混凝土攪拌運輸車抗側翻穩定性試驗研究

方順亭　齊鳴　楊清凱　崔慶濤　李晶

摘 要：混凝土攪拌運輸車在我國的工程建設中起著重要的作用，同時其運輸安全則是亟需解決的問題，由于其運輸質量大、質心高、加之攪拌筒不停地旋轉，均使得其操縱穩定性變差，容易引發側翻事故。本文在分析混凝土攪拌運輸車結構特點基礎上，分別對其在水平路面上的左轉彎和右轉彎的運行狀態應用理論力學進行討論，得出右旋混凝土攪拌車左轉彎的抗側翻能力要好于右轉彎;并依據國家標準，對樣車進行抗側翻穩定性試驗研究以驗證結論的正確性。

關鍵詞：混凝土攪拌運輸車 抗側翻能力 抗側翻穩定性試驗

Experimental Study on the Stability of Anti-rollover of Concrete Mixer Truck

Fang Shunting Qi Ming Yang Qingkai Cui Qingtao Li Jing

Abstract：Concrete mixer truck plays an important role in China's engineering construction. At the same time， its transportation safety is an urgent problem to be solved. Due to its large transportation quality， high center of mass， and the continuous rotation of the mixing drum， its handling stability become worse， which can easily cause rollover accidents. In this paper， based on the analysis of the structural characteristics of the concrete mixer truck， the left turn and right turn of the truck on the horizontal road were discussed， and it was concluded that the anti-rollover ability of the left turn of the truck is better than that of the right turn. According to the national standard， the anti-rollover stability test of the sample truck is carried out to verify the correctness of the conclusion.

Key words：concrete mixer truck， anti-rollover ability， anti-rollover stability test

1 前言

隨著國民經濟的發展，我國的建筑行業也隨之迅猛發展。然而像商業住宅建設、工業設施建設、地熱工程建設、道路建設等主要所需要的原料為混凝土，混凝土是由水、砂和石子以一定比例摻和，水泥為主要膠凝材料，經攪拌而形成的人造石材。近些年，我國對混凝土的需求量處于上升趨勢，混凝土攪拌車則一直在混凝土攪拌站到工程建設地的運輸起著極為重要的紐帶作用。但攪拌運輸車的道路安全問題是一個亟需解決的難題，因其側翻所導致的交通事故嚴重威脅著道路人員的生命和財產安全。2019年5月5日浙江省宜興市張渚鎮一輛混凝土攪拌運輸車在避讓轉彎的小轎車時，因為車速過快發生側翻，并將路邊一家工廠的房子壓塌，罐車駕駛員和房內一對夫妻被困，最終夫妻二人搶救無效雙雙身亡。2019年8月5日吳川市一輛混凝土攪拌運輸車側翻，壓到了一輛黑色小轎車，轎車當時有3人在內，兩人獲救一人死亡。圖1為混凝土攪拌運輸車側翻事故現場。

混凝土攪拌運輸車在將混凝土從攪拌站運輸到施工地點的過程中，為防止罐內的混凝土凝固，罐體一直保持旋轉的狀態。混凝土攪拌運輸車在從郊區的攪拌站到市區的過程中，會經歷彎道、坡道、坑洼路等多種復雜路面，同時還可能遇到緊急避讓或緊急制動等多種工況。同時由于混凝土攪拌運輸車邊行駛罐體邊旋轉的特有形式，其在轉彎的過程中，攪拌筒內混凝土受到離心力作用，筒內混凝土會朝著離心力相反的方向產生偏移，而由于攪拌罐的轉動又加劇了質心的偏移量，這樣就更增加了混凝土攪拌運輸車側翻的危險[1]。因此對混凝土攪拌運輸車在轉彎時的理論和試驗研究對降低行駛風險具有重要的意義。

2 混凝土攪拌運輸車組成及結構

混凝土攪拌運輸車主要包括攪拌裝置、動力裝置、傳動裝置和底盤行走裝置四個主要部分。其中：攪拌筒、攪拌筒支撐裝置、上料與出料裝置及檢修平臺等屬于攪拌裝置;攪拌筒驅動裝置、傳動裝置、清洗裝置、壓縮氣體裝置和操縱裝置等屬于動力裝置和傳動裝置;底盤行走裝置包括汽車二類底盤、車架與支撐平臺等[2]，如圖2所示的混凝土攪拌運輸車。

