多軸特種車輛底盤性能匹配研究

劉 健，肖柳勝，吳漢川，龐 罕，肖文生

（1.中國石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島266580；2.江漢石油管理局 第四機(jī)械廠，湖北 荊州434000）①

隨著國內(nèi)外工業(yè)的飛速發(fā)展，促進(jìn)了各領(lǐng)域的特種車輛（以下簡稱特車）不斷改進(jìn)。以石油行業(yè)為例，為提高效率，很多石油裝備向重載化、集成化、快移快裝方向發(fā)展，就需要車載，加之油田道路復(fù)雜，對(duì)底盤的要求越來越高。例如油田壓裂車、沙漠鉆機(jī)、車載修井機(jī)、水泥固井車、混沙車等。特車設(shè)計(jì)工作比較繁瑣、耗資大、設(shè)計(jì)周期長，且各類特車的底盤性能的設(shè)計(jì)匹配存在性能不足或者性能過盈的現(xiàn)象。為了保證特種車輛的行駛性能、工作性能和底盤強(qiáng)度，節(jié)省設(shè)計(jì)制造成本，必須通過理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。本文提出一套整車底盤性能匹配的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并開發(fā)了相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，縮短了多軸特車的研發(fā)和性能匹配的設(shè)計(jì)周期，為其性能改進(jìn)提供快捷準(zhǔn)確的計(jì)算平臺(tái)。

1 影響因素分析

多軸特種車輛一般采用二類底盤，車載設(shè)備的參數(shù)、底盤車架的結(jié)構(gòu)參數(shù)及剛度、強(qiáng)度、車輪及懸架的結(jié)構(gòu)、軸距、整車質(zhì)量及尺寸、發(fā)動(dòng)機(jī)等性能參數(shù)都將會(huì)對(duì)整車底盤性能產(chǎn)生影響，研究其內(nèi)在聯(lián)系對(duì)底盤性能匹配和評(píng)價(jià)有著重要的作用。

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)的性能決定整車的原動(dòng)力，合理匹配可以滿足動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、通過性的要求，避免功率不足或能源浪費(fèi)。發(fā)動(dòng)機(jī)功率大小，影響最大驅(qū)動(dòng)力及輸出扭矩、百公里油耗、最高車速和最大爬坡度［1］。

最大輸出轉(zhuǎn)矩為

式中：n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；P為發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速n下的功率（通過發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線可以獲得）。

最大驅(qū)動(dòng)力為

式中：i0為發(fā)動(dòng)機(jī)至驅(qū)動(dòng)橋主減速比；ig為變速箱各擋速比；η為發(fā)動(dòng)機(jī)至車輪的傳動(dòng)效率；R為車輪半徑。

1.2 軸距

軸距及各重載部件安裝位置影響到軸載荷分配、承載性能、制動(dòng)爬坡、越障能力、振動(dòng)舒適性、最小轉(zhuǎn)彎半徑、橫向和縱向半徑、側(cè)傾穩(wěn)定角和越過臺(tái)階及壕溝的能力。多軸特車的軸載荷是進(jìn)行總體布局、整車動(dòng)力學(xué)分析的必要參數(shù)。軸載荷分配有4種方法：①靜力平衡方法（將整車簡化為簡支梁），只適用于三軸以下；②位移法，假設(shè)車架為一縱向剛性橫梁，如圖1a；③力法，假設(shè)車架為一縱向連續(xù)梁，計(jì)算模型如圖1b；④等剛度法，由于各橋軸距相差不大，在設(shè)計(jì)時(shí)各橋可按等剛度進(jìn)行設(shè)計(jì)［2－3］。

1.3 車輪性能及尺寸

輪胎性能及尺寸影響整車通過性、制動(dòng)性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和安全性。寬輪胎的角加速度波動(dòng)小，很快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，減少輪胎磨損，提高使用壽命，操縱穩(wěn)定性好，經(jīng)濟(jì)性下降，縱向滑移率和側(cè)傾角減少，車輛抓地力、制動(dòng)性好。胎壓降低的效果和寬輪胎類似。百公里油耗為

式中：Qs為百公里燃油消耗量；Ps為汽車阻力功率；be為最低燃油消耗率；R 為車輪半徑；va為車速。

圖1 多軸特車軸載荷計(jì)算模型

1.4 車裝設(shè)備布置

車裝設(shè)備的質(zhì)量、尺寸和布置位置影響軸載荷分配、整車質(zhì)量、穩(wěn)定性、平順性、經(jīng)濟(jì)性、安全壽命和車架的力學(xué)性能，合理匹配可降低車架的應(yīng)力及變形。對(duì)產(chǎn)生動(dòng)載荷的設(shè)備（例如壓裂車大泵）更應(yīng)合理布局，如圖2。

