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危化品车辆爆胎危险应急处理装置设计

2020-08-13费文玉左付山李德文周韵楚肖菁菁任可儿

汽车实用技术 2020年14期
关键词:液压传动应急处理

费文玉 左付山 李德文 周韵楚 肖菁菁 任可儿

摘 要:当危化品车辆在高速行驶中爆胎时,由于车辆侧偏、驾驶员错误操纵方向盘和液态危化品影响车辆重心等因素,极易造成车辆偏离直线行驶甚至侧翻等严重后果,造成人民生命财产损失。文章提出了一种应急处理装置,采用液压传动的方式,结合电子控制技术,在危化品车辆发生爆胎或可能出现爆胎危险时,及时锁止爆胎危险侧车架与车桥间距离,紧接着快速增大爆胎危险侧车架与车桥间距离并减小未爆胎侧车架与车桥间距离,从而使车身保持平衡,防止严重交通事故的发生。

关键词:危化品车辆;爆胎;应急处理;液压传动;电子控制

中图分类号:U462.1  文献标识码:A  文章编号:1671-7988(2020)14-27-05

Abstract: When a dangerous chemical vehicle blows out in high-speed driving, due to the side deflection of the vehicle, the driver's wrong steering wheel and the liquid dangerous chemicals affecting the vehicle's center of gravity and other factors, it is very easy to cause serious consequences such as the vehicle deviates from the straight line driving or even rollover, resulting in the loss of people's life and property. In this paper, an emergency treatment device is proposed, which adopts hydraulic transmission and electronic control technology to lock the distance between the frame and the axle on the dangerous side of the tyre burst in time when the tyre burst or the danger of the tyre burst may occur on the dangerous chemical vehicle, then quickly increase the distance between the frame and the axle on the dangerous side of the tyre burst and reduce the distance between the frame and the axle on the non tyre burst side, so as to keep the vehicle body flat To prevent serious traffic accidents.

Keywords: Dangerous chemical vehicle; Tire burst; Emergency treatment; Hydraulic transmission; Electronic control

CLC NO.: U462.1  Document Code: A  Article ID: 1671-7988(2020)14-27-05

前言

汽車爆胎作为导致交通事故的原因之一,其影响及危害是不可估量的。据有关统计数据显示:交通事故中,爆胎引发的事故占交通事故总量的70%以上[1]。高速行驶时,时速在120km/h发生爆胎导致车辆侧翻的死亡率几乎高达100%[2]。对于危化品车辆而言,爆胎将引起车辆侧翻、燃烧、爆炸、泄漏等更严重的后果,造成经济损失、环境污染、生态破坏、人员伤亡等一系列的重大事故。因此,控制爆胎车辆的车架平稳十分重要。本文提出了一种危化品车辆爆胎危险应急处理装置,本装置主体为安装在车架与车桥之间的液压缸,通过切换电磁阀来控制液压缸的伸缩,从而调整两侧车架与车桥间的距离,保持车架平稳,降低爆胎危险车辆侧翻的风险。

1 爆胎后危化品车辆操纵稳定性分析

1.1 爆胎轮胎径向刚度变化分析

如图1所示,车辆爆胎后轮胎的径向刚度在不同时间段内与时间呈线性关系,k0为正常轮胎的刚度,Tstart为轮胎爆胎起始时间,TL为轮胎爆胎持续的时间。车辆在爆胎后的轮胎径向刚度明显小于爆胎前,此后一直趋于不稳定的状态,制动、路面及其他方面的影响加剧了这种不稳定性[3]。轮胎的径向刚度发生变化时,由于轮辋冲击胎面,影响整车平衡,危化品车辆中物品的载荷分布及质心高度发生变化,从而破坏车辆的操纵稳定性[4-6]。

1.2 爆胎后危化品车辆直线行驶稳定性分析

危化品车辆的任意轮胎发生爆胎后,会导致车辆的直线行驶状态产生改变,增加了车辆的不稳定性。根据文献[7]对爆胎后车辆运行状态的仿真,其仿真工况如下:假设车辆在运行到25s时发生爆胎,爆胎时车辆的行驶速度分别为60km/h、120km/h,爆胎时间大约在0.5s内,两种速度下的车辆发生爆胎后的25秒内,车辆的侧向位移均发生较大变化,即车辆的行驶轨迹均发生较大偏移,且车辆行驶速度越大,车辆的侧向位移越大。因此,在车辆爆胎后,由于重心的偏移和爆胎侧行驶阻力的加大,车辆会发生行驶跑偏。行驶轨迹的偏移会导致爆胎车辆和其他车辆或固定物发生碰撞,引发交通事故。

