□ 王靚靚，趙志明，肖建英

(中遠(yuǎn)海運(yùn)工程物流有限公司，北京 100016)

1 概述

精密大型貨物運(yùn)輸常常有三維加速度限制要求。為了防止加速度超限，運(yùn)輸中需要在貨物上安裝三維加速度記錄儀，如圖1所示。加速度記錄儀可以設(shè)置喚醒，當(dāng)運(yùn)輸中發(fā)生加速度超過喚醒值時，將整個事件時間段的加速度曲線記錄下來。

圖1 貨物三維加速度記錄儀

超限的加速度常發(fā)生于貨物的碰撞、跌落等意外，加速度值高，能量大，易造成貨物內(nèi)構(gòu)件的變形和位移，是三維加速度儀所要偵測的主要事件。但是，運(yùn)輸過程中車輛正常的加速、制動、搖擺等也會因產(chǎn)生三維加速度而被記錄儀記錄。此外，現(xiàn)代加速度記錄儀多采用壓電陶瓷采集信號，靈敏度高，數(shù)據(jù)記錄間隔時間可短至1毫秒，除沖擊事件外，一些諸如車輛起步與加速瞬間的牽引銷擊振、操作工人敲擊檢查綁扎等所產(chǎn)生的小能量高頻振動也會被同時記錄。所以，當(dāng)運(yùn)輸完成查看記錄儀數(shù)據(jù)時，特別是遇到較大加速度值時，需要依據(jù)數(shù)據(jù)曲線分析可能的運(yùn)輸事件和沖擊能量的大小，以便對貨物內(nèi)部構(gòu)件是否會造成影響做出判斷。本文擬通過對不同運(yùn)輸事件加速度曲線特征進(jìn)行研究，分析加速度超限原因與影響。

2 正常運(yùn)輸過程加速度曲線特征

正常運(yùn)輸車輛的起步、制動、顛簸會產(chǎn)生三維加速度；車輛上下坡和傾斜會使重力產(chǎn)生縱、橫向分力，該分力使加速度儀的壓電陶瓷鼓膜動作也會被當(dāng)做加速度記錄下來。

2.1 起步與加速過程

對于一個牽引車的起步和加檔過程，可計算出不同檔位下的最大加速度值。牽引車的牽引力為

式中：T──發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩；

ic──液力變矩器的變矩比，與變矩器兩端速度差成正比；

in──總傳動比，依據(jù)擋位不同而不同；

μ──傳動機(jī)械效率；

r──車輪的滾動半徑。

車輛的行駛阻力為

Fp=mg(i+k)

式中：i──道路縱坡坡度，坡度角的正切值；

k──滾動阻力系數(shù)，取0.02。

依據(jù)牛頓第二運(yùn)動定律，可得出各擋的車輛最大縱向加速度為

式中：m──車貨總質(zhì)量。

同時，考慮到司機(jī)踩下油門的過程和換擋瞬間機(jī)械銜接的影響，車輛在較平坦道路上(取i=2%)1檔至2擋的最大加速度曲線如圖2所示。圖中，t1段為司機(jī)踩下油門，發(fā)動機(jī)由怠速加速至最大轉(zhuǎn)矩的過程；t2為1擋加速度曲線，峰值約為0.07g，加速度值逐漸下降是因為隨著車速上升，液力變矩器兩端速度差變小，變扭比降低的緣故；t3為換擋瞬間機(jī)械傳動轉(zhuǎn)換所致；t4為2擋加速度曲線。車貨總重、道路坡度變化，加速度曲線會有不同的峰值和時長。

2.2 緊急制動過程

車輛緊急制動產(chǎn)生較大的縱向負(fù)值加速度，加速度大小與車輪制動轂的制動力矩有關(guān)

