混凝土搅拌运输车行驶稳定性分析.pdf

RM CM 誊 攘 一 。 。 混 凝 土搅 拌 运 输 车行 驶 稳 定 性 分 析 Ana l ys i s o n Tr a ve l i ng S t a bi l i t y o f Conc r e t e M i x i ng Tr uc k 胡素云 ， 王窈惠 ， 宋友发 HU Su yun W ANG Yao hui ，SO NG You f a 1 湖 南 广 播 电 视 大 学 机 电 工 程 系 ， 湖 南 长 沙 4 1 0 0 0 4 2 三 一 重 工 股 份 有 限 公 司 ， 湖 南 长 沙 4 1 0 1 0 0 1Depar t m ent of M echani c al and El ec t r i cal Engi neer i n g，Hunan Radio & TV Univer sit y，Changsha 41 0004 ，Hunan Ch i n a 2San y Hea vy I ndus t r y CoL t d ，Changsha 41 01 O0，Hunan，Chi na 【 摘耍 】 针对混凝土搅拌运输车在行驶过程中， 由混凝土偏心力S E Zj 1 起整车重心位置变化 ， 从而对车辆的行驶稳定 性 、 车 辆 两侧轮胎 所 受载 荷及 拐 弯行驶 侧翻 临界 速度 造成 的 影响 进行 分析 ， 得 到车 辆在 各种 行驶 状 况下左 右 轮 的承 载 百 分 比 、 车 辆 在 拐 弯 状 况 下 的 侧 翻 临 界 速 度 和 安 全 车 速 。结 果 表 明 ： 在 行 驶 过 程 中 ， 右 旋 搅 拌 车 左 右 轮 胎 负 荷 较 均 匀 ； 在 拐弯 半径 一定 的条件 下 ， 左旋 车 左拐 弯最 易翻 车 ， 右旋 车 右拐 弯次 之 ， 拐弯 时应 在安 全车 速范 围 内行驶 。 【 Ab s t r a c t】A s a c o n c r e t e mi x i n g t r u c k i s r u n n i n g ， t h e c e n t e r o f g r a v it y o f t h e wh o l e v e h i c l e s h if t s c a u s e d b y t h e eccent r ic l oadi ngThe l oading per cent age on w heel s i n al l dr i vi ng condit i ons，t he cr it i c al vel oci t y l ea di ng t o t ur ni ng over s i dew ays a t t he r oad bends and t he s af e speeds c an be f ound out by anal yz i ng t he ef f ec t on t he t r a vel i ng s t abi l i t y， t he t i r e l oads and t he c r it i c al vel oc i t y t o t ur n of f I t S appar ent t h at a bet t er bal ance can be gai ned be- t w een bot h sides t i r e Ioa di ngs w hen t he t r uck i s dr iven w it h t he dr um on i t spi nni ng t o t he r i ght si de 1 n t he con di t i on s of given r adi us， t he t r uck ca r r yi ng a l ef t spi nning dr um i s pr