李曉娜

（空軍南苑場站專用車輛技術保障隊，北京100076）

檢測與測試

柔性生產的多功能搶救車多項穩(wěn)定性快速判定

李曉娜

（空軍南苑場站專用車輛技術保障隊，北京100076）

為了快速判定柔性生產的多功能搶救車的行駛穩(wěn)定性及其配備的起重機的起吊穩(wěn)定性是否全部符合設計要求，而計算其整車質心的允許范圍，進而希望通過質心位置的試驗數據來快速判定每一定制車輛的行駛穩(wěn)定性和起吊穩(wěn)定性的符合情況。以現有車輛數據為基礎，進行穩(wěn)定性計算，并以此為基礎進行整車質心的范圍確定。在計算過程中，需要將整車分4個部分：G移動、G起重機、G吊重、G固定。通過分析行駛穩(wěn)定性和起重機起吊穩(wěn)定性，分別計算出兩個G固定的質心范圍并取交集，從而得到G固定的最終范圍并反推整車質心G總的最終范圍。該范圍值的意義在于，在得到車輛整車質心的試驗結果后，如果該結果在此范圍內，則可判定該車輛行駛穩(wěn)定性及起重機起吊穩(wěn)定性均在合格范圍內，滿足設計要求。

行駛穩(wěn)定性；起吊穩(wěn)定性；安全系數；質心范圍

0 前言

對于設計研發(fā)的工程車輛，質量參數的測量是定型檢驗和出廠檢驗的必做項目，其結果也是甲方驗收的重要依據之一。由于顧客需求的不同，在一定基礎上開展柔性生產是必要的（即允許顧客選配不同設備以實現不同功能）。但柔性生產帶來的一大問題是：它會使得各車輛的質量參數有所差異，而這些差異對整車穩(wěn)定性造成的影響，通常是甲方較為關心的問題。

本人參與了一種帶車廂且可選裝車載設備的多功能搶救車（以下簡稱車輛）的設計研發(fā)及生產過程。該車輛需要在保證（行駛狀態(tài)下）行駛穩(wěn)定性的同時，還需保證（停車作業(yè)時）起重機的起吊穩(wěn)定性。雖然該車輛已經通過鑒定并進入批產階段，但由于每批車輛須根據客戶需求調整選裝設備，使得每車的質心位置有所差異。這種差異對整車行駛穩(wěn)定性及起重機起吊穩(wěn)定性的影響是未知的。但清楚地掌握每輛車的穩(wěn)定性情況不僅是甲方的要求，更是生產方的職責。因此作者希望在車輛的質心位置與行駛穩(wěn)定性及起重機起吊穩(wěn)定性之間建立聯系，并找到一種通過分析整車質心范圍來快速判定行駛穩(wěn)定性及起吊穩(wěn)定性的便捷方法。

該范圍的意義在于，若車輛質心在此范圍內，則其行駛穩(wěn)定性和起吊穩(wěn)定性都是合格的。

1 整車質心范圍的確定

本文舉例的搶救車主要由二類汽車底盤、車廂、折臂式起重機、搶救設備等部分組成。搶救設備分類放置于車廂中，包括破拆、吊裝頂升、移動設備、照明、工兵工具及其他輔助設備等。該車主要用于事故飛機的破蓋開艙、搶救機上遇險飛行員、將事故飛機拖出所占用的跑道及危險地帶、調整飛機姿態(tài)等搶救作業(yè)。該車外形見圖1.

圖1 搶救車外形圖

1.1 分析流程

本文根據舉例車輛的特性，且為方便計算，將整車質心G總劃分為4個部分：可選裝車載設備G移動，起重機G起重機，吊重G吊重，其它不可拆卸的部分G固定，并分別從整車的行駛穩(wěn)定性和起重機傾翻穩(wěn)定性兩方面進行分析，分析流程圖如圖2所示。

圖2 分析流程圖

1.2 確定 G固定、G移動、G起重機的質心位置

1.2.1 確定G固定的質心位置

首先確定坐標系。坐標系以前軸中心線與大梁縱向對稱線在水平地面投影線的交點為原點，X軸正方向為平行于大梁縱向對稱線沿車行駛的后方，Y軸正方向為平行于前軸中心線沿行駛方向的右側，Z軸正方向為垂直水平面向上，分別用 G（kg）、X（mm）、Y（mm）、Z（mm）來代表整車的各總成的質量和質心坐標。

由于車輛靜止時，作用于車輛前軸中心點（即O點）的力矩相互平衡，即某部分所含各部件對O點的力矩之和等于該部分總體的質心所受地面支撐力對O點的力矩?？傎|心所受地面支撐力與該質心的各部件的重力之和相等，。因此，利用公式（1）～（4）即可計算出G固定的質心位置，計算結果見表1.

