混凝土攪拌運(yùn)輸車抗側(cè)翻穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

方順亭　齊鳴　楊清凱　崔慶濤　李晶

摘 要：混凝土攪拌運(yùn)輸車在我國(guó)的工程建設(shè)中起著重要的作用，同時(shí)其運(yùn)輸安全則是亟需解決的問(wèn)題，由于其運(yùn)輸質(zhì)量大、質(zhì)心高、加之?dāng)嚢柰膊煌５匦D(zhuǎn)，均使得其操縱穩(wěn)定性變差，容易引發(fā)側(cè)翻事故。本文在分析混凝土攪拌運(yùn)輸車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，分別對(duì)其在水平路面上的左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎的運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)用理論力學(xué)進(jìn)行討論，得出右旋混凝土攪拌車左轉(zhuǎn)彎的抗側(cè)翻能力要好于右轉(zhuǎn)彎;并依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)樣車進(jìn)行抗側(cè)翻穩(wěn)定性試驗(yàn)研究以驗(yàn)證結(jié)論的正確性。

關(guān)鍵詞：混凝土攪拌運(yùn)輸車 抗側(cè)翻能力 抗側(cè)翻穩(wěn)定性試驗(yàn)

Experimental Study on the Stability of Anti-rollover of Concrete Mixer Truck

Fang Shunting Qi Ming Yang Qingkai Cui Qingtao Li Jing

Abstract：Concrete mixer truck plays an important role in China's engineering construction. At the same time， its transportation safety is an urgent problem to be solved. Due to its large transportation quality， high center of mass， and the continuous rotation of the mixing drum， its handling stability become worse， which can easily cause rollover accidents. In this paper， based on the analysis of the structural characteristics of the concrete mixer truck， the left turn and right turn of the truck on the horizontal road were discussed， and it was concluded that the anti-rollover ability of the left turn of the truck is better than that of the right turn. According to the national standard， the anti-rollover stability test of the sample truck is carried out to verify the correctness of the conclusion.

Key words：concrete mixer truck， anti-rollover ability， anti-rollover stability test

1 前言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的建筑行業(yè)也隨之迅猛發(fā)展。然而像商業(yè)住宅建設(shè)、工業(yè)設(shè)施建設(shè)、地?zé)峁こ探ㄔO(shè)、道路建設(shè)等主要所需要的原料為混凝土，混凝土是由水、砂和石子以一定比例摻和，水泥為主要膠凝材料，經(jīng)攪拌而形成的人造石材。近些年，我國(guó)對(duì)混凝土的需求量處于上升趨勢(shì)，混凝土攪拌車則一直在混凝土攪拌站到工程建設(shè)地的運(yùn)輸起著極為重要的紐帶作用。但攪拌運(yùn)輸車的道路安全問(wèn)題是一個(gè)亟需解決的難題，因其側(cè)翻所導(dǎo)致的交通事故嚴(yán)重威脅著道路人員的生命和財(cái)產(chǎn)安全。2019年5月5日浙江省宜興市張渚鎮(zhèn)一輛混凝土攪拌運(yùn)輸車在避讓轉(zhuǎn)彎的小轎車時(shí)，因?yàn)檐囁龠^(guò)快發(fā)生側(cè)翻，并將路邊一家工廠的房子壓塌，罐車駕駛員和房?jī)?nèi)一對(duì)夫妻被困，最終夫妻二人搶救無(wú)效雙雙身亡。2019年8月5日吳川市一輛混凝土攪拌運(yùn)輸車側(cè)翻，壓到了一輛黑色小轎車，轎車當(dāng)時(shí)有3人在內(nèi)，兩人獲救一人死亡。圖1為混凝土攪拌運(yùn)輸車側(cè)翻事故現(xiàn)場(chǎng)。