one t o r ol l i ng over m ost easi l y a s t ur ni ng lef t ， and t he f ol l ow i ng is t he t r uck c a r r yi ng a r i gh t spi nni ng dr um as t ur ni ng r i ght Al l t he t r ucks shoul d be dr iven w i t hi n t he s af e speeds w hen t ur ni ng of f 【 关键 词 】 混凝 土搅 拌 运输 车 ； 行 驶稳 定 性 ； 重 心 ； 安全 车 速 【 K e y wo r d s】c o n c r e t e mi x i n g t r u c k ； t r a v e l in g s t a b i l i t y ； c e n t e r o f g r a v it y ； s a f e s p e e d 中 图 分 类 号 ： U41 5 5 2 文 献 标 志 码 ： B 文 章 编 号 ： 1 0 0 0 0 3 3 X( 2 0 1 0 ) 1 1 0 0 7 8 -0 4 0 引 言 混 凝 土 搅 拌 运 输 车 是 在 载 重 汽 车 或 专 用 汽 车 底 盘 上 安 装一 个 可 以 自行 转 动 的搅 拌 筒 的专 用 汽 车 ( 图 1 ) 。 它承担 着将 混 凝土 从 搅拌 站安 全 、 可靠 、 高效地 运 输 到建 设 工地 的任 务 具 有 运输 和 搅动 的双 重 功能 ， 在 市 场上 得 到 广泛 使 用 搅拌 车 主要 由搅 拌车 底 盘 、 搅拌 筒 、 搅拌 简 驱 动 系统 、 供 水 系统 、 操 作 系统 、 进 出料 系统 组成 ， 辅之 有 副 车架 、 防 护装 置 等 1 _ 。混凝 土 搅拌 运 输 车 车 身 重 心高 ， 行 驶稳 定性 差 ， 另 外 车辆 本身 要 求边 行驶 边 搅动 ， 特别 是 满 载行 驶 时搅拌 筒 内 的混凝 土 不停 地 翻动 ，造成 整车 重 心位 置 不断 地偏 心 振动 ，在 拐 弯行驶 时如 果速度 过 快 就 汽车底盘及车架 装 置 图 1混 凝 土搅 拌 运 输 车 有发 生翻 车 事故 的危 险 。 因此 ， 对 混凝土 搅 拌运 输车 的 行 驶 稳 定 性 进 行 分 析 ， 提 出 安 全 行 驶 要 求 ， 对 提 高 商 品 混 凝 土生产 效 率和 安 全作 业 具有 重 要意 义 2 。 1 直 线 行 驶 状 况 下 重 心 位 置 的 变 化 及 稳 定 性 1 1 重 心 位 置 变 化 对 行 驶 稳 定 性 的 影 响 工 程 车 辆 一 般 用 失 稳 角 来 衡 量 行 驶 稳 定 性 失 稳 角 即 车 辆 产 生 失 稳 时 的 临 界 坡 度 角 ， 用 表 示 。 车 辆 倾 翻 一 般 为 横 向倾 翻 是 指 车 辆 绕 前 后 轮 触 地 点 连 线 向 左 或 向 右倾 翻 。 图2 是 车 架机 构 的运 动简 图 ， 图 中4、 曰、 c、 D为4 个 车 轮 的触 地 点 ， 为 桥 距 ， P为 车 辆 重 心 。 如 图 3 所 示 ， 假 设 倾 翻 边 为AC，将4、 C、 P 放 入 空 间 坐 标 系 中 ， A为坐 标 原 点 ， 曰 为 坐 标轴 ， 4 c为y 坐 标 轴 。