消防車(chē)側(cè)翻穩(wěn)定性建模與分析

1、消防車(chē)側(cè)翻穩(wěn)定性建模與分析文/上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 田驊（工程碩士）摘要：根據(jù)消防車(chē)結(jié)構(gòu)受載的實(shí)際情況，建立基于分布載荷的消防車(chē)側(cè)翻數(shù)學(xué)模型，按靜態(tài)、在平地作圓周運(yùn)動(dòng)、彎道內(nèi)傾和彎道外傾分別建立數(shù)學(xué)模型，得出各情況下消防車(chē)側(cè)翻判別式，并針對(duì)特定的 SJD5140GXFPM50W1 型泡沫消防車(chē)進(jìn)行側(cè)翻穩(wěn)定性的分析。Depending on the status of static state, circle movement on flat surface, inner overturn and outward overturn on curve surface based on

2、the distributed load of the real structure of fire engine , this paper establishes the mathematic pattern and deduces the rollover discriminant. It also analyzes the rollover stability of given foam fire engine which type is SJD5140GXFPM50W1.關(guān)鍵詞：消防車(chē) fire engine側(cè)翻穩(wěn)定性 stability of vehicle rollover1 引言

3、消防車(chē)是至關(guān)重要的消防裝備類(lèi)產(chǎn)品，其質(zhì)量直接關(guān)系到消防戰(zhàn)士和國(guó)家、人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全。其質(zhì)量一般由法定檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)根據(jù)相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行逐項(xiàng)的檢驗(yàn)，以證明產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)要求的符合性。其中的法規(guī)項(xiàng)檢驗(yàn)中，車(chē)輛側(cè)翻穩(wěn)定性能是一個(gè)重要的檢驗(yàn)項(xiàng)目。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定車(chē)輛側(cè)翻穩(wěn)定性能檢驗(yàn)是車(chē)輛處于整備質(zhì)量的條件下進(jìn)行的，即對(duì)于消防車(chē)而言，不包括乘員及滅火劑，靜態(tài)側(cè)翻以確定車(chē)輛側(cè)翻穩(wěn)定角是否滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。然而真實(shí)的情況下，消防車(chē)搭乘著消防隊(duì)員，滿(mǎn)載著水或泡沫液，高速趕往火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)。真實(shí)條件下，路面情況以及行駛速度等外部條件對(duì)消防車(chē)側(cè)翻穩(wěn)定性能都有很大的影響。因此，研究消防車(chē)的動(dòng)態(tài)側(cè)翻穩(wěn)定性就更有著實(shí)際意義。本文結(jié)合我國(guó)消

4、防車(chē)設(shè)計(jì)，根據(jù)真實(shí)條件，建立消防車(chē)側(cè)翻穩(wěn)定性的數(shù)學(xué)模型，并求出穩(wěn)定性判據(jù)。希望通過(guò)本文的研究，為今后國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供借鑒，同時(shí)也為消防車(chē)生產(chǎn)企業(yè)提供設(shè)計(jì)的參考。2 側(cè)翻穩(wěn)定性靜態(tài)模型2.1 消防車(chē)結(jié)構(gòu)消防車(chē)是通常由底盤(pán)、駕駛室（雙排）、取力器、消防炮、水泵組、管路組、水、罐體、器材箱等主要部件所組成的整車(chē)，其動(dòng)力學(xué)性能可按照各部件的分布載荷進(jìn)行分析。本文針對(duì) SJD5140GXFPM50W1 型泡沫消防車(chē)的具體車(chē)輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，總圖 1 所示。圖 1 ： SJD5140GXFPM50W1 總圖泡沫消防車(chē)部件質(zhì)心位置及質(zhì)量如表 1 所示。表 1 ： SJD5140GXFPM50W1 泡沫消防

5、車(chē)部件質(zhì)心位置及質(zhì)量序號(hào)名稱(chēng)Gi質(zhì)量LiXiHi質(zhì)心高Gi·LiG i·H iG i·X iKgmmmmmm1底盤(pán)505092615549504676300479750078477002改雙排450926155417504167007875006993003乘員 6 人450926155416704167007515006993004報(bào)警系統(tǒng)409261554282537040113000621605取力器17092615549901574201683002641806消防炮10092615542985926002985001554007水泵組2009261554

6、1220185200244003108008管路組10092615541220926001220001554009泡沫15409261554182214260402805880239316010水35009261554185832410006503000543900011罐體13809261554185812778802564040214452012吸水管1009261554570926005700015540013拉梯翻轉(zhuǎn)架120256222426603072031920026688014傳動(dòng)軸1359261554106512501014377520979015前器材箱20092615541

7、48018520029600031080016后器材箱1409261554148012964020720021756017左側(cè)卷盤(pán)858623942040731017340020349018右側(cè)卷盤(pán)85176671420401501101734006069019集水器51806674190090309500337020三分水器10172675410001726010000754021水帶護(hù)橋517667149808830490035702280 水帶6 × 1086239414005160840001436402365 水帶6 × 817866941400857286720

