方顺亭　齐鸣　杨清凯　崔庆涛　李晶

摘 要：混凝土搅拌运输车在我国的工程建设中起着重要的作用，同时其运输安全则是亟需解决的问题，由于其运输质量大、质心高、加之搅拌筒不停地旋转，均使得其操纵稳定性变差，容易引发侧翻事故。本文在分析混凝土搅拌运输车结构特点基础上，分别对其在水平路面上的左转弯和右转弯的运行状态应用理论力学进行讨论，得出右旋混凝土搅拌车左转弯的抗侧翻能力要好于右转弯;并依据国家标准，对样车进行抗侧翻稳定性试验研究以验证结论的正确性。

关键词：混凝土搅拌运输车 抗侧翻能力 抗侧翻稳定性试验

Experimental Study on the Stability of Anti-rollover of Concrete Mixer Truck

Fang Shunting Qi Ming Yang Qingkai Cui Qingtao Li Jing

Abstract：Concrete mixer truck plays an important role in China's engineering construction. At the same time， its transportation safety is an urgent problem to be solved. Due to its large transportation quality， high center of mass， and the continuous rotation of the mixing drum， its handling stability become worse， which can easily cause rollover accidents. In this paper， based on the analysis of the structural characteristics of the concrete mixer truck， the left turn and right turn of the truck on the horizontal road were discussed， and it was concluded that the anti-rollover ability of the left turn of the truck is better than that of the right turn. According to the national standard， the anti-rollover stability test of the sample truck is carried out to verify the correctness of the conclusion.

Key words：concrete mixer truck， anti-rollover ability， anti-rollover stability test

1 前言

隨着国民经济的发展，我国的建筑行业也随之迅猛发展。然而像商业住宅建设、工业设施建设、地热工程建设、道路建设等主要所需要的原料为混凝土，混凝土是由水、砂和石子以一定比例掺和，水泥为主要胶凝材料，经搅拌而形成的人造石材。近些年，我国对混凝土的需求量处于上升趋势，混凝土搅拌车则一直在混凝土搅拌站到工程建设地的运输起着极为重要的纽带作用。但搅拌运输车的道路安全问题是一个亟需解决的难题，因其侧翻所导致的交通事故严重威胁着道路人员的生命和财产安全。2019年5月5日浙江省宜兴市张渚镇一辆混凝土搅拌运输车在避让转弯的小轿车时，因为车速过快发生侧翻，并将路边一家工厂的房子压塌，罐车驾驶员和房内一对夫妻被困，最终夫妻二人抢救无效双双身亡。2019年8月5日吴川市一辆混凝土搅拌运输车侧翻，压到了一辆黑色小轿车，轿车当时有3人在内，两人获救一人死亡。图1为混凝土搅拌运输车侧翻事故现场。

混凝土搅拌运输车在将混凝土从搅拌站运输到施工地点的过程中，为防止罐内的混凝土凝固，罐体一直保持旋转的状态。混凝土搅拌运输车在从郊区的搅拌站到市区的过程中，会经历弯道、坡道、坑洼路等多种复杂路面，同时还可能遇到紧急避让或紧急制动等多种工况。同时由于混凝土搅拌运输车边行驶罐体边旋转的特有形式，其在转弯的过程中，搅拌筒内混凝土受到离心力作用，筒内混凝土会朝着离心力相反的方向产生偏移，而由于搅拌罐的转动又加剧了质心的偏移量，这样就更增加了混凝土搅拌运输车侧翻的危险[1]。因此对混凝土搅拌运输车在转弯时的理论和试验研究对降低行驶风险具有重要的意义。

2 混凝土搅拌运输车组成及结构

混凝土搅拌运输车主要包括搅拌装置、动力装置、传动装置和底盘行走装置四个主要部分。其中：搅拌筒、搅拌筒支撑装置、上料与出料装置及检修平台等属于搅拌装置;搅拌筒驱动装置、传动装置、清洗装置、压缩气体装置和操纵装置等属于动力装置和传动装置;底盘行走装置包括汽车二类底盘、车架与支撑平台等[2]，如图2所示的混凝土搅拌运输车。