1.3 爆胎后危化品车辆侧翻分析

假设整车质量为m,车辆在转弯时侧翻的临界速度为 ,其中g为重力加速度,r为转弯半径,d为轮距,h为车辆的质心高度;离心力  ,当车辆爆胎时,车辆质心高度降低,离心力增大,当离心力增大到使内侧车轮脱离路面时,便出现侧翻[8]。危化品车辆转向过程中爆胎,由于车内液态或粉质物品重心的偏移,车辆离心力增大,增加了车辆侧翻的可能性。另外,车辆爆胎后,由于驾驶员的慌张和错误操作,在车辆行驶发生偏移时,本能向相反方向操作方向盘会导致车辆产生过度转向现象,此时的圆周离心力会使车辆产生侧翻,极易引发重大交通事故。

2 应急处理装置动力学模型

危化品车辆正常行驶时,由于路面颠簸,本装置中的液压缸在车桥与车架之间存在往复伸缩运动。对单侧液压缸进行研究,这一过程可以等效为单自由度机械振动系统[9],如图2所示。

至此,已经建立起应急处理装置动力学模型。可以根据不同车型的危化品车辆的机械参数,推算出与其适应的应急处理装置的设计参数。

3 应急处理装置控制过程理论依据

本装置的控制过程主要分为危化品车辆正常行驶时液压缸控制、爆胎发生时立即锁止功能控制和爆胎后车身高度控制三个部分。

3.1 危化品车辆正常行驶时液压缸控制

在车辆正常行驶的过程中,由于路面激励和车身惯性,车辆始终处于颠簸状态。车桥与车架之间的距离时刻发生着变化,减震器也在不断压缩和伸长。因此本课题设计的危化品车辆爆胎危险应急处理装置,需要具有可以在车辆正常行驶时跟随减震器压缩和伸长的功能。否则,本装置将会妨碍汽车减震器的正常工作。为此,课题组选择采用F-PID控制来实现上述功能[10-14]。控制原理如图3所示。

通过积累的大量操作经验知道,这三个系数与输入控制器的偏差量e(t)、偏差变化率 之间,存在着一种非线性关系。这些关系虽然无法用清晰的数学表达式描述,却可以用模糊语言表述。

为此,课题组将两侧液压装置中的进/出油管上一共四个油压传感器的数值作为F控制器的输入参数,经过大量的实验之后,调整控制器的隶属函数与量化因子来优化输出参数,也就是电磁阀控制的泵油速度和方向,以达到下列目的:

(1)当一侧的液压缸中的活塞上部油压大于下部油压时,说明车身上升,电磁阀控制朝活塞下部油管泵油,使得活塞顺利伸长。

(2)当一侧的液压缸中的活塞下部油压大于上部油压时,说明车身下降,电磁阀控制朝活塞上部油管泵油,使得活塞顺利压缩。

经过上述PID控制,本装置可以与车辆颠簸同步压缩和伸长。

3.2 爆胎发生时立即锁止控制

当任一侧胎压监测器测得的数值低于一定限度,即认为这一侧发生爆胎,此时装置开始运行。三位四通电磁阀调整到中位,此时液压泵不泵油,液压缸中的活塞既不压缩也不伸长,即液压缸锁止。同时,本装置会向驾驶员面板发送爆胎警示,促使驾驶员及时停车,防止发生更严重的交通事故。这一控制过程限制了减震器的压缩,从而防止爆胎一侧车身继续下降。

3.3 车身高度控制

当两侧液压缸锁止后,爆胎应急处理装置继续工作。此时,爆胎一侧的三位四通电磁阀切换到左位状态,液压泵P口向活塞下部油管泵油,活塞向上伸长,从而增加爆胎一侧车架与车桥之间的距离;未爆胎一侧的三位四通电磁阀切换到右位状态,液压泵P口向活塞上部泵油。活塞向下压缩,从而减小未爆胎一側车架与车桥之间的距离。当爆胎侧高度传感器的数值等于未爆胎侧高度传感器的数值加上爆胎侧轮胎下陷的距离时,即认为车架平衡。

经过上述控制,本装置可以使得车架尽最大可能地保持平衡,以稳定车辆,防止发生行驶跑偏或翻车事故。

4 应急处理装置设计

经过上述动力学模型建立、控制过程理论支撑,得出本装置的主要设计思路为:在车辆的车身和车桥之间安装一只液压缸,利用刚爆胎时瞬间触发的信号来锁止液压缸的活塞,从而固定车架和车桥的相对位置,避免由于爆胎导致车身倾斜趋势的扩大。同时,利用液压泵的工作压力推动爆胎侧液压缸行程加大,继续保持车身的稳定。另一方面,同一根车桥上没有爆胎侧的液压缸行程变小,直到车身达到基本水平后液压泵停止工作。