若 车 辆 在有 一 定 路拱 坡 度 的道 路 上行 驶 ， 坡 度 角使 得车 身倾 斜 ， 当重力 作 用线 落在 y 轴 所 在 的 与地 面垂 直 的平 面 时 车 辆 刚 好 处 于 临 界 倾 翻 状 态 把 平 面 A 与 地 面 垂 线 之 间 的 夹 角 称 为 失 稳 角 其 计 算 式 为 t a n j S = x h ( 1 ) 式 中 ： 重心 离倾 翻 边 的距 离 ： 重 心 高 度 图2混 凝 土 搅 拌 运 输 车 车 架 简 化 机 构 l 圭 l 3空 间 坐 标 系 从 式 ( 1 ) 可 知 ， 失 稳 角 取 决 于 重 心 位 置 的 变 化 ， 与 重 心离开 倾 翻边 的距 离 成正 比 ， 与 重心 高度 成 反 比 失稳 角 越 大 ， 车 辆 稳 定 性 越 好 。 在 直 线 行 驶 状 况 下 当 路 拱 坡 度 角 过 大 ， 或小 使 得 减 小 ， 导 致 整 车 失 稳 。 1 2 路 拱 坡 度 和 混 凝 土 偏 心 力 矩 对 轮 胎 载 荷 的 影 响 1 2 1 左 旋 车 和 右 旋 车 的 概 念 根据 搅拌 筒 的旋 向 ，混凝 土搅 拌 车可 分 为左旋 车和 右 旋 车 ( 图4 ) ， 左 旋 车 即搅 拌 筒 螺 旋 叶 片 为左 旋 车 辆 行 图4车 辆 不 同 旋 向 E q u ip me n t Ma n a g e me 设 n t M 管 a i n 理 t e n an & ce 维 T e 修 c h n 技 o l o 术 g y RM CM & _ 驶 时 搅 拌 筒 逆 时针 方 向旋 转( 从 车 尾 向 前 看) ， 混凝 土 在 螺旋 叶片 的作 用 下沿 进 料 方向往 前 移动 ，达 到 不落 料 的 目的 ； 右旋 车 即搅拌 筒 螺旋 叶 片 为右旋 ， 车辆 行 驶时 搅拌 筒 顺 时 针 方 向旋 转 ( 从 车 尾 向前 看 ) ， 混 凝 土 在 螺 旋 叶 片 的 作 用 下 沿 进 料 方 向往 前 移 动 ， 达 到 不 落 料 的 目 的 。 1 2 2 左 旋 车 行 驶 在 平 路 上 两 侧 轮 胎 载 荷 分 析 左旋 车 行驶 在 平路 上( 图5 ) ， 路 拱使 混凝 土 重 心右移 ， 右 侧 轮 胎 负 荷 增 加 ：混 凝 土 偏 心 力 矩 也 使 混 凝 土 重 心 右 移 ， 同样 也 使右 侧 轮胎 负荷 增 加 。 两 种情 况 同 方 向共 同作 用 导 致 车 辆 两 侧 轮 胎 承 载 严 重 不 均 匀 。 旋 旋 旋 旋 旋 脚蜘 图6右 旋 车 在 平 路 上 行 驶 时 混 凝 土重 心 的偏 移情 况 RM CM 蘧 。 2 4 7 0 5 0 5 ， 右 轮 的承 载 百 分 比 一4 9 5 。 由此 可见 ： 中国道 路 上行 驶 的右旋 搅拌 车 其 左右 轮 胎 承 载 较 均 匀 ， 桥 荷 与 静 态 状 况 下 的 载 荷 变 化 不 大 所 以 中国用 户应优 先选 用右旋 搅拌 车 。 2 拐 弯 行 驶 状 况 下 重 心 位 置 的 变 化 和 稳 定 性 从 上 面 分 析 可 知 ， 在 平 路 上 行 驶 由 于 车 辆 旋 向 不 同 左 右 两 侧 轮 胎 所 承 受 的 载 荷 比 例 不 同 ；下 面 对 不 同 旋 向 车 辆在 转 弯时 整车 重 心 的变 化对 车辆 行驶 稳 定性 的影 向 进 行 分 析 2 1 车 辆 转 弯 时 两 侧 轮 胎 载 荷 分 析 2 1 1 右 旋 车 左 转 弯 右 旋 车 左 转 弯 情 况 如 图 7 ( a ) 所 示 ， 车 辆 拐 弯 ( 转 弯 半 径 为R ) 在 离 心 力 的作用 下 ， 侧翻 临 界状 态 瞬 间( 一 侧 轮 胎 对 地 压 力 为 零 ) 轮 胎 变 形 对 稳 定 幅 的 影 响 值 W e f 取 e 3 =7 6 I | I I n ) ， 悬 挂 变 形 对 稳 定 幅 的 影 响 值 为 e ( 取 e = 2 5 4 n l l l 1 ) ， 这 时 混 凝 土 重 心 向 右 偏 移 量 为 ： e =。 厂e 2 + e 3 + e =4 1 5 3 +7 6 + 254=31 8 to n i 。 