其中：Gn為第n號部件的質量（kg）；Xn為某部分第n號部件的X向坐標位置（mm）；Yn為某部分第n號部件的Y向坐標位置（mm）；Zn為某部分第n號部件的Z向坐標位置（mm）.

由表1中已知，G固定部分所包含任一部件的質量Gn及其相應的坐標位置Xn、Yn，因此即可求得G固定的總質量及其總體質心位置X固定、Y固定。由表1計算可知，G固定的總質量為14 718.5 kg，坐標位置為X固定=2 925.2 mm，Y固定=-8.3 mm.

表1 G固定的質心計算表

1.2.2 確定G移動的質心位置

根據表2已知條件，同樣利用公式1～4，可計算出（包含最多可選設備的）G移動的質心參數，結果見表2.

表2 G移動質心參數表

1.2.3 確定G起重機的質心位置及相關參數

G起重機的位置及相關參數可以從其產品的技術參數及安裝位置得知，見表3及圖3、4.

表3 G起重機質心參數表

圖3 起重機起吊曲線

圖4 起重機外形及安裝位置圖

1.3 行駛穩(wěn)定性分析

輪胎起重機穩(wěn)定性主要指行駛穩(wěn)定性和起重穩(wěn)定性。我國起重機設計規(guī)范GB3811-83對輪胎起重機的行駛穩(wěn)定性計算未作規(guī)定，實際計算時可參考一般車輛的計算方法進行[1]。

整車穩(wěn)定性計算方面，本文主要選取側向穩(wěn)定性系數、縱向穩(wěn)定性系數、左右偏載3個指標構成了穩(wěn)定性的評價準則。對于中重型貨車，在行駛轉向過程中尚未達到側滑時已經開始側翻[2]。

由于本文所計算的車輛為中型貨車，因此需要對側翻情況進行分析。查表可知其側翻閥值為0.6～0.8，因此，若側向穩(wěn)定性系數大于0.8，即算作合格。

1.3.1 確定G總的質心范圍

G總質心范圍的計算結果見表4、5，圖5，結果分析及其影響見表6.

表4 G總的質心范圍計算－已知條件

表5 G總的質心范圍計算-計算結果及判定標準

該結論意義在于：只有整車G總的質心位置的試驗結果在此范圍內，行駛穩(wěn)定性才是合格的。

1.3.2 通過行駛穩(wěn)定性分析確定G固定的質心范圍

由于本文舉例車輛的工作特點是：行駛時不吊重，吊重時不行駛（即不允許起重機帶載行駛）。因此在計算（行駛過程中）行駛穩(wěn)定性時不必計算G吊重.由于 G總=G固定+G移動+G起重機，為了確定 G固定的質心范圍，假設G總為底盤允許最大總質量 19 000 kg，G移動為最大值、G起重機為常數，因此可求得G固定的允許最大質量。如此假設的目的是：G固定的質心范圍結果較小，因此 G固定若發(fā)生變化，只要G移動、G固定不大于其允許最大值，其判定結果仍是合格的。

假設G總=19 000 kg，X總、Y總分別為最大極限值（見表6），根據已知條件（見表7），通過運用公式（5）、（6），可以確定 G固定的質心范圍，計算結果見表8，圖 6.

圖5 確定G總的質心范圍

表7 已知條件表

表8 G固定質心范圍表

圖6 通過行駛穩(wěn)定性分析得出的G固定的質心范圍

1.4 起重機傾翻穩(wěn)定性分析

在起重機起重作業(yè)的事故類型及其主要原因中，首要的就是起重機失衡發(fā)生傾翻[3]。輪胎起重機在定點作業(yè)過程中抵抗傾覆的能力稱為起重穩(wěn)定性[1]，而防傾翻是起重機作業(yè)的基本前提[4]，因此有必要對起重機穩(wěn)定性進行分析。

1.4.1 確定傾翻線

起重機在失穩(wěn)時的傾翻線，由起重機的支腿尺寸或輪胎尺寸決定，當起重機在前方作業(yè)區(qū)作業(yè)時，傾翻線是前輪軸銷與前支腿的連線[5]。

以舉例車輛為例，其傾翻線見圖5、6.