在運輸過程中，為保證混凝土在從攪拌站運往施工工地的途中不發生凝結，攪拌滾筒在運輸途中必須保持一定的低速運轉。根據攪拌筒的旋轉方向可分為左旋和右旋，從車尾朝前看，右旋攪拌筒以順時針方向旋轉時對應的筒內雙螺旋葉片為左旋;同理，左旋攪拌筒以逆時針方向旋轉時對應的筒內雙螺旋葉片為右旋[3]。在幾何設計上，各國的攪拌車的旋轉方向是根據其在道路哪一側行駛來決定的。鑒于我國道路交通安全行駛規定，車輛靠右行駛，因此大多數攪拌車在運輸過程中攪拌筒均為右旋。這種攪拌車右旋攪拌筒的設計使得攪拌筒在旋轉時車輛質心向左偏移整車中心線50～100mm，適應了我國道路中間高兩邊低的實際情況，平衡了整車的穩定性[4]。故本文將在對混凝土攪拌運輸車的結構分析了解的基礎上，分別對右旋混凝土攪拌運輸車的左轉彎和右轉彎的側翻極限的理論分析和抗側翻穩定性試驗數據的采集與分析。該項也正是交通運輸部發布的JT/T 1178.1-2018《營運貨車安全技術條件 第1部分：載貨汽車》標準中4.5條款所對應的要求“載貨汽車按照JT/T884規定的方法進行滿載狀態下的抗側翻穩定性試驗，車輛質心處的向心加速度達到0.4g時車輛不應發生側翻或側滑”[5]，本文將按照JT/T 884《營運車輛抗側翻穩定性試驗方法穩態圓周試驗》規定進行抗側翻穩定性試驗。

3 混凝土攪拌運輸車水平路面上彎道行駛狀況下的側翻穩定性分析

混凝土攪拌運輸車在彎道上行駛時由于受到向外的離心力作用，質心向外側偏移，導致車輛內外兩側的車輪載荷發生轉移，側向加速度越大，內側車輪載荷越低，外側車輪載荷越高，車輛的穩定性則越低。JT/T 1178.1-2018標準中4.5條款明確要求滿載狀態試驗[6]，本文對滿載的右旋混凝土攪拌運輸車左轉和右轉的側向加速度進行分析。

3.1 左轉彎時側向加速度分析

如圖3所示為混凝土攪拌運輸車左轉彎行駛時對右輪取矩的受力分析，存在如下的三種狀態：

（1）

穩定狀態：，即：

（2）

穩定狀態：，即：

（3）

側翻狀態：

（4）

式中：

B——攪拌車輪距

——第i部件質心到左側車輪輪胎中心的水平距離

——攪拌車第部件的重力

——攪拌車第部件到右側輪胎中心的距離

——攪拌筒內混凝土重力

——攪拌車第部件的質心高度

——攪拌筒旋轉造成的攪拌車質心橫向偏移量

——攪拌筒旋轉造成的攪拌車質心縱向偏移量

——攪拌車圓周行駛的速度

——攪拌車圓周行駛的半徑（由于各部件間的位置差別相對于圓周運動的半徑小得多，因此認為各部件的轉彎半徑都為R）

——地面對攪拌車左輪的支撐力

對臨界狀態求解，得：

（5）

3.2 右轉彎時側向加速度分析

如圖4所示為混凝土攪拌運輸車右轉彎行駛時對左輪取矩的受力分析，存在如下的三種狀態：

（6）

穩定狀態：，即：

（7）

臨界狀態：，即：

（8）

側翻狀態：

（9）

對臨界狀態求解，得：

（10）

式（5）、（10）中的變量均可通過試驗測得，而車輛質心與車輛中心線通常偏差并不大，值與接近相等，可知對于右旋攪拌運輸車在左轉彎的情況下較右轉彎具有更高的側向加速度和抗側翻能力。所以，相同參數的情況下，右轉彎比左轉彎更容易發生側翻事故，這是因為對于右旋攪拌車的質心本身已偏向左側，使得右輪載荷降低，而右轉彎時由于離心力的作用加大了載荷向左側的轉移，右側車輪的載荷更加降低，更容易發生側翻事故;而左轉彎時盡管離心力的作用使得載荷向右側輪胎轉移，但是由于其本身左側車輪載荷就高于右側車輪載荷，因此相比較于右轉彎更不容易發生側翻事故[4]。

