道路运输三维加速度曲线与运输事件关联性分析

2022-05-12王靓靓赵志明肖建英

物流工程与管理 2022年4期

关键词：触地记录仪加速度

□ 王靓靓，赵志明，肖建英

(中远海运工程物流有限公司，北京 100016)

1 概述

精密大型货物运输常常有三维加速度限制要求。为了防止加速度超限，运输中需要在货物上安装三维加速度记录仪，如图1所示。加速度记录仪可以设置唤醒，当运输中发生加速度超过唤醒值时，将整个事件时间段的加速度曲线记录下来。

图1 货物三维加速度记录仪

超限的加速度常发生于货物的碰撞、跌落等意外，加速度值高，能量大，易造成货物内构件的变形和位移，是三维加速度仪所要侦测的主要事件。但是，运输过程中车辆正常的加速、制动、摇摆等也会因产生三维加速度而被记录仪记录。此外，现代加速度记录仪多采用压电陶瓷采集信号，灵敏度高，数据记录间隔时间可短至1毫秒，除冲击事件外，一些诸如车辆起步与加速瞬间的牵引销击振、操作工人敲击检查绑扎等所产生的小能量高频振动也会被同时记录。所以，当运输完成查看记录仪数据时，特别是遇到较大加速度值时，需要依据数据曲线分析可能的运输事件和冲击能量的大小，以便对货物内部构件是否会造成影响做出判断。本文拟通过对不同运输事件加速度曲线特征进行研究，分析加速度超限原因与影响。

2 正常运输过程加速度曲线特征

正常运输车辆的起步、制动、颠簸会产生三维加速度；车辆上下坡和倾斜会使重力产生纵、横向分力，该分力使加速度仪的压电陶瓷鼓膜动作也会被当做加速度记录下来。

2.1 起步与加速过程

对于一个牵引车的起步和加档过程，可计算出不同档位下的最大加速度值。牵引车的牵引力为

式中：T──发动机转矩；

ic──液力变矩器的变矩比，与变矩器两端速度差成正比；

in──总传动比，依据挡位不同而不同；

μ──传动机械效率；

r──车轮的滚动半径。

车辆的行驶阻力为

Fp=mg(i+k)

式中：i──道路纵坡坡度，坡度角的正切值；

k──滚动阻力系数，取0.02。

依据牛顿第二运动定律，可得出各挡的车辆最大纵向加速度为

式中：m──车货总质量。

同时，考虑到司机踩下油门的过程和换挡瞬间机械衔接的影响，车辆在较平坦道路上(取i=2%)1档至2挡的最大加速度曲线如图2所示。图中，t1段为司机踩下油门，发动机由怠速加速至最大转矩的过程；t2为1挡加速度曲线，峰值约为0.07g，加速度值逐渐下降是因为随着车速上升，液力变矩器两端速度差变小，变扭比降低的缘故；t3为换挡瞬间机械传动转换所致；t4为2挡加速度曲线。车货总重、道路坡度变化，加速度曲线会有不同的峰值和时长。

2.2 紧急制动过程

车辆紧急制动产生较大的纵向负值加速度，加速度大小与车轮制动毂的制动力矩有关

式中：Mb──车轮制动毂的制动力矩；

r──车轮动力半径；

Fz──车轮的垂直荷载力。

制动加速度也受轮胎与地面间附着力的影响，当出现车轮抱死滑移时，则有

ax=-φg

式中：φ──道路附着系数，水泥沥青路面0.7，碎石路面0.6。

出现抱死滑移的条件则是

由于车轮制动力矩Mb和道路附着系数φ都是一定值，所以紧急制动生效后加速度值会保持不变，一直到车辆驻停。考虑从司机踩下制动踏板到车辆完全停止运动，一个完整的制动加速度曲线如图3所示。图中，t1段为司机踩下制动踏板，制动气室开始动作到完全压紧的过程；t2为制动完全生效后到车辆驻停的过程；t3为车辆驻停后，车辆惯性力所积累的变形势能振荡释放过程。由于车货参数不同，加速度峰值约-0.2g～-0.8g，时长约2s～5s。

图3 制动加速度曲线

2.3 车辆颠簸过程

车辆遇及道路坑洼不平，受车体自振固有频率的影响，会引起车辆的垂向振动加速度。依据研究挂车振动的单质量系统运动微分方程(参看图4)：

图4 振动分析的单质量系统

mz″+Cp(z′-q′)+Kp(x-q)=0

可得到车辆在道路不平激振下的自由振动公式：

说明车体的振动是一条振幅逐渐衰减的正弦曲线，如图5所示。ω为固有圆频率，则车体振动的固有频率f(Hz)为

图5 车体自由振动曲线

车体的振动加速度为货物位移z的二节导数z″，具有与振动曲线相同的频率。考虑道路坑洼连续击振，实测的加速度曲线样式如图6所示。模拟道路颠簸试验，挂车轴载不同，振动加速度频率与振幅不同，频率约为10～30Hz，振幅约为0.1～0.5g。