1.4.2 傾翻狀態(tài)分析

汽車起重機傾翻的直接原因是起重機在作業(yè)過程中動態(tài)失穩(wěn)造成的。在動態(tài)工作狀態(tài)，汽車起重機的傾翻力矩為5種情況的累加，其動態(tài)傾翻力矩為：

其中：Mq為起重載荷引起的傾翻力矩；MF為風力引起的傾翻力矩；MP為坡度引起的傾翻力矩；Mg為慣性力引起的傾翻力矩；ML為離心力引起的傾翻力矩。

從上面分析可以看出，汽車起重機在滿負荷（Mq）情況下，在有風天氣（MF），在有坡度的作業(yè)場地（MP）進行回轉（ML）、起升（Mg）和變幅 3 個機構同時動作時，汽車起重機就處于傾翻的危險狀態(tài)[6]。

起重機機身穩(wěn)定（包括配重）與負荷的關系可用安全系數K來表示，即穩(wěn)定力矩與傾覆力矩的比值。穩(wěn)定性要求必須滿足K值規(guī)定的最小值[7]，即起重機存在一個最易傾翻的工作狀態(tài)，即最危險失穩(wěn)工況。因此應計算起重機最危險的失穩(wěn)工況下的安全系數，若該值大于K值規(guī)定的最小值，則認為起重機的穩(wěn)定性是滿足要求的。

國內外現行的計算方法都是把作業(yè)狀態(tài)的動態(tài)過程以靜態(tài)的方式進行靜力平衡計算[8]，本文主要分析質心范圍與2種不同穩(wěn)定性的關系，且采購成熟起重機進行改裝，因此只考慮吊重（Mq）所帶來的傾翻影響。

起重機在工作狀態(tài)下，最危險的失穩(wěn)工況是吊臂位于垂直于傾翻線的位置上[5]。在動態(tài)工作過程中，起重機的安全系數隨申臂長度、變幅的增加而減小，且與回轉角度相關[9]。此外，影響安全系數的因素還有起重機的起吊曲線（見圖3）和傾翻線的位置。

本文的目的是確定質心范圍，因此需要對每一條傾翻線確定最危險工況，即根據不同吊重質量及申臂長度分別進行分析。經對舉例車輛分析得知，該車輛側向最危險工況是起重機臂全部展開7.2 m、吊重為1 200 kg、作業(yè)位置位于車輛左側且垂直于傾翻線時（見圖7）；后向最危險工況是起重機在工作幅度2.1 m、吊重6 300 kg、作業(yè)位置位于車后方且垂直于傾翻線時見圖8.前側最危險工況是起重機臂全部展開7.2 m、吊重1 200 kg、作業(yè)位置位于車前方且垂直傾翻線的位置，前翻分析圖如圖9所示。

圖7 左側吊重狀態(tài)質心計算圖

圖8 后側吊重狀態(tài)質心計算圖

圖9 前翻分析圖

由于該舉例車輛為救援車輛，在進行起吊作業(yè)時會同時使用選裝設備，因此計算時只考慮極限狀況（即各種移動設備都從車廂內取出作業(yè)情況下時）的穩(wěn)定性。所以，本文計算起吊穩(wěn)定性時不考慮G移動的質量及質心位置。

注意：在計算起吊穩(wěn)定性時，應將起重機各部分一一列出，而不能按整體進行計算。

1.4.3 側翻及后翻分析

輪式起重機的抗傾覆穩(wěn)定性可以用力矩法進行計算。力矩法是起重機各部分的自重、吊重分別乘上一個抗傾覆載荷系數，對工作時的傾翻邊之力矩的代數和大于等于零[10]。本文對于產生穩(wěn)定力矩的部分分配的抗傾覆載荷系數為1，對產生傾翻力矩的部分則統一分配安全系數K.

