汽車》附錄E進行試驗。對于最大允許總質量大于3.5 t且不大于7.5 t的貨運車輛，其貨箱兩側系固點應能承受8 kN的拉力；對于最大允許總質量大于7.5 t且不大于12 t的貨運車輛，其貨箱兩側系固點應能承受10 kN的拉力；對于前墻上的系固點，應能承受10 kN的拉力。

對于最大允許總質量大于12 t的貨運車輛參照JT/T 882—2014《道路甩掛運輸貨物裝載與栓固技術要求》附錄C進行試驗。貨運車輛貨箱兩側系固點應能承受20 kN的拉力；對于前墻上的系固點，應能承受10 kN的拉力[2-3]。

2 受力分析

為保證系固點能起到應有的作用，其必須滿足強度要求，即在規定的載荷作用下，不應破壞；還要滿足剛度要求，即在滿足強度的同時，不能變形過大。因旋轉式的系固點不受載荷角度影響，文中主要針對欄板式貨箱兩側固定式的系固點進行分析，此類系固點可視為懸臂梁結構[4]。

2.1 建立模型

為幫助受力分析，對貨箱兩側的系固點建立一個簡單模型，即一根直徑為φ10 mm、長度為60 mm的圓柱，固定在一貨箱平板上，系固點的中心軸與平板側平面的距離定為45 mm，如圖1所示。

圖1 系固點簡單模型圖

2.2 受力分析

強度向導是在UG NX內一個集成的有限元分析系統，可以直接在UG NX的單個實體做基本的結構分析[5]，文中應用該功能對系固點的簡化模型進行受力分析，材料定義為鋼Steel，載荷大小為20 kN，分為6種情況進行分析。分析流程如圖2所示。

圖2 模型受力分析流程

其受力情況為：

(1)均布載荷作用在整個系固點上(水平)

載荷方向為水平，通過有限元分析得出，系固點上的最大應力為7 212 N/mm2，系固點頂端的變形量為6.0 mm，如圖3所示。

圖3 模型受力分析圖

(2)均布載荷作用在整個系固點上(有角度)

載荷方向為與系固點的中心軸成一角度并與貨箱平板下邊緣相交向上，通過有限元分析得出，系固點上的最大應力為4 403 N/mm2，系固點頂端的變形量為3.6 mm。

(3)均布載荷作用在系固點的上半部分上(水平)

載荷方向為水平，通過有限元分析得出，系固點上的最大應力為3 502 N/mm2，系固點的上半部分的變形量為0.8 mm，可近似得出系固點頂端的變形量為1.6 mm。

(4)均布載荷作用在系固點的上半部分上(有角度)

載荷方向為與系固點的中心軸成一角度并與貨箱平板下邊緣相交向上，通過有限元分析得出，系固點上的最大應力為2 841 N/mm2，系固點的上半部分的變形量為0.7 mm，可近似得出系固點頂端的變形量為1.4 mm。

(5)集中力載荷作用在系固點的中間位置上(水平)

載荷方向為水平，通過有限元分析得出，系固點上的最大應力為7 150 N/mm2，系固點的上半部分的變形量為2.0 mm，可近似得出系固點頂端的變形量為4.0 mm。

(6)集中力載荷作用在系固點的中間位置上(有角度)

載荷方向為與系固點的中心軸成一角度并與貨箱平板下邊緣相交向上，通過有限元分析得出，系固點上的最大應力為5 757 N/mm2，系固點的上半部分的變形量為1.7 mm，可近似得出系固點頂端的變形量為3.4 mm。

2.3 結果匯總

由表1可以看出，以上6種受力情況中，均布載荷作用在整個系固點上，受力方向為水平的情況，應力最大，系固點頂端的變形量也最大；均布載荷作用在系固點的上半部分上，受力方向為有角度的情況，應力最小，系固點頂端的變形量也最小。

表1 6種受力情況數據對比

3 試驗方法確定

通過對4個不同地點的實地調研，包括裝飾市場、蔬菜市場、五金市場和物流園區，調研對象為欄板式貨箱兩側的系固點。經過調研發現，在對較輕的貨物進行栓固時，會采用較細的繩索單圈栓固在系固點上，而在對較重的貨物進行栓固時，會采用較粗的繩索多圈栓固在系固點上，且繩索都是與系固點呈一定角度向上拉伸，該角度的大小取決于栓固在系固點上的位置和系固點與貨箱地板的距離[6]，如圖4所示。

圖4 實車貨物栓固圖

因此，在對較輕的貨物進行栓固的情況可視為均布載荷有角度地作用在系固點的上半部分上，在對較重的貨物進行栓固的情況可視為均布載荷有角度地作用在整個系固點上。由表1可以看出，一方面，3種受力位置在水平方向的載荷作用下的應力均大于有角度方向的載荷作用下的應力，但實際應用中沒有此類情況；另一方面，在帶有角度方向的載荷中，集中力載荷作用下的應力遠遠大于另外兩種情況，而實際應用中也沒有此類情況，所以若試驗按照以上兩種情況對系固點進行加載，會超出對系固點的強度要求。此外，因實際應用中都有均布載荷有角度作用在整個系固點上和均布載荷有角度作用在系固點的上半部分上這兩種情況，由于均布載荷有角度作用在系固點的上半部分上的應力遠小于均布載荷有角度作用在整個系固點上的應力，如果試驗采用均布載荷有角度作用在系固點的上半部分上這種情況進行，則會減少對系固點的強度要求。由以上分析得出最適當的試驗方法是均布載荷有角度作用在整個系固點上。

