營(yíng)運(yùn)貨車(chē)系固點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)方法的研究

吳剛，孫偉東，徐浩

(上海機(jī)動(dòng)車(chē)檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年全國(guó)公路完成貨運(yùn)量343.6億t，占全社會(huì)貨運(yùn)量比重達(dá)到74%，公路貨運(yùn)因價(jià)格低廉、機(jī)動(dòng)性高、網(wǎng)絡(luò)覆蓋面大，成為目前我國(guó)主要的貨運(yùn)方式。載貨汽車(chē)通常情況下都是用來(lái)裝載貨物的，然而大多數(shù)貨物都是不規(guī)則的，甚至有些貨物的外形會(huì)發(fā)生千變?nèi)f化，這些貨物一旦在道路上飛濺、掉落等，對(duì)道路上的其他車(chē)輛及乘客、行人都會(huì)造成不同程度的傷害甚至危及生命。為了防止類(lèi)似情況發(fā)生，需要在貨車(chē)上布置合適的系固點(diǎn)數(shù)量，以及要求系固點(diǎn)有足夠的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)配合綁帶、鏈條等對(duì)貨物進(jìn)行綁扎，從而降低或者消除貨物的不安全因素，降低貨車(chē)在行駛中對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。

為了進(jìn)一步加強(qiáng)營(yíng)運(yùn)貨車(chē)安全技術(shù)管理，有效遏制因車(chē)輛安全性能不足導(dǎo)致的運(yùn)輸安全事故，交通運(yùn)輸部制定發(fā)布了交通運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 1178.1—2018《營(yíng)運(yùn)貨車(chē)安全技術(shù)條件 第1部分：載貨汽車(chē)》，并于2018年5月1日起正式實(shí)施[1]。

1 標(biāo)準(zhǔn)要求

對(duì)于最大允許總質(zhì)量大于3.5 t且小于12 t的貨運(yùn)車(chē)輛參照J(rèn)T/T 1178.1—2018《營(yíng)運(yùn)貨車(chē)安全技術(shù)條件 第1部分：載貨汽車(chē)》附錄E進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)于最大允許總質(zhì)量大于3.5 t且不大于7.5 t的貨運(yùn)車(chē)輛，其貨箱兩側(cè)系固點(diǎn)應(yīng)能承受8 kN的拉力；對(duì)于最大允許總質(zhì)量大于7.5 t且不大于12 t的貨運(yùn)車(chē)輛，其貨箱兩側(cè)系固點(diǎn)應(yīng)能承受10 kN的拉力；對(duì)于前墻上的系固點(diǎn)，應(yīng)能承受10 kN的拉力。

對(duì)于最大允許總質(zhì)量大于12 t的貨運(yùn)車(chē)輛參照J(rèn)T/T 882—2014《道路甩掛運(yùn)輸貨物裝載與栓固技術(shù)要求》附錄C進(jìn)行試驗(yàn)。貨運(yùn)車(chē)輛貨箱兩側(cè)系固點(diǎn)應(yīng)能承受20 kN的拉力；對(duì)于前墻上的系固點(diǎn)，應(yīng)能承受10 kN的拉力[2-3]。

2 受力分析

為保證系固點(diǎn)能起到應(yīng)有的作用，其必須滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，即在規(guī)定的載荷作用下，不應(yīng)破壞；還要滿(mǎn)足剛度要求，即在滿(mǎn)足強(qiáng)度的同時(shí)，不能變形過(guò)大。因旋轉(zhuǎn)式的系固點(diǎn)不受載荷角度影響，文中主要針對(duì)欄板式貨箱兩側(cè)固定式的系固點(diǎn)進(jìn)行分析，此類(lèi)系固點(diǎn)可視為懸臂梁結(jié)構(gòu)[4]。

2.1 建立模型

為幫助受力分析，對(duì)貨箱兩側(cè)的系固點(diǎn)建立一個(gè)簡(jiǎn)單模型，即一根直徑為φ10 mm、長(zhǎng)度為60 mm的圓柱，固定在一貨箱平板上，系固點(diǎn)的中心軸與平板側(cè)平面的距離定為45 mm，如圖1所示。

圖1 系固點(diǎn)簡(jiǎn)單模型圖

2.2 受力分析

強(qiáng)度向?qū)窃赨G NX內(nèi)一個(gè)集成的有限元分析系統(tǒng)，可以直接在UG NX的單個(gè)實(shí)體做基本的結(jié)構(gòu)分析[5]，文中應(yīng)用該功能對(duì)系固點(diǎn)的簡(jiǎn)化模型進(jìn)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(jìn)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(gè)系固點(diǎn)上(水平)

載荷方向?yàn)樗?，通過(guò)有限元分析得出，系固點(diǎn)上的最大應(yīng)力為7 212 N/mm2，系固點(diǎn)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(gè)系固點(diǎn)上(有角度)

載荷方向?yàn)榕c系固點(diǎn)的中心軸成一角度并與貨箱平板下邊緣相交向上，通過(guò)有限元分析得出，系固點(diǎn)上的最大應(yīng)力為4 403 N/mm2，系固點(diǎn)頂端的變形量為3.6 mm。