起重機在臨界穩(wěn)定狀態(tài)時，即在傾翻線內，內外的靜力矩相互平衡，即MS=MT.而表示起重機穩(wěn)定性的安全系數是位于傾翻線內側的穩(wěn)定力矩MS和位于外側的傾翻力矩MT之比，即K=MS/MT[5].由此公式可推導出穩(wěn)定力矩的求解公式為：

由于經計算，舉例車輛的起重機在左側、后側最危險工況的安全系數K分別為4.9和4.3，遠大于K值選取范圍（1.3～1.5），因此本文在求解質心范圍時假設K=3，即求解K=3時的質心位置作為范圍。

舉例車輛K值過大的原因是：由于選擇配套起重機時，是按照起重質量，在成熟產品中進行選擇，而不是根據車輛進行定制（以避免成本過高）。因此在滿足起吊質量的情況下選擇配裝的起重機，由于額外增加了車廂及裝載的設備，因此增加了整車的穩(wěn)定性，導致實際的安全系數遠大于起重機的理論設計值。因此，作者建議，在計算質心范圍時可以根據需求設置K值。

在K=3、G起重機質量及位置均不變的前提下，即可依公式8計算出起重機在左側及后側的傾翻力矩及穩(wěn)定力矩，并進一步計算出G固定的力臂長度。舉例車輛左側及后側最易傾翻狀態(tài)下的力臂計算步驟、過程及結果見表9、10.

表9 左側最易傾翻狀態(tài)下G固定的力臂計算表

表10 后側最易傾翻狀態(tài)下G固定的力臂計算表

經表9、10計算結果可知：G固定的質心范圍是由距傾翻線垂直距離等于穩(wěn)定力臂長度的直線所圍成的區(qū)域，該范圍距左右傾翻線1 068 mm，距后傾翻線2 941 mm.

注意：這里穩(wěn)定質量使用G固定的理論計算值而不選用可允許的最大值，其原因是，理論計算值比可允許的最大值要小，因此穩(wěn)定力臂更大，即質心的范圍相對較小，即便G固定的質量日后增加，該范圍也可繼續(xù)用于判定穩(wěn)定性。

由于舉例車輛在右側吊裝作業(yè)時其穩(wěn)定性要優(yōu)于左側，因此可采用與左側對稱的右側邊界線作為右側的質心范圍（見圖10）。

圖10 通過起吊穩(wěn)定性分析得出的G固定的質心范圍

1.4.4 前翻分析

已知該車輛前方作業(yè)時的最危險工況是臂長7 200 mm、起吊1 200 kg、作業(yè)位置在車輛前方且垂直于傾翻線的位置。由于吊重位置接近前傾翻線（前輪位置），因此不可能發(fā)生前翻。為了確定質心范圍，將前支腿連線暫定為傾翻線并進行計算。由圖9可知，產生前翻力矩的只有吊重，而穩(wěn)定力矩除了G固定外，還有起重機的回轉部分和其它質量。而僅僅是起重機回轉部分所產生的穩(wěn)定力矩已經是傾翻力矩的3.97倍（即K>3）。因此在K=3時G固定的質心位置應該在前支腿連線以內。因此本文將前支腿連線作為其質心范圍的邊界。

1.4.5 通過起吊穩(wěn)定性分析確定G固定的質心范圍

由上述分析計算結果可知，G固定的質心范圍曲線，距左右傾翻線的距離為1 068 mm，距后傾翻線的距離為2 941 mm；距前支腿連線的距離為0 mm.由此可以繪制G固定的質心范圍見圖10.

1.5 確定G固定的最終質心范圍

結合兩次計算G固定質心范圍的結果取交集，就是G固定的最終質心范圍，該范圍與通過行駛穩(wěn)定性分析得出的G固定的質心范圍相同，見表11，圖11.該范圍的意義在于，如果G固定的質心在此范圍內，該車的行駛穩(wěn)定性和起重機起吊穩(wěn)定性都是合格的。

表11 G固定最終質心范圍表

圖11 G固定的最終質心范圍

1.6 確定G總的最終質心范圍

由于G固定的最終質心范圍和行駛穩(wěn)定性分析時得到的范圍相同，因此，G總的最終范圍與行駛穩(wěn)定性分析時得到的G總范圍一致。結果見表6、圖5.

