基于ADAMS 的公路大件貨物運(yùn)輸仿真及綁扎加固分析

成 艷，曾傳華，張一寒

（西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，四川 成都 610039）

近年來，隨著我國大型工程項(xiàng)目的不斷增加，大件物流市場需求日益增長，促進(jìn)了我國大件運(yùn)輸業(yè)飛速發(fā)展。大件貨物通常具有形狀不規(guī)則、科技含量較高、超重、超長、超大等特點(diǎn)，這使其運(yùn)輸難度較大。為保證大件貨物完整安全地運(yùn)送到項(xiàng)目建設(shè)基地，運(yùn)輸過程中的安全可靠性分析尤為重要。貨物運(yùn)輸?shù)陌踩耘c其運(yùn)動狀態(tài)和綁扎加固方案有關(guān)[1]，因此研究大件貨物的運(yùn)動狀態(tài)和制定合理的綁扎加固方案對大件貨物運(yùn)輸安全性有著極其重要的作用。

在大件貨物運(yùn)輸安全穩(wěn)定性及綁扎加固方案方面，業(yè)界學(xué)者進(jìn)行了大量研究。李夢澤[2]通過對不同工況下大件運(yùn)輸車輛的行駛狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)影響大件貨物運(yùn)輸安全穩(wěn)定性最突出的因素是垂向加速度。李江濤[3]根據(jù)不同的大件貨物綁扎方案的研究結(jié)果得出了大件貨物綁扎安全性的影響因素，有針對性地設(shè)計(jì)出了一套安全可靠的大件貨物綁扎方案。Pal?aitis et al[4]總結(jié)了大件貨物運(yùn)輸?shù)挠绊懸蛩兀缓筮M(jìn)行風(fēng)險評價，建立了大件運(yùn)輸事故風(fēng)險理論模型。為了進(jìn)一步分析貨物的綁扎加固方式對大件貨物運(yùn)輸過程中運(yùn)動狀態(tài)的影響，可根據(jù)GB/T4970—2009《汽車平順性試驗(yàn)方法》，以運(yùn)輸過程中大件貨物的加速度均方根值為依據(jù)，從而判定裝載車輛運(yùn)輸?shù)钠巾樞訹5]，最終判定大件貨物綁扎方案的可行性。

本文主要在ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)中構(gòu)建大件運(yùn)輸車貨系統(tǒng)模型，在隨機(jī)路面條件下，模擬大件貨物在不同速度、不同重量下的加速度變化情況，并通過仿真分析得出貨物振動加速度隨行駛速度、重量變化的曲面擬合公式，為制定大件貨物的綁扎加固方案提供理論依據(jù)，保障大件貨物運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

1 整車及路面模型建立

1.1 整車模型

隨著我國大型工程項(xiàng)目的不斷增加，大件貨物種類越來越多，且形態(tài)各異，無法對每一種貨物進(jìn)行仿真分析，因此本文以形態(tài)規(guī)則的立方體作為大件貨物模型，在ADAMS/View 中建立整車模型，如圖1 所示。

圖1 ADAMS/View 大件運(yùn)輸整車模型

1.2 隨機(jī)路面模型

目前我國公路大件運(yùn)輸專用道路并未全面建成，在運(yùn)輸過程中，無法避免地會經(jīng)過大部分的省道或者山路，這就使得路面條件具有很大的隨機(jī)性[6]。

ADAMS 中Sayers 的路面生成工具Sayers 內(nèi)部綜合了大部分道路的實(shí)際測量數(shù)據(jù)。通過實(shí)際數(shù)據(jù)得出經(jīng)驗(yàn)路面模型[7]：

式中，Ge、Gs、Ga分別為白噪聲的空間、速度、計(jì)算速度功率譜密度幅值。根據(jù)需要設(shè)置Ge、Gs、Ga的幅值就能夠得到不同類型的路面模型[8]。

Sayers 經(jīng)驗(yàn)路面模型將道路粗糙度作為3 個因素的函數(shù)，3 個因素均由不一樣的噪聲來決定[9]。這些隨機(jī)的數(shù)列均采用高斯分布，各自有各自的零均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差 σ：