在运输过程中，为保证混凝土在从搅拌站运往施工工地的途中不发生凝结，搅拌滚筒在运输途中必须保持一定的低速运转。根据搅拌筒的旋转方向可分为左旋和右旋，从车尾朝前看，右旋搅拌筒以顺时针方向旋转时对应的筒内双螺旋叶片为左旋;同理，左旋搅拌筒以逆时针方向旋转时对应的筒内双螺旋叶片为右旋[3]。在几何设计上，各国的搅拌车的旋转方向是根据其在道路哪一侧行驶来决定的。鉴于我国道路交通安全行驶规定，车辆靠右行驶，因此大多数搅拌车在运输过程中搅拌筒均为右旋。这种搅拌车右旋搅拌筒的设计使得搅拌筒在旋转时车辆质心向左偏移整车中心线50～100mm，适应了我国道路中间高两边低的实际情况，平衡了整车的稳定性[4]。故本文将在对混凝土搅拌运输车的结构分析了解的基础上，分别对右旋混凝土搅拌运输车的左转弯和右转弯的侧翻极限的理论分析和抗侧翻稳定性试验数据的采集与分析。该项也正是交通运输部发布的JT/T 1178.1-2018《营运货车安全技术条件 第1部分：载货汽车》标准中4.5条款所对应的要求“载货汽车按照JT/T884规定的方法进行满载状态下的抗侧翻稳定性试验，车辆质心处的向心加速度达到0.4g时车辆不应发生侧翻或侧滑”[5]，本文将按照JT/T 884《营运车辆抗侧翻稳定性试验方法稳态圆周试验》规定进行抗侧翻稳定性试验。

3 混凝土搅拌运输车水平路面上弯道行驶状况下的侧翻稳定性分析

混凝土搅拌运输车在弯道上行驶时由于受到向外的离心力作用，质心向外侧偏移，导致车辆内外两侧的车轮载荷发生转移，侧向加速度越大，内侧车轮载荷越低，外侧车轮载荷越高，车辆的稳定性则越低。JT/T 1178.1-2018标准中4.5条款明确要求满载状态试验[6]，本文对满载的右旋混凝土搅拌运输车左转和右转的侧向加速度进行分析。

3.1 左转弯时侧向加速度分析

如图3所示为混凝土搅拌运输车左转弯行驶时对右轮取矩的受力分析，存在如下的三种状态：

（1）

稳定状态：，即：

（2）

稳定状态：，即：

（3）

侧翻状态：

（4）

式中：

B——搅拌车轮距

——第i部件质心到左侧车轮轮胎中心的水平距离

——搅拌车第部件的重力

——搅拌车第部件到右侧轮胎中心的距离

——搅拌筒内混凝土重力

——搅拌车第部件的质心高度

——搅拌筒旋转造成的搅拌车质心横向偏移量

——搅拌筒旋转造成的搅拌车质心纵向偏移量

——搅拌车圆周行驶的速度

——搅拌车圆周行驶的半径（由于各部件间的位置差别相对于圆周运动的半径小得多，因此认为各部件的转弯半径都为R）

——地面对搅拌车左轮的支撑力

对临界状态求解，得：

（5）

3.2 右转弯时侧向加速度分析

如图4所示为混凝土搅拌运输车右转弯行驶时对左轮取矩的受力分析，存在如下的三种状态：

（6）

稳定状态：，即：

（7）

临界状态：，即：

（8）

侧翻状态：

（9）

对临界状态求解，得：

（10）

式（5）、（10）中的变量均可通过试验测得，而车辆质心与车辆中心线通常偏差并不大，值与接近相等，可知对于右旋搅拌运输车在左转弯的情况下较右转弯具有更高的侧向加速度和抗侧翻能力。所以，相同参数的情况下，右转弯比左转弯更容易发生侧翻事故，这是因为对于右旋搅拌车的质心本身已偏向左侧，使得右轮载荷降低，而右转弯时由于离心力的作用加大了载荷向左侧的转移，右侧车轮的载荷更加降低，更容易发生侧翻事故;而左转弯时尽管离心力的作用使得载荷向右侧轮胎转移，但是由于其本身左侧车轮载荷就高于右侧车轮载荷，因此相比较于右转弯更不容易发生侧翻事故[4]。