两 侧 轮 胎 承 载 比 分 别 为 ： 左 轮 承 载 百 分 比 P| = f 2 4 7 0 2 - e ) 2 4 7 0 3 7 1 ， 右 轮 承 载 百 分 比 6 2 9 。 2 1 2 右 旋 车 右 转 弯 右 旋 车 右 拐 弯 情 况 如 图7 f b ) 所 示 ， 车 辆 拐 弯 在 离 心 力 的作 用 下 ， 重 心再 一 次 向左 偏 移e ， 这时 混凝 土重 心 偏 移 量 为 ： e = 一e 1 + 2 + e 十 e 4 =_ 41 + 5 3 + 7 6 +2 5 4 = 3 4 2 mm， 两 侧 轮 胎 承 载 比 分 别 为 ： 左 轮 承 载 百 分 比 =f 2 4 7 0 2 + e ) 2 4 7 0 6 3 8 ， 右 轮 承 载 百 分 比， ) H 一 3 6 2 。 一 连i ， c 旋 ： 。 R 旋 ( a)右 旋 车 左 转 弯 ( b ) 右旋 车 右 转 弯 图7右 旋 车 在 转 弯 行 驶 时 重 心 偏 移 根据 图8 ， 同理 可 以算 出左旋 车 左拐 弯 时轮 承载 百 分 比 3 2 8 ， 一6 7 2 ； 左 旋 车 右拐 弯 时 轮承 载百 分 比 只 一4 0 4 ， PR 5 9 6 。 由 此 可 见 ： 车 辆 拐 弯 使 两 侧 承 载 相 差 较 大 ， 右 旋 车 左 转两 侧承 载相 差 2 5 8 ， 右 转 两侧 承 载相 差 2 6 6 ， 右 旋 车 左 转 弯平 稳性 稍 好 于 右 转 。左 旋 车 左 转 两 侧 承 载 相 差 3 4 4 右转 两侧 承 载相 差 1 9 2 左旋 车 右 转 弯平 稳 性稍 一 i ， 亡 旋 旋 ( a ) - 旋车左转弯 ( b J左旋车右转弯 图8左 旋 车 在 转 弯行 驶 时重 心偏 移 好 于 左 转 2 2 重 心 位 置 变 化 对 行 驶 稳 定 性 的 影 响 在 转 弯 过 程 中 ， 即使 路 面很 平 ， 车 体 仍 有 可 能倾 翻 。 从 图 2、 图 3 可 知 原 因 是 车 体 向 弯 道 内 侧 倾 斜 使 车 体 围 绕 倾 翻 边 AC转 过 了 一 个 角 A0， 从 而 使 重 心 弛相 应 向AC边 移 动 了 ， 重 心 坐 标 由 原 来 的 Pf x， Z ， h ) 变 为 一 ， Z ， + A h ) ，故 失稳 角计 算 式 由t a nfl = x h 变 fi g t a n = 一 ) 似 + A h ) ， 显 然 ， ， 使 得 车辆 在 转弯 时 稳定性 变差 。在行 驶 过 程 中 ， 由于 搅拌 筒 转 动 ， 混凝 土 料 在 筒 内 不 断流 动 车 辆重 心 位 置 随 时间 变 化 ，即P 点 在 车 身 纵轴 线 附近 呈 周 期性 的振 动 ， 从而 使得 失 稳角 不 能为 定值 ， 这种 情 况对 车 辆转 弯 时稳 定性 的 影响 很 大 ；再 就 是车 体 重心 的左 右 随 机 颤 动造 成 的惯 性 力或 多或 少地 通 过操 纵 系统 传 到方 向 盘 上 ， 使 得 司机 在转 弯 时“ 手 感” 很 差 ， 难 以准确 掌 握 转弯 角度和 速度 ， 使 得车 辆 在急 转 弯时 抗翻 能 力大 大 下降 。 2 3 车 辆 拐 弯行 驶 侧 翻 临界 速 度 根 据 车辆 行 驶时 各 因素对 车 辆稳 定 幅 的影 响 车辆 侧 翻 临 界 速 度 _ 4 R g 日 B4 ，B 4 = B- e ( 2 ) 车 辆侧 滑 临界 速度 Vh =Rgq 9 车 辆 先 滑 后 翻 的 条 件 是 o 。 