危化品爆胎应急处理装置的组成如图4和图5所示,主要工作过程如下:

(1)车辆正常行驶时,由于控制中心没有收到胎压监测器的爆胎信息,不能产生应急保护动作。但系统中的液压缸会在车轮颠簸中产生阻力,从而影响车辆自身悬架的减震作用。因此,系统根据液压缸上下油压传感器的压力大小,判断车轮上下跳动趋势,利用液压泵产生的压力,在电磁阀的控制下,液压缸行程跟随车轮颠簸,实现基本无阻力的随动过程。

(2)当车辆发生爆胎时,胎压监测器向控制中心发送爆胎信号,此时控制中心发送信号给电磁阀,切断液压缸上下油管中的液压油的流动,及时锁止液压缸,使车架和车桥之间的距离保持不变,以防止车身的进一步倾斜。

(3)液压缸锁止后,由于爆胎的影响,轮胎的高度下降,会促使车身倾斜,此时控制中心向电磁阀发送命令,打开电磁阀,向爆胎侧液压缸的下腔注入高压的液压油,促使车架和车桥之间的距离加大;同时在另一侧非爆胎的液压缸的上腔注入高压的液压油,促使该侧的车身和车桥之间的距离缩短,直到两侧的车身基本保持平衡时调节作用停止。此时由于车身的平衡,爆胎车辆就不会发生行驶跑偏和翻车的现象。

5 应急处理装置验证

经过相关文献[15]的查阅后,得出如图6所示的车轮正常行驶时轮胎振动图和如图7所示的七自由度整车线性模型振动加速度与时间关系图。

车辆在高等级公路上正常行驶时,车辆振动频率一般为1-2Hz,振幅一般为5-20mm。以某液罐车为例,其单边单轮车身重为10吨,所装配的先导式三位四通电磁阀频率为25 Hz,装配的单活塞液压缸的缸筒内径D=100mm,活塞杆直径d=700mm,活塞临界运动速度为0.1m/s,进入液压缸的流量q=40L/min,油泵压力P=20MPa,容积效率为0.98,机械效率为0.97。

经检验,运动速度小于其临界值,能够正常运转。

由这一液罐车车辆可以验证,本装置能够及时并有效地发挥作用,从而减少爆胎导致的事故的发生。

5.1 车辆正常行驶时液压缸跟随减震器功能模拟仿真

如图8所示,将路面振动信号输入,通过Simulation X仿真[16-19]来验证液压缸跟随减震的功能,随后得出如图9所示的仿真数据图。图中红线代表输入的路面振动频谱,蓝线代表液压缸行程。从图中可以看出,本装置可以实现在车辆正常行驶时对减震器伸缩功能的跟随,不影响原车减震器的正常工作,从而不会影响车辆的正常行驶。

5.2 车辆爆胎后系统调节过程模拟仿真

如图10所示,将电磁阀的切换信号输入,经过Simulation X仿真来验证车辆爆胎后液压缸对车架车桥间距离的控制,随后得出如图11所示的仿真数据图。图中红线代表液压缸下部压力,黑线代表液压缸上部压力。从图中可以看出,液压缸压力在车辆爆胎后可以及时响应,从而可以实现将液压泵的动力传递到活塞杆上的功能,从而本装置可以实现车辆爆胎后车架车桥之间距离的调节功能。

5.3 车辆爆胎后系统控制过程实现

通过采用LabVIEW程序控制和应急处理装置硬件设备相结合的方式,实现了对车辆爆胎后系统控制过程的实现。本试验有左轮爆胎和右轮爆胎两种模式。通过选择不同的模式,硬件设备可以按照本装置程序设定的步骤完成相应的伸长与缩回功能,从而实现车辆爆胎后活塞杆的相应动作。经过试验,本装置控制系统运行可靠,可以实现对爆胎后应急处理装置的控制功能。

6 结论

本文通过对爆胎车辆稳定性的研究,提出了以液压缸为主体的应急处理装置,通过调节车桥车架间距离来保持车辆平衡。建立了应急处理装置的动力学模型,以F-PID控制作为装置控制过程的理论依据,设计出了危化品车辆爆胎危险应急处理装置,绘制出了装置设计示意图,通过软件仿真测试验证了本装置工作过程的可行性。本装置采用液压承重及液压控制设计方法,结构简单,易于实现标准化和通用化。运用多种传感及输出控制技术,装置控制过程精确可靠。同时,本装置在危化品车辆轮胎气压出现异常,气压较低时也能起到安全防护作用,防止爆胎事故的发生。目前危化品车辆还没有安装爆胎应急处理装置,国内也没有同类产品,该装置在危化品车辆或大型车辆安全运输中具有较好的推广前景。

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