車輛滾裝運輸關鍵技術及調載改進算法研究

邱明杰

（中遠海運物流供應鏈有限公司，北京 100025）

0 引言

影響車輛滾裝運輸效率的關鍵因素主要包括車輛設計、裝載方案、路線選擇、駕駛員技能等內容。車輛滾裝運輸的算法改進和研究應主要從數學模型角度出發，對滾裝運輸中的平衡和穩定問題進行研究，以改進車輛滾裝運輸效率。

1 車輛滾裝運輸關鍵技術

1.1 車輛穩定性計算

1.1.1 穩定性校核基本原理

裝載貨物時，需要準確地知道每個貨物的重量及重心位置，并根據車輛的設計規范和承載能力合理安排車輛的裝載位置和裝載形式，使車輛達到最佳的載重平衡狀態。在貨物裝載過程中，還應該考慮貨物的特性和穩定性[1]。應將質量較重、體積較大的貨物放置在車輛的低重心位置，以確保車輛的行駛穩定性。此外，對于容易滑動或者傾斜的貨物，可以采取相應的固定措施，如使用綁扎帶、鋼絲繩或支撐桿件等。穩定性校核的基本原理如下：

第一，載重分布應符合靜平衡原理。

第二，懸架系統應能夠使車體保持平穩。車輛行駛過程中，懸架系統必須能夠穩定地支撐車體，以保證車體的平穩定性。同時，懸架系統還應保證各輪胎接觸路面的壓力分布均勻，避免因為某些輪胎荷載過大而導致其他輪胎荷載不足，從而影響車輛的穩定性和行駛安全。因此，進行穩定性校核時，需要對車輛懸架系統進行全面評估和測試，并根據車輛運行狀況進行適當調整和維護。

1.1.2 穩定性校核計算方法

第一，合重心的確定方法。車輛穩定性是保證運輸過程安全和高效的關鍵環節，而合理確定車輛質心位置是車輛穩定性校核的重要基礎。常見的合重心計算方式包括實測法與計算法兩種。運用計算法確定車輛合重心可分為以下五步：

其一，數據采集。車輛質心計算的第一步是收集車輛的相關參數，包括車輛的總重量、輪胎數量、懸架系統類型、車軸距離等。這些參數可以通過汽車技術手冊、相關標準等途徑獲取。

其二，車輛三維建模。對于規則幾何體部件，其重心坐標可以通過測量圖形的幾何中心來計算。對于不規則幾何體部件，其重心坐標可以采用積分法得到，即利用物體密度和形狀對其體積進行積分，進而求得重心位置。積分法計算出來的重心位置更加精確，但所需計算量較大。在實際應用時，根據部件形狀的不同，可以選擇合適的計算方法。

其三，車輛質心計算。通過對各個部件的重心坐標和重量進行加權平均，即可得到整車的質心坐標。具體而言，設第i個部件質量為mi，重心坐標為（xi，yi，zi），則整車質心坐標為：

式（1）中：∑mi代表整車質量，也就是車輛所有部件重量之和[2]。

其四，結果修正。在實際工程中，由于測量誤差等因素的影響，計算所得的車輛質心位置可能存在一定的偏差。因此，需要根據實際情況對計算結果進行修正和調整。

其五，穩定性校核。計算出車輛質心位置后，需要進行穩定性校核。穩定性校核是指通過計算車輛在靜止和行駛過程中的重力和慣性力之間的平衡關系，確定車輛是否具有穩定性的過程。穩定性校核主要包括靜穩定性和動穩定性兩個方面。在靜穩定性分析中，需要計算車輛的滾轉角度、俯仰角度和橫擺角度等參數，判斷車輛是否具有穩定性。角度計算見公式（2）：

式（2）中：Mzs為車輛繞z 軸的慣性矩，Msz為車輛繞y軸的慣性矩，mg為車輛繞重心的附加質量偏心力矩。在動穩定性分析中，需要計算車輛的側偏角、航向角和俯仰角等參數，從而評估車輛的穩定性。