式中：Mb──車輪制動轂的制動力矩；

r──車輪動力半徑；

Fz──車輪的垂直荷載力。

制動加速度也受輪胎與地面間附著力的影響，當(dāng)出現(xiàn)車輪抱死滑移時，則有

ax=-φg

式中：φ──道路附著系數(shù)，水泥瀝青路面0.7，碎石路面0.6。

出現(xiàn)抱死滑移的條件則是

由于車輪制動力矩Mb和道路附著系數(shù)φ都是一定值，所以緊急制動生效后加速度值會保持不變，一直到車輛駐停?？紤]從司機(jī)踩下制動踏板到車輛完全停止運(yùn)動，一個完整的制動加速度曲線如圖3所示。圖中，t1段為司機(jī)踩下制動踏板，制動氣室開始動作到完全壓緊的過程；t2為制動完全生效后到車輛駐停的過程；t3為車輛駐停后，車輛慣性力所積累的變形勢能振蕩釋放過程。由于車貨參數(shù)不同，加速度峰值約-0.2g～-0.8g，時長約2s～5s。

圖3 制動加速度曲線

2.3 車輛顛簸過程

車輛遇及道路坑洼不平，受車體自振固有頻率的影響，會引起車輛的垂向振動加速度。依據(jù)研究掛車振動的單質(zhì)量系統(tǒng)運(yùn)動微分方程(參看圖4)：

圖4 振動分析的單質(zhì)量系統(tǒng)

mz″+Cp(z′-q′)+Kp(x-q)=0

可得到車輛在道路不平激振下的自由振動公式：

說明車體的振動是一條振幅逐漸衰減的正弦曲線，如圖5所示。ω為固有圓頻率，則車體振動的固有頻率f(Hz)為

圖5 車體自由振動曲線

車體的振動加速度為貨物位移z的二節(jié)導(dǎo)數(shù)z″，具有與振動曲線相同的頻率?？紤]道路坑洼連續(xù)擊振，實測的加速度曲線樣式如圖6所示。模擬道路顛簸試驗，掛車軸載不同，振動加速度頻率與振幅不同，頻率約為10～30Hz，振幅約為0.1～0.5g。

圖6 振動垂向加速度實測曲線

2.4 車輛上下坡過程

車輛處于坡道之上，加速度儀的縱向與坡道面平行，ax與水平面夾角即為坡度角α，重力mg在ax方向形成投影，大小為

Fx=mgsin(α)

該力使加速度儀ax向鼓膜動作，所產(chǎn)生的等效加速度值為

該值并不代表貨物在ax方向發(fā)生了加速運(yùn)動，卻被以縱向加速度曲線的形式記錄了下來。同樣，在加速度儀az方向的重力加速度分量

也被以垂向加速度曲線的形式記錄了下來。

當(dāng)車輛下坡時i=-6%時，坡度角α=3.43°，ax≈0.06g，az≈1.0g，時長由坡長與車速算得，加速度曲線如圖7所示。圖中的t1、t3段為車輛進(jìn)入、駛離坡道的過程。

鑒于上述原理，當(dāng)車輛勻速通過坡道時，也可根據(jù)三維加速度值推算道路縱坡坡度值

2.5 車輛傾斜過程

與上述車輛上下坡過程的分析相似，當(dāng)車輛橫向傾斜β角時，加速度記錄儀的橫向加速度ay值和垂向加速度az值也會發(fā)生變化，有

(1)

但這并不能表示車輛在橫向地加速運(yùn)動。加速度曲線也有其特殊的樣式，ay、az同時變化，且值長時間保持不變。圖8為車輛通過30%橫坡時的加速度曲線樣式，t1、t3段為車輛進(jìn)入和駛離橫坡的過程。

圖8 車輛傾斜加速度曲線

3 運(yùn)輸意外加速度曲線特征

運(yùn)輸意外包括貨物在車輛上發(fā)生滑移碰撞、傾倒、跌落，也包括運(yùn)輸人員檢查綁扎時的意外敲擊和牽引車與掛車連接銷松曠所發(fā)生的擊振。碰撞、傾倒、跌落常會造成三維加速度值超限，且有一定的時長，能量很大，容易造成貨物內(nèi)部損壞，這也是加速度儀所要偵測的目標(biāo)事件。

3.1 貨物滑移與撞擊過程

圖9為測試貨物滑移碰撞加速度的裝置，砍斷水平拉繩模擬貨物的滑移與碰撞，測試得到整個過程的加速度曲線如圖10所示。圖中，t1時段為貨物的滑移過程，與貨物在車輛上的滑移曲線可能有差異；t2為撞擊接觸開始到行程最大位置；t3為撞擊所聚集的彈性勢能使貨物振蕩直至最后停止的過程。該加速度曲線的特點(diǎn)是t2段具有較大的負(fù)值加速度(一般為-0.3g～-3.0g)，作用時間一般在0.2s以上；t3段振蕩時間較長。