4 混凝土搅拌运输车在水平路面上的侧翻稳定性试验分析

本试验选用某企业的右旋混凝土搅拌运输车为试验样车，车辆状态为满载，依据JT/T 884《营运车辆抗侧翻稳定性试验方法稳态圆周试验》标准进行抗侧翻试验，分别研究分析左转和右转时的侧向加速度，同时也对驱动轴车轮的轮速进行采集，如图5所示。

本试验采用定车速变转角的的试验方法，分别以50km/h、55km/h、60km/h三种车速进行左转和右转试验，采集并处理后的车速、后轴四个车轮速度以及侧向加速度如图6所示。

图6中每张图的上半部分为车速和轮速，其中墨绿色代表车速，浅蓝色代表右后轮轮速，绿色代表左后轮轮速，红色代表右前轮轮速，黄色代表左前轮轮速（此处的前后为两后轴驱动轴的相对位置而言），下半部分为车辆的侧向加速度。根据图6-1、图6-2、图6-3的数据结果可以看出，车辆保持一定的车速向右转动转向盘，逐渐增大转向盘转角时，车辆的侧向加速度逐渐增加，直至右后轮的轮速瞬时升高，从图中可以看出蓝色右后轮轮速曲线瞬间突增，体现在右后轮明显地开始出现打滑，侧向加速度此刻则达到峰值，轮胎对地面的附着力开始降低，车速下降，側向加速度减小。左转状态同右转，绿色左后轮速度曲线瞬间升高，体现在左后轮出现打滑现象。分别对比图6-1与图6-4，图6-2与图6-5，图6-3与图6-6不难看出，在侧向加速度达到峰值时，右转时右后轮轮速的增加幅度明显要远高于左转时左后轮轮速的增加幅度，打滑现象更严重，可知右转时载荷的偏移量要更甚于左转时载荷的偏移量。

表1为车辆的侧向加速度稳定后采集时间为3秒的平均值，由表可知，三种速度下的左转的侧向加速度值均要高于右转，并对其他品牌的右旋混凝土搅拌运输车样车进行了抗侧翻试验，即便有部分车辆因为出现车轮打滑，导致车辆侧向加速度无法达到0.4g，测得侧向加速度值也均为左转高于右转，这也更加印证了式（10）的结论分析。

5 结论

本文从混凝土搅拌运输车的结构特点和运行状态出发，针对右旋混凝土搅拌运输车在水平路面上的左转弯和右转弯的受力情况进行了分析，分类讨论三种状态并在侧翻临界状态下求得侧向加速度的极限值：左转弯的抗侧翻能力要好于右转弯。在理论分析的基础上，通过对右旋混凝土搅拌运输车进行实测抗侧翻稳定性试验，验证这一结论。本文的创新点在于在驱动轴两侧的外侧车轮加装了轮速传感器，根据轮速的变化情况反映驱动轮的运转状态，为整车抗侧翻试验运行状态的分析提供数据支持。

参考文献：

[1]黎邦权.基于运输工况下水泥混凝土搅拌运输车防侧翻技术研究[D].重庆：重庆交通大学，2013年6月.

[2]张国忠，王福良，周淑文，赵宇明.现代混凝土搅拌运输车及应用[M].北京：建材工业出版社，2006.

[3]邱鹏飞.混凝土搅拌运输车侧翻动力学建模研究[D].重庆：重庆交通大学，2010年4月.

[4]闫伟.混凝土搅拌车非稳定工况状态仿真研究[D].重庆：重庆交通大学，2013年6月.

[5]JT/T 1178.1-2018《营运货车安全技术条件 第1部分：载货汽车》.2018年2月.

[6]JT/T 884-2014《营运车辆抗侧翻稳定性试验方法稳态圆周试验》.2014年4月.