圖2 車裝設(shè)備及振動(dòng)激勵(lì)模型

以2 206kW壓裂車為例，由于路面溝坎及工況惡劣，懸架受力不均，底盤大梁扭轉(zhuǎn)變形，底盤、副大梁及副大梁連接螺栓在交變載荷作用下發(fā)生疲勞斷裂以及螺栓松動(dòng)等失效現(xiàn)象；作業(yè)時(shí)臺(tái)上設(shè)備振動(dòng)劇烈，產(chǎn)生附加動(dòng)載荷，降低車架的使用壽命。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，進(jìn)行有限元靜動(dòng)態(tài)仿真，避免疲勞損傷和模態(tài)共振［4］，車架模態(tài)分析結(jié)果如圖3。

1.5 整車質(zhì)量和質(zhì)心

整車質(zhì)量決定整車的動(dòng)力性、通過性及燃油經(jīng)濟(jì)性；質(zhì)心位置決定著整車的穩(wěn)定安全性、側(cè)傾轉(zhuǎn)彎性、振動(dòng)舒適性、百公里油耗、最大駐坡度和轉(zhuǎn)彎性能。整車質(zhì)心靠前增加不足轉(zhuǎn)向特性；質(zhì)心靠后，出現(xiàn)過多轉(zhuǎn)向特性［5－6］，如圖4 。

圖3 車架前6階模態(tài)振型

圖4 某一重心位置的轉(zhuǎn)彎性能

1.6 主副車架裝配尺寸及結(jié)構(gòu)

車架材料、尺寸、結(jié)構(gòu)影響車架的力學(xué)性能?？v梁尺寸，橫梁數(shù)量、焊接位置、材料密度、彈性模量和泊松比，合理的匹配可降低應(yīng)力及變形，提高使用壽命，如圖5。

圖5 不同車架材料與結(jié)構(gòu)的受力變形

2 軟件評(píng)價(jià)系統(tǒng)研發(fā)

依據(jù)以上建立的性能匹配與評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合相關(guān)計(jì)算方程，設(shè)計(jì)出多軸特車底盤性能匹配軟件，可以縮短多軸特車的設(shè)計(jì)研發(fā)和性能匹配的設(shè)計(jì)周期，為其性能改進(jìn)提供快、精、準(zhǔn)的平臺(tái)。

首先確定軸數(shù)和驅(qū)動(dòng)軸數(shù)，然后進(jìn)入分析主界面，根據(jù)分析項(xiàng)目流程，進(jìn)行以下項(xiàng)目：動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、制動(dòng)性、穩(wěn)定性、通過性、平順性、重心及軸載荷分配、強(qiáng)度及模態(tài)分析、車裝設(shè)備連接。壓裂車實(shí)例分析界面如圖6。

圖6 壓裂車性能分析主界面

任選一模塊進(jìn)入其子分析模塊，例如動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟(jì)性模塊，出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)匹配功率及百公里油耗評(píng)價(jià)窗口，輸入計(jì)算所需數(shù)據(jù)，計(jì)算得到分析結(jié)果。此時(shí)點(diǎn)擊右上角保存數(shù)據(jù)按鈕，方便下次繼續(xù)使用。最后點(diǎn)擊菜單欄里的返回上一界面，繼續(xù)下一步操作，如圖7。

圖7 分析子模塊及子菜單

其他分析模塊用同樣的方法分析。整個(gè)軟件簡便實(shí)用，節(jié)省時(shí)間和成本，理論計(jì)算與現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果比較符合。

3 應(yīng)用實(shí)例及試驗(yàn)驗(yàn)證

以某重載多軸特種車為例，采用多軸特車底盤性能匹配軟件，輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，得到的輸出數(shù)據(jù)和現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，如表1。結(jié)果表明，多軸特車底盤性能匹配軟件分析結(jié)果和現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差在10%以內(nèi) 。

表1 軟件評(píng)價(jià)與現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)語

本文通過分析底盤性能的影響因素及評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合相關(guān)計(jì)算方法研發(fā)了一套多軸特車底盤性能匹配軟件?，F(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了該軟件的可靠性。該軟件縮短了多軸特車的設(shè)計(jì)周期，為特車設(shè)計(jì)及性能改進(jìn)提供了平臺(tái)和依據(jù)。

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