LNG槽車公路橫向穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀

游 赟* 李夢瑩 梁 平 丁克勤 孔松濤

（1. 重慶科技學(xué)院 2. 中國特種設(shè)備檢測技術(shù)研究院）

0 前言

液化天然氣（LNG）槽車的經(jīng)濟(jì)性和靈活性較好，所以成為了地面運(yùn)輸LNG 產(chǎn)品的主要工具。槽車本身質(zhì)量較大，質(zhì)心位置偏高，在運(yùn)輸過程中罐內(nèi)液體流動性較強(qiáng)，當(dāng)槽車的運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生改變（如通過彎道等地形）時，罐內(nèi)液體的質(zhì)心會發(fā)生偏移，從而使槽車的橫向穩(wěn)定性顯著下降，導(dǎo)致其發(fā)生橫向翻傾。

為了防止槽車在運(yùn)輸過程中發(fā)生事故，大多研究是根據(jù)以往經(jīng)驗從槽車的設(shè)計方面來增加穩(wěn)定性和提高安全性。近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)以及衛(wèi)星定位技術(shù)的日趨成熟，企業(yè)對槽車安全性能的要求也越來越高。通過相應(yīng)的程序和設(shè)備對罐車的運(yùn)行狀態(tài)以及罐體的各項參數(shù)進(jìn)行高速、實時和有效采集并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時結(jié)合實時道路狀況進(jìn)行分析，可以對行駛在危險路段的槽車發(fā)出預(yù)警信號[1-2]。該技術(shù)可以實現(xiàn)槽車智能化監(jiān)測目標(biāo)，甚至能有效防止車輛傾翻以及LNG 泄漏等交通事故發(fā)生。

總而言之，車輛穩(wěn)定性的研究主要可以分為兩個部分：第一部分是車輛經(jīng)過彎道時的抗傾覆能力，主要影響因素是車速與轉(zhuǎn)彎半徑之間的關(guān)系以及加速度控制；第二部分是結(jié)合實時路況信息對相應(yīng)車輛的側(cè)滑能力結(jié)出實時評價。

與普通公路車輛不同，槽車運(yùn)輸罐內(nèi)的大量液體在轉(zhuǎn)向過程中會產(chǎn)生不可控制的橫向晃動，對車輛的穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。大多學(xué)者對車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，主要研究方式包括現(xiàn)場試驗、理論分析和數(shù)值模擬等[3]。

1 槽車橫向穩(wěn)定性影響因素

影響車輛穩(wěn)定性的因素較多，包括道路路況、駕駛員操作情況、貨物裝載情況以及車輛自身狀況等，這些因素都可能導(dǎo)致車輛發(fā)生側(cè)滑或側(cè)翻事故。

行駛道路的路面狀況是其中的關(guān)鍵因素，例如由于天氣原因道路上有水或者路面結(jié)冰，道路本身不平整或者有轉(zhuǎn)角較大的彎道、坡道等路況都會影響車輛行駛。另外，當(dāng)罐內(nèi)的LNG 液體晃動時會使槽車兩側(cè)受力不均衡，降低槽車的穩(wěn)定性。

當(dāng)有水平外力作用在行駛中的車輛上時（如大風(fēng)等），其穩(wěn)定性會顯著下降。當(dāng)風(fēng)向與車輛行駛方向平行（如順風(fēng)和逆風(fēng)）時，車速和制動距離會受到影響；而風(fēng)向與行駛方向垂直則會影響其橫向穩(wěn)定性。

胡朋等[4]在考慮路面平整度的條件下，對車輛橫向穩(wěn)定性的臨界風(fēng)速進(jìn)行了計算。他們認(rèn)為，影響車輛橫向穩(wěn)定性的臨界風(fēng)速與車速和道路摩擦系數(shù)密切相關(guān)，后者的影響更為顯著。