8、03331224濾水器104624341900460190002434025手抬泵50170677499085300495003870026泡沫桶2 × 25172675475586300377503770027旋轉(zhuǎn)架1301776704174523088022685091520合計(jì) 1326901820814295219792222.2 靜態(tài)側(cè)翻模型靜態(tài)側(cè)翻是指車(chē)輛沒(méi)有行駛速度情況下側(cè)傾至側(cè)翻的狀態(tài)。車(chē)輛在靜態(tài)側(cè)翻過(guò)程中，各部件受力情況如圖 2 所示：圖 2 ：靜態(tài)受力分析圖不考慮車(chē)輛側(cè)翻過(guò)程中輪胎的變形，則車(chē)輛側(cè)翻臨界狀態(tài)須符合下述條件：式中： Li 

9、;為低側(cè)輪胎中心至部件質(zhì)心的水平距離；Hi 為低側(cè)輪胎中心至部件質(zhì)心的垂直距離；Gi為第 i 個(gè)部件的質(zhì)量利用公式 2 ，計(jì)算得滿(mǎn)載及整備質(zhì)量狀況下的角滿(mǎn)載時(shí)，  32.52 °整備（即不考慮水、泡沫液以及乘員的影響）時(shí)，  37.28 °此最大側(cè)翻穩(wěn)定角（ GB 7258 規(guī)定，側(cè)翻試驗(yàn)時(shí)，車(chē)輛為整備載荷。）與在試驗(yàn)室真實(shí)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)十分接近。由于車(chē)輛的質(zhì)心位置不一定在其縱向?qū)ΨQ(chēng)平面上，因此左、右側(cè)通常并不相同，本文強(qiáng)調(diào)低側(cè)，實(shí)際上包括了左、右側(cè)翻兩種情況，只是應(yīng)注意 L i 的取值。3 動(dòng)態(tài)側(cè)翻模型動(dòng)態(tài)側(cè)翻是指車(chē)輛有行駛速度情況下的

10、側(cè)翻狀態(tài)。車(chē)輛側(cè)翻與否和車(chē)輛的速度、地面的橫向坡度及圓弧半徑（車(chē)輛作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)）等因素有關(guān)。分別以車(chē)輛在平地作圓周運(yùn)動(dòng)、彎道內(nèi)傾和彎道外傾三種情況進(jìn)行分析。3.1 在平地作圓周運(yùn)動(dòng)車(chē)輛在平地作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，各部件受力情況如下圖所示：圖 3 ：車(chē)輛作圓周運(yùn)動(dòng)受力分析圖其中：B 輪距（ Xi  Li ）Li 遠(yuǎn)離離心力一側(cè)的輪胎中心至 i 部件質(zhì)心的水平距離Fi  i 部件的離心力Ri  i 部件的圓周運(yùn)動(dòng)半徑V 車(chē)輛行駛速度由于各部件 Ri 為相同，故 Ri  R ，圖 4 ： Vmax R 曲線圖3.2 彎

11、道內(nèi)傾彎道內(nèi)傾指?jìng)?cè)傾方向與彎道方向一致下，作圓周運(yùn)動(dòng)。車(chē)輛各部件受力情況如圖5所示：圖 5 ：車(chē)輛彎道內(nèi)傾受力分析圖由于各部件質(zhì)心位置之間的差值相對(duì)與圓周運(yùn)動(dòng)半徑而言要小得多，故假設(shè)： Ri =R 。各部件作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，其離心力矢量至側(cè)傾一側(cè)輪與地面接觸點(diǎn)之間的距離 Zi  Hi可能有以下三種情況：（1）當(dāng)則得，彎道內(nèi)傾時(shí)內(nèi)翻判別式：對(duì)應(yīng)本文所研究的消防車(chē)， 當(dāng)車(chē)速為 0 或 R （即直道情況）時(shí)， tan 0.637495即： 32.52 °，此即為靜態(tài)側(cè)翻時(shí)車(chē)輛側(cè)翻角。如圖 6 所示，在曲線上方為在各角下的安全區(qū)域。圖 6 ： Vmin R 曲線圖（

12、 35 ° 75 °）如圖 7 所示，在曲線下方為在各角下的安全區(qū)域。圖 7 ： Rmax V 曲線圖（ 35 ° 75 °）（2） 當(dāng) 時(shí)，為車(chē)輛內(nèi)翻（與傾斜方向一致）臨界狀態(tài)，即（3）當(dāng)則得，彎道內(nèi)傾時(shí)外翻判別式：如圖 8 所示，在曲線下方為在各角下的安全區(qū)域。圖 8 ： Vmax R 曲線圖（ 0 ° 40 °）如圖 9 所示，在曲線上方為在各角下的安全區(qū)域。圖 9 ： Rmin V 曲線圖（ 0 ° 40 °）（4）當(dāng) 時(shí)，為車(chē)輛外翻（與傾斜方向不一致）臨界狀態(tài)，即 3.3 彎道外傾彎道外傾是指傾斜方向與彎道的方向不一致。車(chē)輛各部件受力情況如圖 10 所示：圖 10 ：車(chē)輛彎道外傾受力分析圖Fi與地平面的夾角為，有（1）臨界狀態(tài)化簡(jiǎn)后：此為臨界狀態(tài)。（2）內(nèi)翻狀態(tài)得 （ 31 ）即  （ 32 ）如圖 11 所示，在曲線下方為在各角下的安全區(qū)域。圖 11 ： Vmax R 曲線圖（ 0 °