式中：G為Ge、Gs、Ga之 間的某一個幅值；Δ為采樣間隔[10]。

2 公路大件貨物仿真分析

根據(jù)GB/T 4970—2009 里面的相關(guān)規(guī)定，研究人員可將貨物的加速度均方根值作為整車平順性的判定標(biāo)準(zhǔn)，而公路大件貨物運(yùn)輸主要是在接近平穩(wěn)的隨機(jī)路面上進(jìn)行[11?12]。因此，本文通過ADAMS模擬公路大件貨物運(yùn)輸?shù)膶?shí)際狀況，在隨機(jī)路面條件下，分析大件貨物的加速度均方根值變化情況，從而判定公路大件貨物運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

車速對大件貨物運(yùn)輸?shù)挠绊懷芯恐?，貨物重量參?shù)設(shè)置為40 t，時間參數(shù)設(shè)置為20 s，分別分析速度在15、20、25、30、35 km/h 時大件貨物的運(yùn)動狀態(tài)，得出仿真結(jié)果。以速度為25 km/h 為例，貨物的加速度均方根值變化情況如圖2、3、4 所示。

圖2 車速25 km/h 時貨物縱向加速度

圖3 車速25 km/h 時貨物橫向加速度

圖4 車速25 km/h 時貨物垂向加速度

貨物重量對大件貨物運(yùn)輸?shù)挠绊懷芯恐?，將車速參?shù)設(shè)置為20 km/h，時間參數(shù)設(shè)置為20 s，分別仿真貨物重量在40、60、80、100、120、140、160、180、200、220、240 t 時大件貨物的運(yùn)動狀態(tài)，得出仿真結(jié)果。以貨物重量為60 t 為例，貨物的加速度均方根值變化情況如圖5、6、7 所示。

圖5 貨物重量為60 t 時的縱向加速度

根據(jù)ADAMS 仿真得出不同情況下的貨物加速度均方根值，利用MATLAB 生成加速度均方根值隨行駛速度、貨物重量變化曲面，如圖8、9、10 所示。

圖6 貨物重量為60 t 時的橫向加速度

圖7 貨物重量為60 t 時垂向加速度

圖8 縱向加速度均方根值隨速度、重量變化曲面圖

圖9 橫向加速度均方根值隨速度、重量變化曲面圖

圖10 垂向加速度均方根值隨速度、重量變化曲面圖

由于仿真所得數(shù)據(jù)具有離散性，使得生成的曲面不夠光滑，因此利用MATLAB 曲面擬合工具對所得曲面進(jìn)行處理，分別得到如圖11、12、13 所示的光滑曲面。

圖11 縱向加速度均方根值隨速度、重量變化光滑曲面圖

圖12 橫向加速度均方根值隨速度、重量變化光滑曲面圖

圖13 垂向加速度均方根值隨速度、重量變化光滑曲面圖

根據(jù)上述3 個方向的加速度均方根值隨行駛速度、重量的變化曲面圖可得出以下曲面公式：

式中：x為貨物重量；y為車輛行駛速度；f(x,y)1、f(x,y)2、f(x,y)3分別為大件貨物在縱向、橫向、垂向3 個方向的振動加速度。

因此，可根據(jù)式（3）推出在不同行駛速度和不同貨物重量下的大件貨物3 個方向的加速度，從而分析出貨物所受慣性力的范圍，進(jìn)而為大件貨物的綁扎加固工作提供理論依據(jù)。

3 大件貨物綁扎校核

由于垂向加速度的作用，會導(dǎo)致車體與貨物之間的摩擦力減小，此時貨物再受到縱向力和橫向力時，可能造成貨物在掛車上的縱向和橫向失效[13]。根據(jù)牛頓第二定律公式，加速度即可看作單位質(zhì)量貨物所受作用力，直觀地反映了作用力的強(qiáng)度。那么，貨物的縱向、橫向加速度值應(yīng)為：