第二，支撐點位置的計算方法主要分為以下四步：

其一，數據采集。支撐點位置計算的第一步是收集車輛的相關參數，包括輪胎尺寸、懸架系統類型、車軸距離等。這些參數可以通過相關標準或制造商提供的技術手冊獲取。

其二，車輛重量分布測量。車輛重量分布測量是支撐點位置計算的關鍵步驟之一。測量時需要將車輛停放在水平面上，并將各個輪子分別放在稱重儀器上進行測量。此外，還需對車身、發動機等部件的重量進行測量，以便計算車輛的總重量和重心位置。

其三，確定車輛質心位置。在確定支撐點位置之前，需要首先確定車輛的質心位置。此時可以使用整車質心坐標計算公式，將車輛各部件的重心坐標以及重量進行加權平均，從而得到整車質心坐標。

其四，計算支撐點位置。在確定了車輛質心位置之后，可以根據車輛行駛穩定性和彈性特性的要求，計算支撐點位置。通常情況下，支撐點位置需要滿足以下條件：

條件一，支撐點位置與車軸距離相等或接近。

條件二，前后輪支撐點距離應該均勻分布。

條件三，左右輪支撐點距離應該均勻分布。

根據上述要求，可以使用如下公式進行支撐點位置計算：

式（3）中：L表示前后輪支撐點距離，L1與L2分別表示前后輪之間的距離。通過以上計算，可以得到車輛四個支撐點的具體坐標位置，并進一步確定車輛行駛穩定性和彈性特性。在實際應用時，可能會因為載荷變化、路面條件不同等原因，導致支撐點位置發生變化。因此，需要根據實際情況及時進行修正和調整。

1.2 車輛受力及變形計算

1.2.1 車體梁的簡化受力模型

車輛包括底盤、車輪、車身等多個部件。對于整車結構的分析，一般采用梁的簡化模型來進行建模。這里的“梁”指的是車體中的主要承載部件，如車輛的底盤梁、車門梁、車頂梁等。可將車體看作由若干個相互連接的梁組成的結構體系，以便用簡單的數學模型來描述車體的受力和變形行為，進而對車輛進行力學分析[3]。

1.2.2 車體梁支反力的解法

車體梁在運動過程中，會受到多種力的作用，比如重力、彈簧支撐力、車輪反力、空氣阻力等。為了進行車體結構的受力分析，需要求解出支撐力和反力。支撐力是車體受到支撐的力，包括車輪反力和彈簧支撐力等；反力則是對車體施加的外力。在求解支反力時，可以采用平衡定理和力的合成原理，將所有受力分析成平衡力和不平衡力。

1.2.3 車體梁剪力圖的繪制

剪力圖是描述梁在不同位置上所受剪力大小的圖形，用于分析車體結構在受力狀態下的強度。這一過程需要先計算出不同位置上的支反力，然后應用牛頓第三定律得到剪力大小，最后將結果繪制在圖表上，其中可以通過曲線的斜率來確定其變化率。

1.2.4 車體梁彎矩圖的繪制

彎矩圖是描述梁在不同位置上所受彎矩大小的圖形，用于分析車體結構在受力狀態下的變形情況和強度。這一過程需要先計算出在不同位置上的支反力，然后應用牛頓第二定律得到彎矩大小，最后將結果繪制在圖表上。在彎矩圖中，可以通過曲線斜率來確定其變化率。

2 滾裝調載計算及改進算法

2.1 滾裝調載計算方法

2.1.1 確定制動力

貨物進入滾輪或滾筒時需要克服慣性和摩擦力的阻礙才能進入，同時在滾動過程中也會受到一定的阻力，這些都會影響貨物的滾動速度。因此，進行滾裝調載計算時，需要根據貨物的質量和運動狀態等因素來確定制動力大小，制動力大小決定貨物在滾動過程中所需的承載力。

