基于ADAMS 的公路大件货物运输仿真及绑扎加固分析

2021-07-14曾传华张一寒

西华大学学报（自然科学版） 2021年4期

成艳，曾传华，张一寒

（西华大学汽车与交通学院，四川成都 610039）

近年来，随着我国大型工程项目的不断增加，大件物流市场需求日益增长，促进了我国大件运输业飞速发展。大件货物通常具有形状不规则、科技含量较高、超重、超长、超大等特点，这使其运输难度较大。为保证大件货物完整安全地运送到项目建设基地，运输过程中的安全可靠性分析尤为重要。货物运输的安全性与其运动状态和绑扎加固方案有关[1]，因此研究大件货物的运动状态和制定合理的绑扎加固方案对大件货物运输安全性有着极其重要的作用。

在大件货物运输安全稳定性及绑扎加固方案方面，业界学者进行了大量研究。李梦泽[2]通过对不同工况下大件运输车辆的行驶状态进行仿真分析，发现影响大件货物运输安全稳定性最突出的因素是垂向加速度。李江涛[3]根据不同的大件货物绑扎方案的研究结果得出了大件货物绑扎安全性的影响因素，有针对性地设计出了一套安全可靠的大件货物绑扎方案。Palšaitis et al[4]总结了大件货物运输的影响因素，然后进行风险评价，建立了大件运输事故风险理论模型。为了进一步分析货物的绑扎加固方式对大件货物运输过程中运动状态的影响，可根据GB/T4970—2009《汽车平顺性试验方法》，以运输过程中大件货物的加速度均方根值为依据，从而判定装载车辆运输的平顺性[5]，最终判定大件货物绑扎方案的可行性。

本文主要在ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)中构建大件运输车货系统模型，在随机路面条件下，模拟大件货物在不同速度、不同重量下的加速度变化情况，并通过仿真分析得出货物振动加速度随行驶速度、重量变化的曲面拟合公式，为制定大件货物的绑扎加固方案提供理论依据，保障大件货物运输的安全性。

1 整车及路面模型建立

1.1 整车模型

随着我国大型工程项目的不断增加，大件货物种类越来越多，且形态各异，无法对每一种货物进行仿真分析，因此本文以形态规则的立方体作为大件货物模型，在ADAMS/View 中建立整车模型，如图1 所示。

图1 ADAMS/View 大件运输整车模型

1.2 随机路面模型

目前我国公路大件运输专用道路并未全面建成，在运输过程中，无法避免地会经过大部分的省道或者山路，这就使得路面条件具有很大的随机性[6]。

ADAMS 中Sayers 的路面生成工具Sayers 内部综合了大部分道路的实际测量数据。通过实际数据得出经验路面模型[7]：

式中，Ge、Gs、Ga分别为白噪声的空间、速度、计算速度功率谱密度幅值。根据需要设置Ge、Gs、Ga的幅值就能够得到不同类型的路面模型[8]。

Sayers 经验路面模型将道路粗糙度作为3 个因素的函数，3 个因素均由不一样的噪声来决定[9]。这些随机的数列均采用高斯分布，各自有各自的零均值和标准偏差 σ：

式中：G为Ge、Gs、Ga之间的某一个幅值；Δ为采样间隔[10]。

2 公路大件货物仿真分析

根据GB/T 4970—2009 里面的相关规定，研究人员可将货物的加速度均方根值作为整车平顺性的判定标准，而公路大件货物运输主要是在接近平稳的随机路面上进行[11−12]。因此，本文通过ADAMS模拟公路大件货物运输的实际状况，在随机路面条件下，分析大件货物的加速度均方根值变化情况，从而判定公路大件货物运输的安全性。

车速对大件货物运输的影响研究中，货物重量参数设置为40 t，时间参数设置为20 s，分别分析速度在15、20、25、30、35 km/h 时大件货物的运动状态，得出仿真结果。以速度为25 km/h 为例，货物的加速度均方根值变化情况如图2、3、4 所示。

