道路運輸三維加速度曲線與運輸事件關聯性分析

□ 王靚靚，趙志明，肖建英

(中遠海運工程物流有限公司，北京 100016)

1 概述

精密大型貨物運輸常常有三維加速度限制要求。為了防止加速度超限，運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置喚醒，當運輸中發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，易造成貨物內構件的變形和位移，是三維加速度儀所要偵測的主要事件。但是，運輸過程中車輛正常的加速、制動、搖擺等也會因產生三維加速度而被記錄儀記錄。此外，現代加速度記錄儀多采用壓電陶瓷采集信號，靈敏度高，數據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生的小能量高頻振動也會被同時記錄。所以，當運輸完成查看記錄儀數據時，特別是遇到較大加速度值時，需要依據數據曲線分析可能的運輸事件和沖擊能量的大小，以便對貨物內部構件是否會造成影響做出判斷。本文擬通過對不同運輸事件加速度曲線特征進行研究，分析加速度超限原因與影響。

2 正常運輸過程加速度曲線特征

正常運輸車輛的起步、制動、顛簸會產生三維加速度；車輛上下坡和傾斜會使重力產生縱、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──發動機轉矩；

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，依據擋位不同而不同；

μ──傳動機械效率；

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，取0.02。

依據牛頓第二運動定律，可得出各擋的車輛最大縱向加速度為

式中：m──車貨總質量。

同時，考慮到司機踩下油門的過程和換擋瞬間機械銜接的影響，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段為司機踩下油門，發動機由怠速加速至最大轉矩的過程；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為換擋瞬間機械傳動轉換所致；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

車輛緊急制動產生較大的縱向負值加速度，加速度大小與車輪制動轂的制動力矩有關

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，當出現車輪抱死滑移時，則有

ax=-φg

式中：φ──道路附著系數，水泥瀝青路面0.7，碎石路面0.6。

出現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。考慮從司機踩下制動踏板到車輛完全停止運動，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。依據研究掛車振動的單質量系統運動微分方程(參看圖4)：

圖4 振動分析的單質量系統

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的二節導數z″，具有與振動曲線相同的頻率。考慮道路坑洼連續擊振，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，所產生的等效加速度值為

該值并不代表貨物在ax方向發生了加速運動，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段為車輛進入、駛離坡道的過程。

鑒于上述原理，當車輛勻速通過坡道時，也可根據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值也會發生變化，有

(1)

但這并不能表示車輛在橫向地加速運動。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段為車輛進入和駛離橫坡的過程。

圖8 車輛傾斜加速度曲線

3 運輸意外加速度曲線特征

運輸意外包括貨物在車輛上發生滑移碰撞、傾倒、跌落，也包括運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，容易造成貨物內部損壞，這也是加速度儀所要偵測的目標事件。

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是t2段具有較大的負值加速度(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

貨物由直立狀態傾倒，要經歷失穩傾斜、側面撞地振蕩、側面保持觸地姿態3個過程。如果是y向側面傾倒，三維加速度曲線樣式應如圖11所示。圖中，t1段為原直立狀態，t2為失穩后開始傾倒到側面觸地瞬間的過程，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除了側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互換，并一直保持到吊機開始扶正貨物為止。

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歷緊急制動、綁扎索具斷裂貨物滑移、車輛失穩傾斜、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，當牽引與制動轉化時，如開始起步、開始制動等，這些間隙的瞬間消除會發生車體的擊振，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，操作工人習慣采用敲擊的方法；操作工人也有向車上拋扔工具的習慣。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。依據敲擊的部位不同，靠近加速度儀位置敲擊曲線變化大，遠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，所產生的能量很小，對貨物內部的影響有限。

圖13 意外敲擊加速度曲線

4 總結

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

②運輸過程中，正常的加速、制動、搖擺所產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，擬采用道路運輸的貨物，應采取措施使其內部構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。