梁樹星[5]從力學(xué)角度分析了車輛的側(cè)滑和側(cè)翻現(xiàn)象并分別提出了相應(yīng)的預(yù)防方法。他認(rèn)為車輛側(cè)滑主要是因為在轉(zhuǎn)彎過程中，地面與車輛之間的摩擦力小于車輛安全轉(zhuǎn)彎所需要的向心力。因此，只能通過減速或者增大轉(zhuǎn)彎半徑來確保車輛轉(zhuǎn)彎時的安全性。同時他也指出了車輛軸距和重心高度是影響車輛側(cè)翻穩(wěn)定性的重要因素。

孫川等[6]通過采用動力學(xué)仿真軟件Simulink 與TruckSim 進(jìn)行聯(lián)合仿真實驗，對現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定的典型彎道進(jìn)行了行駛安全性評價。其研究表明，為了提高車輛轉(zhuǎn)彎時的穩(wěn)定性，必須降低車速，增大道路轉(zhuǎn)彎半徑。

2 側(cè)翻預(yù)警研究現(xiàn)狀

在現(xiàn)代汽車的穩(wěn)定性控制系統(tǒng)中，車輛動力學(xué)控制系統(tǒng)是比較典型的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將車輛的實際情況與理論分析的差異反饋給中控，通過輪間差動控制及調(diào)整發(fā)動機(jī)運(yùn)行來控制車輛的橫擺運(yùn)動[7-8]。

車輛在轉(zhuǎn)彎時需要控制其穩(wěn)定性，常用的轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定性控制方法主要是控制橫擺角速度偏差值的閾值和PID 控制，PID 控制是通過輸出橫向加速度、橫擺角速度以及側(cè)偏角參數(shù)反饋來控制車輛穩(wěn)定性。

劉彩志等[9-10]認(rèn)為確保車輛轉(zhuǎn)彎時的穩(wěn)定性必須同時控制橫擺角速度和側(cè)偏角，因為從車輛的動力性測驗中發(fā)現(xiàn)其橫擺角速度和橫向加速度并不對應(yīng)。為此，祁永寧等[11]綜合分析考慮了直接橫擺力矩控制和四輪轉(zhuǎn)向控制方法對維持車輛穩(wěn)定性的作用效果，在此基礎(chǔ)上建立的理想車輛模型在側(cè)偏角和橫擺角速度的參數(shù)輸出響應(yīng)上表現(xiàn)良好，在研究中進(jìn)一步選用結(jié)合了前饋和反饋兩種控制過程的控制策略，得到了表現(xiàn)最優(yōu)的控制器，有效減少了駕駛員操作流程，提高了車輛的穩(wěn)定性。

槽車裝載的介質(zhì)是液體，因此槽車的質(zhì)心位置會由于車輛轉(zhuǎn)彎或緊急制動等運(yùn)動狀態(tài)改變導(dǎo)致液體擺動而不斷產(chǎn)生變化，這對車輛安全穩(wěn)定行駛極其不利。質(zhì)心側(cè)偏角主要用于反映車輛行駛時的漂移情況，其定義是指車質(zhì)心速度與車速之間的夾角。質(zhì)心側(cè)偏角也是影響車輛穩(wěn)定性的重要因素，如圖1 所示。

圖 1 航向角θ、質(zhì)心側(cè)偏角β與橫擺角ψ關(guān)系

目前，質(zhì)心側(cè)偏角的估計方法根據(jù)原理不同大致可分為兩大類：一類是以動力學(xué)為基礎(chǔ)的估計方法，該估計方法對傳感器的要求不高，成本較低，因此被廣泛應(yīng)用[12]；另一類是基于運(yùn)動學(xué)的估計方法，該方法是基于車輛電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)傳感器配置而實現(xiàn)的。