图2 车速25 km/h 时货物纵向加速度

图3 车速25 km/h 时货物横向加速度

图4 车速25 km/h 时货物垂向加速度

货物重量对大件货物运输的影响研究中，将车速参数设置为20 km/h，时间参数设置为20 s，分别仿真货物重量在40、60、80、100、120、140、160、180、200、220、240 t 时大件货物的运动状态，得出仿真结果。以货物重量为60 t 为例，货物的加速度均方根值变化情况如图5、6、7 所示。

图5 货物重量为60 t 时的纵向加速度

根据ADAMS 仿真得出不同情况下的货物加速度均方根值，利用MATLAB 生成加速度均方根值随行驶速度、货物重量变化曲面，如图8、9、10 所示。

图6 货物重量为60 t 时的横向加速度

图7 货物重量为60 t 时垂向加速度

图8 纵向加速度均方根值随速度、重量变化曲面图

图9 横向加速度均方根值随速度、重量变化曲面图

图10 垂向加速度均方根值随速度、重量变化曲面图

由于仿真所得数据具有离散性，使得生成的曲面不够光滑，因此利用MATLAB 曲面拟合工具对所得曲面进行处理，分别得到如图11、12、13 所示的光滑曲面。

图11 纵向加速度均方根值随速度、重量变化光滑曲面图

图12 横向加速度均方根值随速度、重量变化光滑曲面图

图13 垂向加速度均方根值随速度、重量变化光滑曲面图

根据上述3 个方向的加速度均方根值随行驶速度、重量的变化曲面图可得出以下曲面公式：

式中：x为货物重量；y为车辆行驶速度；f(x,y)1、f(x,y)2、f(x,y)3分别为大件货物在纵向、横向、垂向3 个方向的振动加速度。

因此，可根据式（3）推出在不同行驶速度和不同货物重量下的大件货物3 个方向的加速度，从而分析出货物所受惯性力的范围，进而为大件货物的绑扎加固工作提供理论依据。

3 大件货物绑扎校核

由于垂向加速度的作用，会导致车体与货物之间的摩擦力减小，此时货物再受到纵向力和横向力时，可能造成货物在挂车上的纵向和横向失效[13]。根据牛顿第二定律公式，加速度即可看作单位质量货物所受作用力，直观地反映了作用力的强度。那么，货物的纵向、横向加速度值应为：

式中：ax、ay、az为3 个方向的振动加速度，由式（3）确定；agx为在道路纵坡上与货物下滑力等效的加速度；agy为在车体横向倾斜的情况下，与货物下滑力等效的加速度；azµ为货物与车体、托架摩擦力等效加速度；jmax为紧急制动减速度，当车辆速度很低时可以忽略；Ax、Ay分别为货物的纵向、横向加速度。

由于货物垂向加速度产生的影响可转换为绑扎加固器具的动载荷率，因此在进行绑扎力计算时，可忽略货物垂向加速度产生的影响。在进行绑扎加固器具强度校核时，将货物垂向加速度产生的影响转换为动载系数，纳入材料的安全系数[14]。

通过上述拟合公式对某大件货物运输案例进行安全绑扎校核。图14 为某机组构件的运输方案示意图。此货物采用12 轴2 纵列平板挂车运输，空挂车的质量为40 t，货物的质量m=120 t，车轮制动力矩Mp=11.917 kN·m，车轮动力半径r=368 mm，货物质心距车板距离1500 mm。长途道路运输，道路最大纵坡i=5%，行驶速度不超过30 km/h。本次运输使用的是直径18 mm 结构为 6×37S+FS钢丝绳，破断拉力为168 kN，同方向索具数量为2，材料安全系数为kp=1.3，垂向加速度引起的动载系数kr=1.3，索具螺旋扣的螺杆外径为36 mm，破断拉力为378 kN，安全系数为kp=2。货物和托架、托架和车体之间都有橡胶垫，橡胶垫摩擦系数为0.8，取1.3 倍的摩擦安全系数，µ=0.8/1.3。钢丝绳纵向角度折减系数fx=0.92，钢丝绳横向角度折减系数fy=0.76，其中 α=45◦，β=59◦，道路纵坡产生的等效加速度agx=0.05g，车体横向倾斜时的等效加速度agy=0.26g，挂车最大制动减速度jmax=0.75g。