4 混凝土攪拌運輸車在水平路面上的側翻穩定性試驗分析

本試驗選用某企業的右旋混凝土攪拌運輸車為試驗樣車，車輛狀態為滿載，依據JT/T 884《營運車輛抗側翻穩定性試驗方法穩態圓周試驗》標準進行抗側翻試驗，分別研究分析左轉和右轉時的側向加速度，同時也對驅動軸車輪的輪速進行采集，如圖5所示。

本試驗采用定車速變轉角的的試驗方法，分別以50km/h、55km/h、60km/h三種車速進行左轉和右轉試驗，采集并處理后的車速、后軸四個車輪速度以及側向加速度如圖6所示。

圖6中每張圖的上半部分為車速和輪速，其中墨綠色代表車速，淺藍色代表右后輪輪速，綠色代表左后輪輪速，紅色代表右前輪輪速，黃色代表左前輪輪速（此處的前后為兩后軸驅動軸的相對位置而言），下半部分為車輛的側向加速度。根據圖6-1、圖6-2、圖6-3的數據結果可以看出，車輛保持一定的車速向右轉動轉向盤，逐漸增大轉向盤轉角時，車輛的側向加速度逐漸增加，直至右后輪的輪速瞬時升高，從圖中可以看出藍色右后輪輪速曲線瞬間突增，體現在右后輪明顯地開始出現打滑，側向加速度此刻則達到峰值，輪胎對地面的附著力開始降低，車速下降，側向加速度減小。左轉狀態同右轉，綠色左后輪速度曲線瞬間升高，體現在左后輪出現打滑現象。分別對比圖6-1與圖6-4，圖6-2與圖6-5，圖6-3與圖6-6不難看出，在側向加速度達到峰值時，右轉時右后輪輪速的增加幅度明顯要遠高于左轉時左后輪輪速的增加幅度，打滑現象更嚴重，可知右轉時載荷的偏移量要更甚于左轉時載荷的偏移量。

表1為車輛的側向加速度穩定后采集時間為3秒的平均值，由表可知，三種速度下的左轉的側向加速度值均要高于右轉，并對其他品牌的右旋混凝土攪拌運輸車樣車進行了抗側翻試驗，即便有部分車輛因為出現車輪打滑，導致車輛側向加速度無法達到0.4g，測得側向加速度值也均為左轉高于右轉，這也更加印證了式（10）的結論分析。

5 結論

本文從混凝土攪拌運輸車的結構特點和運行狀態出發，針對右旋混凝土攪拌運輸車在水平路面上的左轉彎和右轉彎的受力情況進行了分析，分類討論三種狀態并在側翻臨界狀態下求得側向加速度的極限值：左轉彎的抗側翻能力要好于右轉彎。在理論分析的基礎上，通過對右旋混凝土攪拌運輸車進行實測抗側翻穩定性試驗，驗證這一結論。本文的創新點在于在驅動軸兩側的外側車輪加裝了輪速傳感器，根據輪速的變化情況反映驅動輪的運轉狀態，為整車抗側翻試驗運行狀態的分析提供數據支持。

參考文獻：

[1]黎邦權.基于運輸工況下水泥混凝土攪拌運輸車防側翻技術研究[D].重慶：重慶交通大學，2013年6月.

[2]張國忠，王福良，周淑文，趙宇明.現代混凝土攪拌運輸車及應用[M].北京：建材工業出版社，2006.

[3]邱鵬飛.混凝土攪拌運輸車側翻動力學建模研究[D].重慶：重慶交通大學，2010年4月.

[4]閆偉.混凝土攪拌車非穩定工況狀態仿真研究[D].重慶：重慶交通大學，2013年6月.

[5]JT/T 1178.1-2018《營運貨車安全技術條件 第1部分：載貨汽車》.2018年2月.

[6]JT/T 884-2014《營運車輛抗側翻穩定性試驗方法穩態圓周試驗》.2014年4月.