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  混凝土自动上料搅拌车防侧翻控制研究

  混凝土自动上料搅拌车是随着混凝土商品化发展起来的,在底盘上加装梨形圆筒状搅拌桶用来输送建筑用预拌商品混凝土的专用卡车。自 1988 年以后,随着“一站三车”指导思想的提出与发展,以及随后的国家为文明建设而禁止现场搅拌混凝土,商品混凝土在建筑业蓬勃发展起来。商品混凝土的普及,推动了运输预拌混凝土的混凝土自动上料搅拌车数量规模的快速扩张。随着混凝土自动上料搅拌车的普及,其质心高、质量大以及搅拌桶转动造成的质心不稳定,导致在转弯运输工况下,其侧向加速度过大,同时由于运输过程中搅拌桶转动产生的震动使驾驶员很难实时察觉车辆的运行状态,致使自动上料搅拌车侧翻事故屡有发生。因此对混凝土自动上料搅拌车的防侧翻研究变得刻不容缓。

  1 研究现状

  目前对于小轿车等普通车量的防侧翻预警与控制技术的研究已日趋完善,但对重载货车的相关研究却比较少,尤其是对其中与一般货运车有较大区别的混凝土自动上料搅拌车的防侧翻预警与控制技术的研究更是乏善可陈。在国外,Eull 设计了一个防侧翻系统,其能通过传感器采集的信号,来预测车辆的侧翻工况,然后通过变更搅拌筒转动速度,来扭转自动上料搅拌车轮胎的负荷以改变车身的侧倾力矩而达到防侧翻的目的。
混凝土自动上料搅拌车防侧翻控制研究
  就国内而言对于混凝土自动上料搅拌车防侧翻的研究工作,重庆交通大学的研究工作者针对自动上料搅拌车的侧翻预警与防侧翻控制进行了一系列的研究:连金江基于混凝土自动上料搅拌车车身侧倾角阈值设计了混凝土自动上料搅拌车的防侧翻预警算法,同时也开发了预警控制器及通讯平台来进行模型验证;李晖基于模型试验与相似理论设计了混凝土自动上料搅拌车的模型试验车,设计出基于前轮主动转向和后轮制动减速的双闭环模糊PID控制策略,用于进行防侧翻控制;邱鹏飞基于混凝土自动上料搅拌车质心动态变化的规律,对其弯道运输各工况进行了动力学分析,建立了相应的侧翻动力学模型,并进行了数值分析验证;黎邦权尝试用传感器来获取自动上料搅拌车转弯时的安全车速,并基于安全车速理论,首次使用 LabVIEW 建立了侧翻预警虚拟仪器系统;倪菲菲基于车辆实际行驶速度与阈值速度的比较联合道路的路面状况信息建立了以 TMS320LF2407ADSP 为主控芯片的侧翻预警系统。

  除此之外,长安大学张克军基于 ADAMS 建立了混凝土自动上料搅拌车的整车动力学模型,并进行了整车振动模态分析、传递函数分析和域响应分析。国防科技大学贾天民等基于 ADAMS/Car 建立砼自动上料搅拌车的多体动力学整车模型,通过虚拟试验的方式探讨了自动上料搅拌车的行驶稳定极限,并通过合理的选择侧翻门限值设计的差动制动防侧翻系统能够有效的防止混凝土自动上料搅拌车的侧翻。

  2 研究方法

  目前,随着虚拟样机、虚拟仪器、虚拟试验等技术的快速发展,以及普通车辆的防侧翻预警及控制的研究日趋完善,都为混凝土自动上料搅拌车防侧翻预警系统及主动控制系统的开发提供了翔实理论基础和借鉴意义。目前关于混凝土自动上料搅拌车防侧翻控制的研究主要包含动力学模型建立、动力学分析、虚拟仪器预警系统的建立、控制系统设计四个方面。整车系统的动力学模型建立过程中会忽略对动力学防侧翻分析无影响或影响较小的因素,将建模过程简化,而将整车分解为前悬架、后悬架、转向系、制动系、、搅拌筒及预拌混凝土、轮胎等与动力学研究相关的子系统,在标准模式下对各子系统间的运动学和动力学关系进行分析建模,然后依据实际获取的几何定位参数、物理参数和力学参数对各子系统参数进行调整;最后将各子系统模型装配在一起,建立整车模型。
混凝土自动上料搅拌车防侧翻控制研究
  动力学分析一般是在侧翻工况易发生的转弯、坡道等工况,对自动上料搅拌车进行受力分析,列出动力学方程,找出影响自动上料搅拌车侧翻的关键因素,写出相应的动力学表达式、矩阵式。虚拟仪器预警系统是根据动力学分析的结果,提取关键因素,设置相关的门限值,包括实车安全速度、侧向加速度、横摆角速度、横向载荷转移率等的门限值,通过跟相应的传感器采集的自动上料搅拌车行驶状态信号进行比较,来判定自动上料搅拌车的侧翻状态,从而提醒驾驶员实时改变自动上料搅拌车的运行状态的系统,由虚拟仪器技术建立。

  在控制系统设计方面,往往采用降低侧向加速度的方法,一般包括差速制动、调整转向的阶跃角度等;当然还有就是通过控制搅拌桶的旋转状态,来改变自动上料搅拌车的负载等等一系列方法,这些往往通过与建模软件进行联合仿真来完成的。

  3 展望

  目前,针对混凝土自动上料搅拌车大部分都是理论上的研究,实验数据非常的缺乏。自动上料搅拌车在建模的过程当中,由于搅拌筒的转动引起车辆质心的偏移,导致自动上料搅拌车动力学分析变得愈加复杂,加大了建模与仿真的难度。对于搅拌筒的质心偏移量,现在大多数也只是理论研究,缺乏实验数据的支持。对于预警系统控制系统的设计目前大多数只是针对单一的影响因素,而忽略了车辆各个子系统的耦合关联,改变某一因素会引起相应的连锁变化。

  今后,关于混凝土自动上料搅拌车的研究,随着实验数据的丰富,理论研究应逐渐与实践检验相结合,在实验数据的支撑下详细研究质心的变化规律;减少模型建立过程中的简化因素,翔实模型参数,提高模型精度;在自动上料搅拌车与道路的匹配过程中,应采集更完备的道路参数,是模型更加精确;在搅拌筒内部混凝土的运动可以运用离散流体进行相关建模;同时对于防侧翻控制系统的控制变量选取上,可以选择多变量联合控制,增加车辆行驶的可靠性与稳定性。


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