2 提高起重機起吊穩(wěn)定性的方法

起重機的傾翻原因可以分操作者主觀原因和環(huán)境等客觀原因[3]，也可以具體分為違章操作等6個方面的原因[11]。通過傾翻原因分析，找出提供傾翻力矩的危險因素并加以規(guī)避，是有效避免起重機傾翻，提高起吊穩(wěn)定性的方法。結合公式7及各傾翻原因的分析，對于能夠計算的指標，可以通過給予一定的安全儲備來保證車輛穩(wěn)定性，對于不能量化計算的指標，可以利用監(jiān)管手段解決，具體的分析結果見表12.

表12 起吊穩(wěn)定性影響指標分析表

人的因素：傾翻事故大都是由操作者操作失誤造成的。因此使用階段的操作者是更為重要的因素[3]。機的因素：據資料統計，在所發(fā)生的所有機械人身傷害事故中，由于機械本身缺陷所造成的事故約占所有發(fā)生事故的25%，所以機械的因素是在工作中引起高度重視的一個重要方面[7]。物的因素：對起吊物品重量的準確判斷亦是保證起吊穩(wěn)定性的關鍵因素之一。以上從人、機、物三方面對傾翻事故的預防給出了合理化建議，即在操作者、起重設備和起吊物品三個方面應加強科學管理，防止傾翻事故的發(fā)生。

3 結論

（1）本文通過分析車輛的行駛穩(wěn)定性和起重機起吊穩(wěn)定性，并通過G固定將兩個穩(wěn)定性指標關聯起來綜合進行判斷，從而計算出了整車的質心范圍。其意義在于，在得到整車質心的試驗數據后，如果該結果在此范圍內，則可判定其行駛穩(wěn)定性及起重機起吊穩(wěn)定性均在合格范圍內，滿足設計要求。

（2）本文給出的求取質心范圍的方法，可以在車輛設計階段用于快速判定車輛的穩(wěn)定性，便于及時優(yōu)化設計方案，提高工作效率。

（3）本文采用的算法給予了吊臂和吊重相同的安全儲備（K=3）.此算法相對簡單，且單從穩(wěn)定性來看十分安全，但缺點是損失了起重性能來確保穩(wěn)定（即超載后的結果是折臂而非翻車）。但是如處理得當，可以用車架的傾斜給司機一個警告，避免折臂[8]。如何避免折臂和傾翻情況的發(fā)生，是需要繼續(xù)研究的內容。

（4）以靜態(tài)的方法進行計算是一種近似計算，因此其計算是否合理的關鍵在于如何近似地或者當量地在計算公式和系數選取中反映動態(tài)過程實際具有的傾翻力矩。若利用起重機結構設計中用到的動載系數 Ψ（1.2～ 1.25）、自重系數 Φ（1.05～ 1.15）來代替原有的安全系數K，為吊重、吊臂所產生的傾翻力矩給予不同的安全儲備，則此種算法計算出的穩(wěn)定性會更加接近實際的情況[8]。此外，若能對公式7中其它傾翻力矩進行計算，則更能準確地反映其穩(wěn)定性，質心范圍也會更加準確。但若起重機起吊穩(wěn)定性推導出的質心范圍遠大于整車穩(wěn)定性推導出的結果，利用以上算法精確計算穩(wěn)定性則沒有太大的實際意義。因此應根據情況選擇適宜的算法。

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Fast Determination of the Multiple Stability About the Multifunctional Rescue Vehicle Which Produced Flexible

LI Xiao-na
（Air Force Nanyuan Station Special Vehicle Support Team，Beijing 100076，China）

For fast determinate the driving stability and lifting stability of the multifunctional rescue vehicle，it calculates the range of the vehicle ’s centroid position ，and hopes that it can be used to determinate the qualification of every vehicle’s driving stability and lifting stability by compare the experimental data.It calculated the stability based on the data and determined the range of the vehicle’s centroid position.During the process of the calculation，the vehicle need to be separate into 4 parts：Gmove，Glift，Gload，Gfixed.Through the analysis of the vehicle’s driving stability and lifting stability，calculate 2 different range of the Gfixed and get the intersection of them，we can get the final range of the Gfixed，further calculate the final range of the Gvehicle.Its meaning is that provides us a basis for determining the vehicle’s driving stability and lifting stability.

driving stability；lifting stability；safety actor；range of the centroid position

TH213.6

A

1672-545X（2017）08-0202-07

2017-05-13

李曉娜（1984-），女，山東人，空軍南苑場站專用車輛技術保障隊工程師，碩士，設計師，主要研究方向：車輛穩(wěn)定性、起重機穩(wěn)定性。