式 中 ： 尺 转弯半 径 ， 取 R = 1 5 m； 曰 有 效 稳 定 幅 ； 重 车 平 地 静 止 的 稳 定 幅 =1 2 3 5 mi le ； e 混凝土偏 心 力矩 、 路 拱坡 度 、 轮胎 变 形 、 悬挂 变 形 等 因素 对 稳 定 幅 的 综 合 影 响值 ， 即 质 心 的 总 偏 移 值 ； r重 力 加速 度 ， g -= 9 8 m s _ 2 ； 日 车辆 质 心离 地 高度 ， 取 2 2 0 0 m m； 路 面 附 着 系 数 。 在 平 地 行 驶 时 ， e ： e 2 + e 3 + e 4 = 5 3+ 7 6+ 2 5 4 = 3 8 3 mm， B4 = 1 23 5-383 =8 53 mn l 。 天晴 时路面 附着 系数 = 0 7 0 8 ， B H= O 3 9 o ，所 以 搅拌 车 晴 天在 平 地 行 驶 时 不会 发 生 先 滑后 翻 的情 况 ， 翻 车 是 突 然 发 生 的 。 2 3 1 右 旋 车 左 转 弯 右 旋 车 左 转 弯 时 e = 31 8， 则 有 效 稳 定 幅 曰 =1 2 3 5 一 e = 1 2 3 5 3l 8 = 91 7 n l m= O 91 7 n l ， 将 曰 值 代 入 式 ( 2 ) 得 ：V =7 8 2 m = 2 8 2 k m h 安 全 车 速 V= 7 0 V u1 9 8 k m h - 。 2 3 2 右 旋 车 右 转 弯 右 旋 车 右 拐 弯 时 P = 3 4 2， 则 有 效 稳 定 幅 曰 =1 2 3 5 一 e = 1 2 3 5 3 4 2 = 8 9 3 IT l 1 fl = O 8 9 3 m， 将 B 值 代 入 式 ( 2 ) 得 ：V =7 7 2 I lfl s= 2 7 8 k m h 一， 安 全 车 速 ： 7 0 1 9 4 k m h 一 。 2 3 3 左 旋 车 左 转 弯 左旋 车左 拐弯 时根据 图3 和 图8 ( a ) 得e 2 3 押 = 4 l + 5 3 + 7 6 + 2 5 4 = 4 2 6 mm， 则 有 效 稳 定 幅 B =1 2 3 5 一 e =1 2 3 5 4 2 6 = 8 0 9 mll l = 0 8 0 9 n l ， 将 B4 值 代 入 式 ( 2 ) 得 ： V = 7 3 5 m s i = 2 6 5 k m h 安 全 车 速 V= 7 0 x Vr =1 8 6 k m h 。 2 3 4 左 旋 车 右 转 弯 左 旋 车 右 拐 弯 时 根 据 图 3 5 n图 8 ( b ) 得 e = e ， + e + e + e = 一 4 1 5 3 + 7 6 +2 5 4 = 2 7 2 n l n 1 有 效 稳 定 幅 B4 =1 2 3 5 一 e =1 2 3 5 2 3 6 = 9 9 9 mm= O 9 9 9 IT I ， 将 日 值 代 入 式 ( 2 ) 得 ： = 8 1 7 IT I - S 1= 2 9 4 k m- h 安 全车 速 V = 7 0 x V r= 2 0 6 k m h 。 由此 可见 ： 在拐 弯 半径 约 1 5 n l 的条件 下 ， 左 旋 车 左拐 弯最 易 翻车 ， 其 安 全 车速 较 小 ， 右 旋 车 右拐 弯 其 次 ， 拐 弯 时 均 应 低 速 且 在 安 全 车 速 范 围 内 行 驶 。 Equ i pme nt M a na ge me 设 nt M 管 a i n 理 t e na nce RM CM & I e c h n O lO g y 3 结 语 混凝 土 搅 拌 运 输 车 车 身 重 心 较 高 ， 且 边 行 驶 边 搅 拌 ， 搅拌 筒 内混合 料流 动造 成 重 心位 置 的偏 心振 动 ，使 得 不 同旋 向的车 辆 无 论是在 直 线 行驶 还 是拐 弯行 驶 的状 况 下 稳定 性都 较 差 尤其 是 在拐 弯 行驶 时 ， 造 成车 辆 两侧 轮胎 的承 载严 重 不均 ， 失 稳角 也 不 为定值 ， 对 车辆 的行 驶 稳定 性 影 响 很 大 。 