混凝土攪拌運(yùn)輸車在將混凝土從攪拌站運(yùn)輸?shù)绞┕さ攸c(diǎn)的過(guò)程中，為防止罐內(nèi)的混凝土凝固，罐體一直保持旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)?；炷翑嚢柽\(yùn)輸車在從郊區(qū)的攪拌站到市區(qū)的過(guò)程中，會(huì)經(jīng)歷彎道、坡道、坑洼路等多種復(fù)雜路面，同時(shí)還可能遇到緊急避讓或緊急制動(dòng)等多種工況。同時(shí)由于混凝土攪拌運(yùn)輸車邊行駛罐體邊旋轉(zhuǎn)的特有形式，其在轉(zhuǎn)彎的過(guò)程中，攪拌筒內(nèi)混凝土受到離心力作用，筒內(nèi)混凝土?xí)x心力相反的方向產(chǎn)生偏移，而由于攪拌罐的轉(zhuǎn)動(dòng)又加劇了質(zhì)心的偏移量，這樣就更增加了混凝土攪拌運(yùn)輸車側(cè)翻的危險(xiǎn)[1]。因此對(duì)混凝土攪拌運(yùn)輸車在轉(zhuǎn)彎時(shí)的理論和試驗(yàn)研究對(duì)降低行駛風(fēng)險(xiǎn)具有重要的意義。

2 混凝土攪拌運(yùn)輸車組成及結(jié)構(gòu)

混凝土攪拌運(yùn)輸車主要包括攪拌裝置、動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置和底盤行走裝置四個(gè)主要部分。其中：攪拌筒、攪拌筒支撐裝置、上料與出料裝置及檢修平臺(tái)等屬于攪拌裝置;攪拌筒驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、清洗裝置、壓縮氣體裝置和操縱裝置等屬于動(dòng)力裝置和傳動(dòng)裝置;底盤行走裝置包括汽車二類底盤、車架與支撐平臺(tái)等[2]，如圖2所示的混凝土攪拌運(yùn)輸車。

在運(yùn)輸過(guò)程中，為保證混凝土在從攪拌站運(yùn)往施工工地的途中不發(fā)生凝結(jié)，攪拌滾筒在運(yùn)輸途中必須保持一定的低速運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)攪拌筒的旋轉(zhuǎn)方向可分為左旋和右旋，從車尾朝前看，右旋攪拌筒以順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的筒內(nèi)雙螺旋葉片為左旋;同理，左旋攪拌筒以逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的筒內(nèi)雙螺旋葉片為右旋[3]。在幾何設(shè)計(jì)上，各國(guó)的攪拌車的旋轉(zhuǎn)方向是根據(jù)其在道路哪一側(cè)行駛來(lái)決定的。鑒于我國(guó)道路交通安全行駛規(guī)定，車輛靠右行駛，因此大多數(shù)攪拌車在運(yùn)輸過(guò)程中攪拌筒均為右旋。這種攪拌車右旋攪拌筒的設(shè)計(jì)使得攪拌筒在旋轉(zhuǎn)時(shí)車輛質(zhì)心向左偏移整車中心線50～100mm，適應(yīng)了我國(guó)道路中間高兩邊低的實(shí)際情況，平衡了整車的穩(wěn)定性[4]。故本文將在對(duì)混凝土攪拌運(yùn)輸車的結(jié)構(gòu)分析了解的基礎(chǔ)上，分別對(duì)右旋混凝土攪拌運(yùn)輸車的左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎的側(cè)翻極限的理論分析和抗側(cè)翻穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與分析。該項(xiàng)也正是交通運(yùn)輸部發(fā)布的JT/T 1178.1-2018《營(yíng)運(yùn)貨車安全技術(shù)條件 第1部分：載貨汽車》標(biāo)準(zhǔn)中4.5條款所對(duì)應(yīng)的要求“載貨汽車按照J(rèn)T/T884規(guī)定的方法進(jìn)行滿載狀態(tài)下的抗側(cè)翻穩(wěn)定性試驗(yàn)，車輛質(zhì)心處的向心加速度達(dá)到0.4g時(shí)車輛不應(yīng)發(fā)生側(cè)翻或側(cè)滑”[5]，本文將按照J(rèn)T/T 884《營(yíng)運(yùn)車輛抗側(cè)翻穩(wěn)定性試驗(yàn)方法穩(wěn)態(tài)圓周試驗(yàn)》規(guī)定進(jìn)行抗側(cè)翻穩(wěn)定性試驗(yàn)。