在車輛的各種側(cè)翻指標(biāo)中,橫向荷載轉(zhuǎn)移率（LTR）是較為可靠的指標(biāo)[13]，其定義為：

式中：FL——左側(cè)輪胎所受的垂直于地面的載荷；

FR——右側(cè)輪胎所受的垂直于地面的載荷。

在車輛側(cè)傾過程中，LTR 隨著側(cè)傾狀態(tài)的改變而變化，LTR 的絕對值為0～1。當(dāng)LTR=0 時,表示車輛狀況良好,沒有發(fā)生側(cè)翻；當(dāng)LTR=1 時，表示車輛處于極限狀況,存在發(fā)生側(cè)翻的可能性。

賀宜等[14]通過LTR 值定量分析路面附著系數(shù)對車輛橫向穩(wěn)定性的影響后得到，一定范圍內(nèi)路面附著系數(shù)減小有利于維持車輛穩(wěn)定。當(dāng)路面附著系數(shù)增加到0.75 時，車輛在該路面上發(fā)生側(cè)翻的可能性大大增加；而當(dāng)該系數(shù)降低到0.7 以下時，車輛發(fā)生側(cè)翻的可能性急驟減??；當(dāng)該系數(shù)小于0.4 時，車輛側(cè)翻的可能性幾乎為0。

3 側(cè)滑預(yù)警研究現(xiàn)狀

運(yùn)用建模方法對車輛側(cè)滑進(jìn)行分析研究時，陳銘年[15]得到了運(yùn)輸罐罐體橫截面為橢圓類形狀的運(yùn)輸車輛彎道行駛的特性，如圖2 所示。

圖 2 橫向穩(wěn)定性特性曲線

圖2 中兩條橫向特性曲線1 和2 與坐標(biāo)軸圍成的封閉區(qū)域即為車輛橫向穩(wěn)定區(qū)域。

黃智等[16]采用在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中常用的可調(diào)節(jié)增益并參考模型中基于滑模跟蹤的相應(yīng)控制模塊，將控制器的控制目標(biāo)對象限定為橫擺角速度和側(cè)滑速度，通過控制驅(qū)動力分別作用在左輪和右輪上，直接生成橫擺力矩來克服或減弱側(cè)滑的影響，明顯提高了車輛在極限狀態(tài)時的操縱穩(wěn)定性。

賀宜等[14]也在車輛穩(wěn)定性研究中通過側(cè)滑穩(wěn)定性指標(biāo)EG（Engle-Granger）來分析路面附著系數(shù)對車輛側(cè)滑穩(wěn)定性的影響，他們認(rèn)為路面附著系數(shù)越小越不利于車輛側(cè)滑穩(wěn)定性。當(dāng)系數(shù)小于0.4 時，行駛車輛容易發(fā)生失控側(cè)滑等情況。

許金良等[17]通過Adams/Car 仿真系統(tǒng)對載重汽車在高速公路彎道和坡道組合路段進(jìn)行緊急制動的仿真模擬,得到載重汽車各個位置上輪胎的瞬時受力狀態(tài)及其變化趨勢并進(jìn)行了分析，研究載重汽車在坡道路段及彎道上行駛時的受力情況,完善了車輛瞬態(tài)響應(yīng)模型,分析了危險路段事故多發(fā)原因，提出了通過避免緊急制動、提前減速來保證車輛行駛安全。

鄒鐵方等[18]利用基于經(jīng)典力學(xué)模型的PC-Crash事故分析軟件仿真模擬了車輛發(fā)生側(cè)滑事故的全過程，并引入新的仿真參數(shù)明確具體步驟，得到了一種車輛側(cè)滑事故的仿真再現(xiàn)新方法。該方法通過對事故車輛的側(cè)滑過程進(jìn)行全程仿真模擬，進(jìn)而得到側(cè)滑車輛處于碰撞前一瞬間的各類實時運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)，并演示了該分步再現(xiàn)方法中各步驟的具體實現(xiàn)途徑，使軟件仿真再現(xiàn)結(jié)果中的痕跡與實際行車情況基本一致，如圖3 所示。