式中：ax、ay、az為3 個方向的振動加速度，由式（3）確定；agx為在道路縱坡上與貨物下滑力等效的加速度；agy為在車體橫向傾斜的情況下，與貨物下滑力等效的加速度；azμ為貨物與車體、托架摩擦力等效加速度；jmax為緊急制動減速度，當(dāng)車輛速度很低時可以忽略；Ax、Ay分別為貨物的縱向、橫向加速度。

由于貨物垂向加速度產(chǎn)生的影響可轉(zhuǎn)換為綁扎加固器具的動載荷率，因此在進(jìn)行綁扎力計(jì)算時，可忽略貨物垂向加速度產(chǎn)生的影響。在進(jìn)行綁扎加固器具強(qiáng)度校核時，將貨物垂向加速度產(chǎn)生的影響轉(zhuǎn)換為動載系數(shù)，納入材料的安全系數(shù)[14]。

通過上述擬合公式對某大件貨物運(yùn)輸案例進(jìn)行安全綁扎校核。圖14 為某機(jī)組構(gòu)件的運(yùn)輸方案示意圖。此貨物采用12 軸2 縱列平板掛車運(yùn)輸，空掛車的質(zhì)量為40 t，貨物的質(zhì)量m=120 t，車輪制動力矩Mp=11.917 kN·m，車輪動力半徑r=368 mm，貨物質(zhì)心距車板距離1500 mm。長途道路運(yùn)輸，道路最大縱坡i=5%，行駛速度不超過30 km/h。本次運(yùn)輸使用的是直徑18 mm 結(jié)構(gòu)為 6×37S+FS鋼絲繩，破斷拉力為168 kN，同方向索具數(shù)量為2，材料安全系數(shù)為kp=1.3，垂向加速度引起的動載系數(shù)kr=1.3，索具螺旋扣的螺桿外徑為36 mm，破斷拉力為378 kN，安全系數(shù)為kp=2。貨物和托架、托架和車體之間都有橡膠墊，橡膠墊摩擦系數(shù)為0.8，取1.3 倍的摩擦安全系數(shù)，μ=0.8/1.3。鋼絲繩縱向角度折減系數(shù)fx=0.92，鋼絲繩橫向角度折減系數(shù)fy=0.76，其中 α=45?，β=59?，道路縱坡產(chǎn)生的等效加速度agx=0.05g，車體橫向傾斜時的等效加速度agy=0.26g，掛車最大制動減速度jmax=0.75g。

圖14 運(yùn)輸方案圖示

1）確定縱向、橫向加速度

將貨物重量x=120 t、速度y=30 km/h 分別代入上式中，可得ax=1.509 mm/s2,ay=3.406 mm/s2,az=8.63 mm/s2。

那么縱向加速度為

橫向加速度為

2）綁扎索具縱、橫向計(jì)算強(qiáng)度

鋼絲繩的安全力為

索具螺旋扣安全拉力為

比較得出安全拉力為145.4 kN。

可得縱向、橫向計(jì)算強(qiáng)度為：

3）綁扎系統(tǒng)校核

式中，n=2為縱向同方向起作用的索具數(shù)量。

因305.7 ＞218.3，所以防縱向滑移綁扎安全。

因230.4 ＞?416.8，所以防橫向滑移綁扎安全。由以上計(jì)算可以得出綁扎系統(tǒng)安全。

4 結(jié)論

本文基于ADAMS 建立公路大件貨物運(yùn)輸整車模型，仿真隨機(jī)路面條件下大件貨物的加速度隨車輛不同行駛速度、不同貨物重量的變化情況，得出擬合曲面圖，通過擬合曲面可得到以下結(jié)論。

1）在貨物重量不變的情況下，貨物在3 個方向上的加速度均方根值隨著行駛速度的增加而呈現(xiàn)上升趨勢。

2）在行駛速度不變的情況下，貨物在3 個方向上的加速度均方根值隨著貨物重量的增加而呈現(xiàn)下降趨勢，最終趨于平緩。

3）通過MATLAB 對擬合曲面進(jìn)行處理，得到光滑曲面，并生成了加速度曲面擬合公式，最終驗(yàn)證了擬合公式的可行性，可為公路大件貨物運(yùn)輸?shù)慕壴庸烫峁├碚撘罁?jù)。