3 混凝土攪拌運(yùn)輸車水平路面上彎道行駛狀況下的側(cè)翻穩(wěn)定性分析

混凝土攪拌運(yùn)輸車在彎道上行駛時(shí)由于受到向外的離心力作用，質(zhì)心向外側(cè)偏移，導(dǎo)致車輛內(nèi)外兩側(cè)的車輪載荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，側(cè)向加速度越大，內(nèi)側(cè)車輪載荷越低，外側(cè)車輪載荷越高，車輛的穩(wěn)定性則越低。JT/T 1178.1-2018標(biāo)準(zhǔn)中4.5條款明確要求滿載狀態(tài)試驗(yàn)[6]，本文對(duì)滿載的右旋混凝土攪拌運(yùn)輸車左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)的側(cè)向加速度進(jìn)行分析。

3.1 左轉(zhuǎn)彎時(shí)側(cè)向加速度分析

如圖3所示為混凝土攪拌運(yùn)輸車左轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)對(duì)右輪取矩的受力分析，存在如下的三種狀態(tài)：

（1）

穩(wěn)定狀態(tài)：，即：

（2）

穩(wěn)定狀態(tài)：，即：

（3）

側(cè)翻狀態(tài)：

（4）

式中：

B——攪拌車輪距

——第i部件質(zhì)心到左側(cè)車輪輪胎中心的水平距離

——攪拌車第部件的重力

——攪拌車第部件到右側(cè)輪胎中心的距離

——攪拌筒內(nèi)混凝土重力

——攪拌車第部件的質(zhì)心高度

——攪拌筒旋轉(zhuǎn)造成的攪拌車質(zhì)心橫向偏移量

——攪拌筒旋轉(zhuǎn)造成的攪拌車質(zhì)心縱向偏移量

——攪拌車圓周行駛的速度

——攪拌車圓周行駛的半徑（由于各部件間的位置差別相對(duì)于圓周運(yùn)動(dòng)的半徑小得多，因此認(rèn)為各部件的轉(zhuǎn)彎半徑都為R）

——地面對(duì)攪拌車左輪的支撐力

對(duì)臨界狀態(tài)求解，得：

（5）

3.2 右轉(zhuǎn)彎時(shí)側(cè)向加速度分析

如圖4所示為混凝土攪拌運(yùn)輸車右轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)對(duì)左輪取矩的受力分析，存在如下的三種狀態(tài)：

（6）

穩(wěn)定狀態(tài)：，即：

（7）

臨界狀態(tài)：，即：

（8）

側(cè)翻狀態(tài)：

（9）

對(duì)臨界狀態(tài)求解，得：

（10）

式（5）、（10）中的變量均可通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得，而車輛質(zhì)心與車輛中心線通常偏差并不大，值與接近相等，可知對(duì)于右旋攪拌運(yùn)輸車在左轉(zhuǎn)彎的情況下較右轉(zhuǎn)彎具有更高的側(cè)向加速度和抗側(cè)翻能力。所以，相同參數(shù)的情況下，右轉(zhuǎn)彎比左轉(zhuǎn)彎更容易發(fā)生側(cè)翻事故，這是因?yàn)閷?duì)于右旋攪拌車的質(zhì)心本身已偏向左側(cè)，使得右輪載荷降低，而右轉(zhuǎn)彎時(shí)由于離心力的作用加大了載荷向左側(cè)的轉(zhuǎn)移，右側(cè)車輪的載荷更加降低，更容易發(fā)生側(cè)翻事故;而左轉(zhuǎn)彎時(shí)盡管離心力的作用使得載荷向右側(cè)輪胎轉(zhuǎn)移，但是由于其本身左側(cè)車輪載荷就高于右側(cè)車輪載荷，因此相比較于右轉(zhuǎn)彎更不容易發(fā)生側(cè)翻事故[4]。