(3)均布載荷作用在系固點(diǎn)的上半部分上(水平)

載荷方向?yàn)樗?，通過(guò)有限元分析得出，系固點(diǎn)上的最大應(yīng)力為3 502 N/mm2，系固點(diǎn)的上半部分的變形量為0.8 mm，可近似得出系固點(diǎn)頂端的變形量為1.6 mm。

(4)均布載荷作用在系固點(diǎn)的上半部分上(有角度)

載荷方向?yàn)榕c系固點(diǎn)的中心軸成一角度并與貨箱平板下邊緣相交向上，通過(guò)有限元分析得出，系固點(diǎn)上的最大應(yīng)力為2 841 N/mm2，系固點(diǎn)的上半部分的變形量為0.7 mm，可近似得出系固點(diǎn)頂端的變形量為1.4 mm。

(5)集中力載荷作用在系固點(diǎn)的中間位置上(水平)

載荷方向?yàn)樗?，通過(guò)有限元分析得出，系固點(diǎn)上的最大應(yīng)力為7 150 N/mm2，系固點(diǎn)的上半部分的變形量為2.0 mm，可近似得出系固點(diǎn)頂端的變形量為4.0 mm。

(6)集中力載荷作用在系固點(diǎn)的中間位置上(有角度)

載荷方向?yàn)榕c系固點(diǎn)的中心軸成一角度并與貨箱平板下邊緣相交向上，通過(guò)有限元分析得出，系固點(diǎn)上的最大應(yīng)力為5 757 N/mm2，系固點(diǎn)的上半部分的變形量為1.7 mm，可近似得出系固點(diǎn)頂端的變形量為3.4 mm。

2.3 結(jié)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(gè)系固點(diǎn)上，受力方向?yàn)樗降那闆r，應(yīng)力最大，系固點(diǎn)頂端的變形量也最大；均布載荷作用在系固點(diǎn)的上半部分上，受力方向?yàn)橛薪嵌鹊那闆r，應(yīng)力最小，系固點(diǎn)頂端的變形量也最小。

表1 6種受力情況數(shù)據(jù)對(duì)比

3 試驗(yàn)方法確定

通過(guò)對(duì)4個(gè)不同地點(diǎn)的實(shí)地調(diào)研，包括裝飾市場(chǎng)、蔬菜市場(chǎng)、五金市場(chǎng)和物流園區(qū)，調(diào)研對(duì)象為欄板式貨箱兩側(cè)的系固點(diǎn)。經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在對(duì)較輕的貨物進(jìn)行栓固時(shí)，會(huì)采用較細(xì)的繩索單圈栓固在系固點(diǎn)上，而在對(duì)較重的貨物進(jìn)行栓固時(shí)，會(huì)采用較粗的繩索多圈栓固在系固點(diǎn)上，且繩索都是與系固點(diǎn)呈一定角度向上拉伸，該角度的大小取決于栓固在系固點(diǎn)上的位置和系固點(diǎn)與貨箱地板的距離[6]，如圖4所示。

圖4 實(shí)車(chē)貨物栓固圖

因此，在對(duì)較輕的貨物進(jìn)行栓固的情況可視為均布載荷有角度地作用在系固點(diǎn)的上半部分上，在對(duì)較重的貨物進(jìn)行栓固的情況可視為均布載荷有角度地作用在整個(gè)系固點(diǎn)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(yīng)力均大于有角度方向的載荷作用下的應(yīng)力，但實(shí)際應(yīng)用中沒(méi)有此類(lèi)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(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另外兩種情況，而實(shí)際應(yīng)用中也沒(méi)有此類(lèi)情況，所以若試驗(yàn)按照以上兩種情況對(duì)系固點(diǎn)進(jìn)行加載，會(huì)超出對(duì)系固點(diǎn)的強(qiáng)度要求。此外，因?qū)嶋H應(yīng)用中都有均布載荷有角度作用在整個(gè)系固點(diǎn)上和均布載荷有角度作用在系固點(diǎn)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(diǎn)的上半部分上的應(yīng)力遠(yuǎn)小于均布載荷有角度作用在整個(gè)系固點(diǎn)上的應(yīng)力，如果試驗(yàn)采用均布載荷有角度作用在系固點(diǎn)的上半部分上這種情況進(jìn)行，則會(huì)減少對(duì)系固點(diǎn)的強(qiáng)度要求。由以上分析得出最適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)方法是均布載荷有角度作用在整個(gè)系固點(diǎn)上。

4 加載裝置設(shè)計(jì)

4.1 加載裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(gè)電動(dòng)缸，為主要加載裝置。在框架的上、下方各裝有兩個(gè)定滑輪，用來(lái)改變繩索的方向，以利于框架在貨箱內(nèi)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(diǎn)上和電動(dòng)缸上，通過(guò)4個(gè)定滑輪，由電動(dòng)缸對(duì)系固點(diǎn)進(jìn)行加載，如圖5所示。