2.1.2 計算阻力

滾裝調載中，貨物在滾動過程中會受到多種阻力的作用，如摩擦力、空氣阻力、滾動阻力等。這些阻力會使得貨物的滑移速度和加速度發生變化，從而影響運輸效率和安全性。因此，進行滾裝調載計算時，需要根據不同的阻力機制，采用不同的公式和方法來計算阻力大小。摩擦力是其中最主要的阻力之一，其大小與接觸面積、材料和表面狀態等因素有關。空氣阻力和滾動阻力則主要與運動速度和形狀參數等因素有關，空氣阻力計算公式見公式（4）：

式（4）中：D代表空氣阻力，ρ代表空氣密度，A與V分別代表物體的表面積以及運動速度，Cd代表阻力系數。

2.1.3 考慮貨物重心

貨物在進行滾裝調載時，其重心的位置對車輛的穩定性和安全性有重要影響。因此，滾裝調載計算需要考慮貨物的重心位置和重量分布情況，以便確定合適的載荷分布、滾動方向和速度等參數。長條形、形狀不規則等特殊形狀的貨物重心位置往往比較難以確定，因此需要采用試驗或數值模擬等方法進行分析和評估[4]。

2.1.4 采用數值模擬方法

運用計算機軟件進行滾裝調載仿真，可以更加準確地估算載荷分布、阻力大小和行駛路線等參數，有效降低滾裝調載的運輸成本和風險。數值模擬需要建立相應的物理模型和數學模型，以便進行仿真計算和結果分析。

2.1.5 優化設計方案

針對不同的滾裝調載任務，可以采用不同的設計方案。通過對不同設計方案的比較和評估，可以選擇最優方案，以提高滾裝調載的效率和經濟性。優化設計方案需要考慮多種因素，如運輸距離、貨物類型、運輸條件等，以便選出最佳方案。

2.2 滾裝調載的改進算法

2.2.1 數據采集和處理

進行滾裝調載的改進算法時，需要獲取并處理相應的運輸數據，其中包括貨物及其重量分布、車輛參數、運輸路線、環境條件等。這些數據可以通過人工測量、傳感器監測等方式獲取，再通過數據處理軟件進行統計、分析和優化。

2.2.2 建立物理模型和數學模型

為了更好地理解滾裝調載的物理過程和機理，研究人員通常需要建立相應的物理模型和數學模型。物理模型包括運輸設備和貨物等實體對象，以便對其運動狀態和受力情況進行分析。數學模型包括各種物理量之間的關系式和計算公式，以便通過計算模擬和預測滾裝調載的運動狀態和效果。

2.2.3 確定優化目標和設計參數

進行滾裝調載改進算法時，需要確定相應的優化目標和設計參數以提高運輸效率并降低成本。在確定設計參數時，需要綜合考慮多個因素。一方面，需要根據貨物的特性和數量來進行載荷分布的優化設計，以確保貨物能夠穩定安全地裝載在車輛上。另一方面，可以通過控制車輛的速度和加速度來減少運輸時間，并在必要時降低速度以保證安全。路線選擇也是一個重要因素，需要考慮交通擁堵、道路狀況和路程距離等因素，以便選擇最佳的路線以減少行駛距離和時間。此外，制動力也是需要優化的參數，其直接關系到車輛的安全性和貨物的穩定性。合理調整制動力，可以確保車輛在制動時不產生過大的慣性力，從而降低貨物受損的風險。滾裝調載優化目標及參數設定流程如表1 所示。

表1 滾裝調載優化目標及參數設定流程

2.2.4 選擇和應用算法

滾裝調載的改進算法有很多種，選擇算法時需要考慮其適用范圍、算法復雜度、求解效率和可靠性等因素。應用算法時需要將其與實際問題相結合，也可通過計算機模擬輔助進行仿真分析和結果評估。

3 結語

在車輛滾裝運輸領域，關鍵技術和調載算法改進的研究一直在不斷發展和完善。對這些技術和算法進行深入研究，發現可通過數據采集和處理、建立物理模型和數學模型、確定優化目標和設計參數、選擇和應用算法、試驗驗證和結果分析等步驟，實現更加高效、可靠和經濟的滾裝運輸，從而為現代物流的不斷進步提供堅實的理論基礎和實踐支持。