4 混凝土攪拌運(yùn)輸車在水平路面上的側(cè)翻穩(wěn)定性試驗(yàn)分析

本試驗(yàn)選用某企業(yè)的右旋混凝土攪拌運(yùn)輸車為試驗(yàn)樣車，車輛狀態(tài)為滿載，依據(jù)JT/T 884《營(yíng)運(yùn)車輛抗側(cè)翻穩(wěn)定性試驗(yàn)方法穩(wěn)態(tài)圓周試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗側(cè)翻試驗(yàn)，分別研究分析左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)時(shí)的側(cè)向加速度，同時(shí)也對(duì)驅(qū)動(dòng)軸車輪的輪速進(jìn)行采集，如圖5所示。

本試驗(yàn)采用定車速變轉(zhuǎn)角的的試驗(yàn)方法，分別以50km/h、55km/h、60km/h三種車速進(jìn)行左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)試驗(yàn)，采集并處理后的車速、后軸四個(gè)車輪速度以及側(cè)向加速度如圖6所示。

圖6中每張圖的上半部分為車速和輪速，其中墨綠色代表車速，淺藍(lán)色代表右后輪輪速，綠色代表左后輪輪速，紅色代表右前輪輪速，黃色代表左前輪輪速（此處的前后為兩后軸驅(qū)動(dòng)軸的相對(duì)位置而言），下半部分為車輛的側(cè)向加速度。根據(jù)圖6-1、圖6-2、圖6-3的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，車輛保持一定的車速向右轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤，逐漸增大轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角時(shí)，車輛的側(cè)向加速度逐漸增加，直至右后輪的輪速瞬時(shí)升高，從圖中可以看出藍(lán)色右后輪輪速曲線瞬間突增，體現(xiàn)在右后輪明顯地開始出現(xiàn)打滑，側(cè)向加速度此刻則達(dá)到峰值，輪胎對(duì)地面的附著力開始降低，車速下降，側(cè)向加速度減小。左轉(zhuǎn)狀態(tài)同右轉(zhuǎn)，綠色左后輪速度曲線瞬間升高，體現(xiàn)在左后輪出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。分別對(duì)比圖6-1與圖6-4，圖6-2與圖6-5，圖6-3與圖6-6不難看出，在側(cè)向加速度達(dá)到峰值時(shí)，右轉(zhuǎn)時(shí)右后輪輪速的增加幅度明顯要遠(yuǎn)高于左轉(zhuǎn)時(shí)左后輪輪速的增加幅度，打滑現(xiàn)象更嚴(yán)重，可知右轉(zhuǎn)時(shí)載荷的偏移量要更甚于左轉(zhuǎn)時(shí)載荷的偏移量。

表1為車輛的側(cè)向加速度穩(wěn)定后采集時(shí)間為3秒的平均值，由表可知，三種速度下的左轉(zhuǎn)的側(cè)向加速度值均要高于右轉(zhuǎn)，并對(duì)其他品牌的右旋混凝土攪拌運(yùn)輸車樣車進(jìn)行了抗側(cè)翻試驗(yàn)，即便有部分車輛因?yàn)槌霈F(xiàn)車輪打滑，導(dǎo)致車輛側(cè)向加速度無(wú)法達(dá)到0.4g，測(cè)得側(cè)向加速度值也均為左轉(zhuǎn)高于右轉(zhuǎn)，這也更加印證了式（10）的結(jié)論分析。

5 結(jié)論

本文從混凝土攪拌運(yùn)輸車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行狀態(tài)出發(fā)，針對(duì)右旋混凝土攪拌運(yùn)輸車在水平路面上的左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎的受力情況進(jìn)行了分析，分類討論三種狀態(tài)并在側(cè)翻臨界狀態(tài)下求得側(cè)向加速度的極限值：左轉(zhuǎn)彎的抗側(cè)翻能力要好于右轉(zhuǎn)彎。在理論分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)右旋混凝土攪拌運(yùn)輸車進(jìn)行實(shí)測(cè)抗側(cè)翻穩(wěn)定性試驗(yàn)，驗(yàn)證這一結(jié)論。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于在驅(qū)動(dòng)軸兩側(cè)的外側(cè)車輪加裝了輪速傳感器，根據(jù)輪速的變化情況反映驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，為整車抗側(cè)翻試驗(yàn)運(yùn)行狀態(tài)的分析提供數(shù)據(jù)支持。

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