圖 3 仿真中側(cè)滑車軌跡

張德兆等[19]首先將單回旋線道路曲率模型與多個傳感器的實時信息結(jié)合，估計出行駛車輛前方道路的實時曲率，再綜合駕駛員的操作特性、行駛車輛實時狀態(tài)及性能等參數(shù)計算得到彎道行駛的極限安全車速。在此基礎(chǔ)上引入風(fēng)險狀態(tài)評價值R，對車輛在彎道路段行駛時的實時穩(wěn)定性進(jìn)行分析判斷，可以實現(xiàn)駕駛預(yù)警的目的，顯著提高了行車安全性。忽略車輛側(cè)翻事故，僅對車輛被甩出道路的側(cè)滑行駛工況來進(jìn)行彎道防側(cè)滑超速報警，此時R 可由下式確定：

式中：G——危險事件所占的權(quán)重，出于安全考慮預(yù)留出一定的安全余量，取G=1;

P——危險事件發(fā)生的概率。

P 可以由下式計算得到：

根據(jù)風(fēng)險狀態(tài)預(yù)估值R 的大小分級別對通過彎道時的車輛駕駛員進(jìn)行彎道防側(cè)滑超速報警提示。當(dāng)R＜0.5時，在該系統(tǒng)中設(shè)置為不報警；當(dāng)0.5≤R＜0.9時，設(shè)置為初級報警；當(dāng)R ≥0.9 時，設(shè)置為高級報警。

陳輝等[20]建立了側(cè)向平衡方程以及整車轉(zhuǎn)向模型，并引入側(cè)滑余量和側(cè)翻余量這兩個參數(shù)來判定車輛側(cè)滑和側(cè)翻的順序，進(jìn)而分析了重載車輛在轉(zhuǎn)向過程中的穩(wěn)定性。并進(jìn)一步分析了重載車輛橫向穩(wěn)定性與路面靜摩擦系數(shù)之間的定性關(guān)系,在衡量車輛穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向過程中的側(cè)向平衡性能時,側(cè)滑余量以及側(cè)翻余量這兩個參數(shù)具有重要的作用。

對實際工程中重載車輛的轉(zhuǎn)彎特性參數(shù)分別進(jìn)行仿真模擬并得出以下結(jié)論：在滿載系統(tǒng)中橫擺以及側(cè)傾慣性積參數(shù)的改變會導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性發(fā)生相應(yīng)變化；路面靜摩擦系數(shù)與側(cè)滑余量呈正相關(guān)，車輛質(zhì)心高寬比（質(zhì)心高度與輪距之比）與側(cè)翻余量呈負(fù)相關(guān)，兩個參數(shù)均會影響車輛的側(cè)翻穩(wěn)定性。

從發(fā)展方向上看，基于GPS 技術(shù)和4G 無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的罐車運(yùn)輸途中實時監(jiān)控系統(tǒng)能夠維持車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性，全方位對罐車運(yùn)行途中的狀態(tài)和罐體狀態(tài)進(jìn)行實時、有效地定位和監(jiān)測。監(jiān)控中心可以隨時查看罐車運(yùn)行狀態(tài)和罐體的各項參數(shù)，通過多傳感器數(shù)據(jù)融合方法進(jìn)行分析，對潛在的危險情況進(jìn)行分級別預(yù)警，確保罐車運(yùn)行安全，大幅提升了槽車行駛的安全性。此外，還能減輕駕駛員的操作負(fù)擔(dān)，對于降低事故發(fā)生率及增強(qiáng)車輛行駛過程中的安全性具有重要意義。

4 結(jié)論

指出了槽車不同于其他重載車輛的特點(diǎn)，由于液體的流動性導(dǎo)致槽車具有公路上行駛的特殊性和事故發(fā)生的高危險性。

路面狀況、裝載狀況、車輛自身狀況和外界環(huán)境導(dǎo)致的外力都是影響槽車橫向穩(wěn)定性的因素。

對槽車側(cè)翻和側(cè)滑的預(yù)警研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析。提出了通過GPS 衛(wèi)星定位和4G 無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)對公路槽車在途實時監(jiān)控將會是以后發(fā)展趨勢。