圖5 加載框架圖

4.2 電動(dòng)伺服加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.2.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖6和圖7所示，系固點(diǎn)電動(dòng)伺服加載系統(tǒng)采用西門(mén)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(jìn)行模塊化編程，14路數(shù)字量輸入以及10路晶體管輸出可以滿(mǎn)足該系統(tǒng)的需求，上位機(jī)與PLC采用Profinet接口通信[7-8]。

圖6 總體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖7 控制系統(tǒng)實(shí)物圖

該系統(tǒng)采用松下MDDLT55SF伺服驅(qū)動(dòng)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(tǒng)共有兩種控制模式：位移控制與恒力控制。當(dāng)需對(duì)系固點(diǎn)施加規(guī)定變形量時(shí)采用位移控制，此時(shí)驅(qū)動(dòng)器工作模式為位移模式，PLC輸出的脈沖個(gè)數(shù)確定電機(jī)的轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)缸的位移控制，通過(guò)改變脈沖頻率實(shí)現(xiàn)電動(dòng)缸速度的控制，同時(shí)使用基于RS485的MODBUS_RTU通信協(xié)議，將電機(jī)機(jī)械角數(shù)據(jù)傳回，監(jiān)控實(shí)際位移；當(dāng)需對(duì)系固點(diǎn)施加恒定載荷時(shí)采用恒力控制，此時(shí)驅(qū)動(dòng)器工作模式為扭矩模式，PLC通過(guò)SM1234模塊輸出模擬量給驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)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(huán)，系統(tǒng)采用壓力變送器將壓力傳感器的毫伏級(jí)模擬量放大至4～20 mA，毫伏級(jí)模擬量的傳輸線(xiàn)應(yīng)盡量取短，這樣可以有效避免信號(hào)的不穩(wěn)定或者失真現(xiàn)象，壓力控制模式下，PLC通過(guò)MODBUS通信，來(lái)改變伺服驅(qū)動(dòng)器的速度參數(shù)值。兩種控制模式由PLC數(shù)字量輸出經(jīng)過(guò)中間繼電器控制驅(qū)動(dòng)器DI來(lái)切換。

4.2.2 觸摸屏操作面板設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用工業(yè)測(cè)控iPad，操作界面使用Labview進(jìn)行編程，S7-1200擁有1個(gè)Profinet接口，采用TCP/IP協(xié)議與上位機(jī)通信。如圖8和圖9所示，在上位機(jī)的主界面上可以進(jìn)行手動(dòng)模式與自動(dòng)模式的切換，設(shè)置壓力自動(dòng)控制模式下的PID參數(shù)整定，實(shí)時(shí)曲線(xiàn)的顯示；在可編程界面上，系統(tǒng)最多支持四步循環(huán)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(duì)每一步電缸的工作速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，除了設(shè)定總循環(huán)次數(shù)之外，還支持相鄰四步程序的子循環(huán)設(shè)定，可以對(duì)不同形式的系固點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度以及循環(huán)耐久載荷的加載。自動(dòng)模式結(jié)束之后在可編程界面形成試驗(yàn)曲線(xiàn)，點(diǎn)擊生成報(bào)告按鈕可生成Word版試驗(yàn)報(bào)告，并在后臺(tái)保留試驗(yàn)所有數(shù)據(jù)。

圖8 觸摸屏主界面

圖9 觸摸屏可編程界面

5 系固點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)

將系固點(diǎn)試驗(yàn)框架放置在貨箱內(nèi)，并緊靠貨箱一側(cè)的欄板，以防止在試驗(yàn)中框架翻倒。使用高強(qiáng)度織帶的一端采用多圈纏繞的方式連接在整個(gè)系固點(diǎn)上，并穿過(guò)4個(gè)定滑輪，將織帶的另一端固定在電動(dòng)缸上，如圖10所示。在電動(dòng)伺服加載系統(tǒng)操作面板上設(shè)定所需加載力和加載時(shí)間，最后對(duì)系固點(diǎn)進(jìn)行加載，輸出帶有試驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線(xiàn)的試驗(yàn)報(bào)告，如圖11所示。

圖10 系固點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)

圖11 系固點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)報(bào)告

6 結(jié)束語(yǔ)

文中通過(guò)對(duì)6種情況的受力分析，并結(jié)合系固點(diǎn)應(yīng)用的實(shí)際狀況，總結(jié)得出了最適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)方法是均布載荷有角度作用在整個(gè)系固點(diǎn)上。同時(shí)，還設(shè)計(jì)了一套系固點(diǎn)強(qiáng)度的加載裝置，模擬貨物在貨箱內(nèi)對(duì)系固點(diǎn)進(jìn)行加載，可以更好地實(shí)現(xiàn)上述試驗(yàn)方法，且該系統(tǒng)具有不同操作模式，不僅滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的加載要求，還可以滿(mǎn)足客戶(hù)的特殊加載要求。經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用，該加載裝置機(jī)動(dòng)靈活、運(yùn)行可靠，得到了客戶(hù)們的高度評(píng)價(jià)。