满 载 行 驶 时 车 辆 先 发 生 侧 翻 后 发 生 侧 滑 ， 特别 是在 干 燥 的 良好路 面 下行 驶 ， 横 向行 驶 稳定 性 差 ， 转 弯 时 必 须 降 低 到 安 全 车 速 范 围 内 ， 保 证 安 全 驾 驶 ， 千 万 不 能 以为路 面 情 况好 ， 就 随 便提 高 车速 ， 在没 有侧 滑 提 醒下 极 容 易 发 生 侧 翻 。 叁耋窒 ； 1 刘丽华 ， 杨建 军 混凝土机械 日常使 用与维护 M 北京 ： 机械 工 业 出版 社 2 0 1 0 2 黄跃申 混凝土搅拌车稳定性分析_ J 建筑机械技术与管理， 2 0 0 6 ， 1 9 ( 9 ) ： 8 2 - 8 8 3 陈志军， 罗永前 一 种混凝 土运 输车横 向行 驶稳定性研 究 -I 重 庆 电子工程职业学院学报 ， 2 0 0 9 ， 1 8 ( 4 ) ： 9 8 1 0 0 4 贺 劲 ， 周润珈 ， 帅 国菊， 等 论混凝 土搅拌 运输车的行驶速度 限 制 D 建 筑机械 ， 2 0 0 3 ( 0 7 ) ： 3 6 3 8 收 稿 日期 ： 2 01 0 - 0 4- 2 9 责 任 编 辑 ： 谭 忠 华 ( 上 接 第7 7页) 的工 况 下 对 应车 架 的4 个 轮组 处 的垂 向反 力中远 离 驾驶 室 的 一 处 出 现 负 值 这 就 说 明 浇 筑 机 工 作 时 会 出 现 整 体 倾 翻 的情 况 ( 包 括 横 向 和 纵 向) 。 因 此 车 架 的 设 计 中 ， 在 远 离 驾 驶 室 的 横 梁 上 方 增 加 2 4 t 的 矩 形 配 重 块 ，在 螺 旋 输 送 器 的 后 端 设 计 了0 9 5 t 的 配 重 块 ， 这 样 就 保 证 了 混 凝 土 浇 筑 机 在 工 作 状 态 不 会 出 现 整 机 横 向 或 纵 向倾 覆 的 现 象 了。 螺旋 输 送器 的后端 悬 臂布 置 了配 重块 后 ， 会使 浇筑 机 车 架 的 重 心 后 移 ， 纵 向抗 倾 覆 能 力 减 弱 。 通 过 有 限 元 模 型 分 析 加 了 配 重 后 的 非 工 作 状 态 下 整 机 的 纵 向 稳 定 性 能 够 满足 要 求 。上述 关 于强 度和 刚度 的计 算均 是 在考 虑 了 配 重后 的计 算 结果 5 结 语 ( 1 )通 过 对 浇 筑 机 施 工 过 程 和 制 约 因 素 的 分 析 ， 设 计 了合 理 的 混 凝 土 浇 筑 机 车 架 结 构 。 f 2 ) 在 对 各种 工 况分析 的基 础 上 ， 应 用 有 限元计 算软 件 ANS YS 建 立 了 最 恶 劣 工 况 下 的 浇 筑 机 车 架 的 有 限 元 模 型 精确 地 计 算 了车架 结 构 的强度 和 刚度 ， 验证 了结构 设 计 的 合理 性 。 ( 3 ) 利用 有 限 元模 型约 束 处 的垂 向反 力结 果 ， 对 整 机 的 稳 定 性 进 行 了 分 析 并 采 取 了 车 架 和 螺 旋 输 送 器 两 处 加 配 重 的 措 施 保 证 了 浇 筑 机 在 工 作 状 态 和 非 工 作 状 态 下 的纵 向和横 向稳定 性 。 f 4 )混凝 土 浇 筑 机 已在 武 广 客 运 专 线 建 设 中 普 遍 应 用 ， 施 工 中 车 架 未 出 现 裂 缝 和 大 变 形 整 机 在 各 种 施 工 环 境 中 均 运 行 平 稳 ， 浇筑 的道 床 板 的 质 量 满 足 设 计 要 求 。 参 考 文 献 ： 1 刘声扬 钢结构 M 北京： 中国建筑工业 出版社 ， 1 9 9 7 2 任重 A NS Y S 实用分析教程 M 北京： 北京 大学出版社， 2 0 0 3 收 稿 日 期 ： 2 01 0 -0 2 -11 责 任 编 辑 ： 谭 忠 华