图6 振动垂向加速度实测曲线

2.4 车辆上下坡过程

车辆处于坡道之上，加速度仪的纵向与坡道面平行，ax与水平面夹角即为坡度角α，重力mg在ax方向形成投影，大小为

Fx=mgsin(α)

该力使加速度仪ax向鼓膜动作，所产生的等效加速度值为

该值并不代表货物在ax方向发生了加速运动，却被以纵向加速度曲线的形式记录了下来。同样，在加速度仪az方向的重力加速度分量

也被以垂向加速度曲线的形式记录了下来。

当车辆下坡时i=-6%时，坡度角α=3.43°，ax≈0.06g，az≈1.0g，时长由坡长与车速算得，加速度曲线如图7所示。图中的t1、t3段为车辆进入、驶离坡道的过程。

鉴于上述原理，当车辆匀速通过坡道时，也可根据三维加速度值推算道路纵坡坡度值

2.5 车辆倾斜过程

与上述车辆上下坡过程的分析相似，当车辆横向倾斜β角时，加速度记录仪的横向加速度ay值和垂向加速度az值也会发生变化，有

(1)

但这并不能表示车辆在横向地加速运动。加速度曲线也有其特殊的样式，ay、az同时变化，且值长时间保持不变。图8为车辆通过30%横坡时的加速度曲线样式，t1、t3段为车辆进入和驶离横坡的过程。

图8 车辆倾斜加速度曲线

3 运输意外加速度曲线特征

运输意外包括货物在车辆上发生滑移碰撞、倾倒、跌落，也包括运输人员检查绑扎时的意外敲击和牵引车与挂车连接销松旷所发生的击振。碰撞、倾倒、跌落常会造成三维加速度值超限，且有一定的时长，能量很大，容易造成货物内部损坏，这也是加速度仪所要侦测的目标事件。

3.1 货物滑移与撞击过程

图9为测试货物滑移碰撞加速度的装置，砍断水平拉绳模拟货物的滑移与碰撞，测试得到整个过程的加速度曲线如图10所示。图中，t1时段为货物的滑移过程，与货物在车辆上的滑移曲线可能有差异；t2为撞击接触开始到行程最大位置；t3为撞击所聚集的弹性势能使货物振荡直至最后停止的过程。该加速度曲线的特点是t2段具有较大的负值加速度(一般为-0.3g～-3.0g)，作用时间一般在0.2s以上；t3段振荡时间较长。

图9 滑移碰撞加速度测试

图10 滑移与碰撞加速度测试曲线

3.2 货物倾倒过程

货物由直立状态倾倒，要经历失稳倾斜、侧面撞地振荡、侧面保持触地姿态3个过程。如果是y向侧面倾倒，三维加速度曲线样式应如图11所示。图中，t1段为原直立状态，t2为失稳后开始倾倒到侧面触地瞬间的过程，t3为触地后货物的振荡过程，t4段为倾倒保持过程。该加速度曲线的特点除了侧面触地瞬间的振荡以外，由式(1)可知，如果倾倒90°，则垂向加速度和水平横向加速度值将会出现互换，并一直保持到吊机开始扶正货物为止。

图11 横向倾倒等效加速度曲线

3.3 货物跌落过程

货物从车辆上跌落一般经历紧急制动、绑扎索具断裂货物滑移、车辆失稳倾斜、货物下滑角部触地，货物翻倒的过程。加速度曲线特征应包含：紧急制动所造成的纵向加速度ax改变(图3中t1、t2段)，货物倾斜所造成的垂向加速度az和横向加速度ay改变(图8中的t2段)，跌落触地所引起的ax、ay、az的震荡曲线，倾倒静置所引起的az和ay改变(图11中t3和t4段)。

3.4 车辆牵引销松旷的击振

如果全挂牵引车或半挂牵引车的牵引销、车辆悬架的销轴有间隙，当牵引与制动转化时，如开始起步、开始制动等，这些间隙的瞬间消除会发生车体的击振，造成较大的瞬时加速度和高频振荡。一个制动过程实测曲线如图12所示，其中A、B所示即为牵引销间隙所造成的振荡加速度改变。由于振荡加速度频率高且作用时间短，能量很小，对货物的影响有限。

图12 牵引销松旷击振加速度曲线

3.5 意外敲击过程

货物采用焊接加固的拆解、绳索绑扎牢固性检查，操作工人习惯采用敲击的方法；操作工人也有向车上抛扔工具的习惯。这种敲击和抛扔会引起车体和货物的击振，造成三维加速度改变。图13为专门用榔头敲击车体的加速度曲线测试，可以看出具有高的垂向加速度az峰值、振荡且很快衰减。依据敲击的部位不同，靠近加速度仪位置敲击曲线变化大，远离加速度仪位置敲击曲线变化小。由于曲线振荡，峰值时间仅0.03s，因此，所产生的能量很小，对货物内部的影响有限。