4 加載裝置設計

4.1 加載裝置的機械結構設計

模擬貨物的加載框架由若干根60 mm×6 mm的方管焊接而成，在框架上方的中間處裝有一個電動缸，為主要加載裝置。在框架的上、下方各裝有兩個定滑輪，用來改變繩索的方向，以利于框架在貨箱內加載，使得框架靠住貨箱欄板而不易翻倒。繩索的兩端各連接在系固點上和電動缸上，通過4個定滑輪，由電動缸對系固點進行加載，如圖5所示。

圖5 加載框架圖

4.2 電動伺服加載系統設計

4.2.1 控制系統總體設計

如圖6和圖7所示，系固點電動伺服加載系統采用西門子S7-1200 1214C DC/DC/DC作為主控單元，外加CB1241 RS485通信板與SM1234模擬量輸入輸出模塊，由于1214C自帶的模擬量輸出不支持4～20 mA輸入，所以必須增加模擬量輸入模塊，采用博途V14編程軟件進行模塊化編程，14路數字量輸入以及10路晶體管輸出可以滿足該系統的需求，上位機與PLC采用Profinet接口通信[7-8]。

圖6 總體控制系統結構框圖

圖7 控制系統實物圖

該系統采用松下MDDLT55SF伺服驅動器，支持脈沖輸入、模擬量電壓輸入以及RS485通信賦值。其控制系統共有兩種控制模式：位移控制與恒力控制。當需對系固點施加規定變形量時采用位移控制，此時驅動器工作模式為位移模式，PLC輸出的脈沖個數確定電機的轉角實現對電動缸的位移控制，通過改變脈沖頻率實現電動缸速度的控制，同時使用基于RS485的MODBUS_RTU通信協議，將電機機械角數據傳回，監控實際位移；當需對系固點施加恒定載荷時采用恒力控制，此時驅動器工作模式為扭矩模式，PLC通過SM1234模塊輸出模擬量給驅動器控制電機的扭矩大小，并且將壓力傳感器的模擬量采集并反饋給控制單元形成外部閉環，系統采用壓力變送器將壓力傳感器的毫伏級模擬量放大至4～20 mA，毫伏級模擬量的傳輸線應盡量取短，這樣可以有效避免信號的不穩定或者失真現象，壓力控制模式下，PLC通過MODBUS通信，來改變伺服驅動器的速度參數值。兩種控制模式由PLC數字量輸出經過中間繼電器控制驅動器DI來切換。

4.2.2 觸摸屏操作面板設計

上位機采用工業測控iPad，操作界面使用Labview進行編程，S7-1200擁有1個Profinet接口，采用TCP/IP協議與上位機通信。如圖8和圖9所示，在上位機的主界面上可以進行手動模式與自動模式的切換，設置壓力自動控制模式下的PID參數整定，實時曲線的顯示；在可編程界面上，系統最多支持四步循環程序編程，每一步控制都可以選擇位移模式或者壓力模式，可對每一步電缸的工作速度進行調節，除了設定總循環次數之外，還支持相鄰四步程序的子循環設定，可以對不同形式的系固點進行強度以及循環耐久載荷的加載。自動模式結束之后在可編程界面形成試驗曲線，點擊生成報告按鈕可生成Word版試驗報告，并在后臺保留試驗所有數據。

圖8 觸摸屏主界面

圖9 觸摸屏可編程界面

5 系固點強度試驗

將系固點試驗框架放置在貨箱內，并緊靠貨箱一側的欄板，以防止在試驗中框架翻倒。使用高強度織帶的一端采用多圈纏繞的方式連接在整個系固點上，并穿過4個定滑輪，將織帶的另一端固定在電動缸上，如圖10所示。在電動伺服加載系統操作面板上設定所需加載力和加載時間，最后對系固點進行加載，輸出帶有試驗數據和曲線的試驗報告，如圖11所示。

圖10 系固點強度試驗

圖11 系固點強度試驗報告

6 結束語

文中通過對6種情況的受力分析，并結合系固點應用的實際狀況，總結得出了最適當的試驗方法是均布載荷有角度作用在整個系固點上。同時，還設計了一套系固點強度的加載裝置，模擬貨物在貨箱內對系固點進行加載，可以更好地實現上述試驗方法，且該系統具有不同操作模式，不僅滿足國家標準的加載要求，還可以滿足客戶的特殊加載要求。經過實際應用，該加載裝置機動靈活、運行可靠，得到了客戶們的高度評價。