圖9 滑移碰撞加速度測試

圖10 滑移與碰撞加速度測試曲線

3.2 貨物傾倒過程

貨物由直立狀態(tài)傾倒，要經(jīng)歷失穩(wěn)傾斜、側(cè)面撞地振蕩、側(cè)面保持觸地姿態(tài)3個過程。如果是y向側(cè)面傾倒，三維加速度曲線樣式應(yīng)如圖11所示。圖中，t1段為原直立狀態(tài)，t2為失穩(wěn)后開始傾倒到側(cè)面觸地瞬間的過程，t3為觸地后貨物的振蕩過程，t4段為傾倒保持過程。該加速度曲線的特點(diǎn)除了側(cè)面觸地瞬間的振蕩以外，由式(1)可知，如果傾倒90°，則垂向加速度和水平橫向加速度值將會出現(xiàn)互換，并一直保持到吊機(jī)開始扶正貨物為止。

圖11 橫向傾倒等效加速度曲線

3.3 貨物跌落過程

貨物從車輛上跌落一般經(jīng)歷緊急制動、綁扎索具斷裂貨物滑移、車輛失穩(wěn)傾斜、貨物下滑角部觸地，貨物翻倒的過程。加速度曲線特征應(yīng)包含：緊急制動所造成的縱向加速度ax改變(圖3中t1、t2段)，貨物傾斜所造成的垂向加速度az和橫向加速度ay改變(圖8中的t2段)，跌落觸地所引起的ax、ay、az的震蕩曲線，傾倒靜置所引起的az和ay改變(圖11中t3和t4段)。

3.4 車輛牽引銷松曠的擊振

如果全掛牽引車或半掛牽引車的牽引銷、車輛懸架的銷軸有間隙，當(dāng)牽引與制動轉(zhuǎn)化時，如開始起步、開始制動等，這些間隙的瞬間消除會發(fā)生車體的擊振，造成較大的瞬時加速度和高頻振蕩。一個制動過程實測曲線如圖12所示，其中A、B所示即為牽引銷間隙所造成的振蕩加速度改變。由于振蕩加速度頻率高且作用時間短，能量很小，對貨物的影響有限。

圖12 牽引銷松曠擊振加速度曲線

3.5 意外敲擊過程

貨物采用焊接加固的拆解、繩索綁扎牢固性檢查，操作工人習(xí)慣采用敲擊的方法；操作工人也有向車上拋扔工具的習(xí)慣。這種敲擊和拋扔會引起車體和貨物的擊振，造成三維加速度改變。圖13為專門用榔頭敲擊車體的加速度曲線測試，可以看出具有高的垂向加速度az峰值、振蕩且很快衰減。依據(jù)敲擊的部位不同，靠近加速度儀位置敲擊曲線變化大，遠(yuǎn)離加速度儀位置敲擊曲線變化小。由于曲線振蕩，峰值時間僅0.03s，因此，所產(chǎn)生的能量很小，對貨物內(nèi)部的影響有限。

圖13 意外敲擊加速度曲線

4 總結(jié)

①不同運(yùn)輸事件有著不同的三維加速度曲線特征，可以依據(jù)曲線推斷運(yùn)輸事件和評估對貨物的影響。

②運(yùn)輸過程中，正常的加速、制動、搖擺所產(chǎn)生的加速度曲線一般具有較長的作用時間，加速度峰值縱向一般小于0.85g，橫向一般小于0.5g。因此，擬采用道路運(yùn)輸?shù)呢浳?，?yīng)采取措施使其內(nèi)部構(gòu)件可以承受以上加速度的沖擊。

③道路不平、車輛牽引銷松曠、操作工人的意外敲擊產(chǎn)生高頻振蕩加速度，有時瞬間峰值很高，但能量很小，可以忽略其對貨物的影響。

④意外撞擊和貨物傾倒會造成很大的三維加速度改變，且具有特定的加速度曲線特征。