吴刚，孙伟东，徐浩

(上海机动车检测认证技术研究中心有限公司，上海 201805)

0 引言

据统计，2019年全国公路完成货运量343.6亿t，占全社会货运量比重达到74%，公路货运因价格低廉、机动性高、网络覆盖面大，成为目前我国主要的货运方式。载货汽车通常情况下都是用来装载货物的，然而大多数货物都是不规则的，甚至有些货物的外形会发生千变万化，这些货物一旦在道路上飞溅、掉落等，对道路上的其他车辆及乘客、行人都会造成不同程度的伤害甚至危及生命。为了防止类似情况发生，需要在货车上布置合适的系固点数量，以及要求系固点有足够的强度和刚度，同时配合绑带、链条等对货物进行绑扎，从而降低或者消除货物的不安全因素，降低货车在行驶中对周围环境产生的风险系数。

为了进一步加强营运货车安全技术管理，有效遏制因车辆安全性能不足导致的运输安全事故，交通运输部制定发布了交通运输行业标准JT/T 1178.1—2018《营运货车安全技术条件 第1部分：载货汽车》，并于2018年5月1日起正式实施[1]。

1 标准要求

对于最大允许总质量大于3.5 t且小于12 t的货运车辆参照JT/T 1178.1—2018《营运货车安全技术条件 第1部分：载货汽车》附录E进行试验。对于最大允许总质量大于3.5 t且不大于7.5 t的货运车辆，其货箱两侧系固点应能承受8 kN的拉力；对于最大允许总质量大于7.5 t且不大于12 t的货运车辆，其货箱两侧系固点应能承受10 kN的拉力；对于前墙上的系固点，应能承受10 kN的拉力。

对于最大允许总质量大于12 t的货运车辆参照JT/T 882—2014《道路甩挂运输货物装载与栓固技术要求》附录C进行试验。货运车辆货箱两侧系固点应能承受20 kN的拉力；对于前墙上的系固点，应能承受10 kN的拉力[2-3]。

2 受力分析

为保证系固点能起到应有的作用，其必须满足强度要求，即在规定的载荷作用下，不应破坏；还要满足刚度要求，即在满足强度的同时，不能变形过大。因旋转式的系固点不受载荷角度影响，文中主要针对栏板式货箱两侧固定式的系固点进行分析，此类系固点可视为悬臂梁结构[4]。

2.1 建立模型

为帮助受力分析，对货箱两侧的系固点建立一个简单模型，即一根直径为φ10 mm、长度为60 mm的圆柱，固定在一货箱平板上，系固点的中心轴与平板侧平面的距离定为45 mm，如图1所示。

图1 系固点简单模型图

2.2 受力分析

强度向导是在UG NX内一个集成的有限元分析系统，可以直接在UG NX的单个实体做基本的结构分析[5]，文中应用该功能对系固点的简化模型进行受力分析，材料定义为钢Steel，载荷大小为20 kN，分为6种情况进行分析。分析流程如图2所示。

图2 模型受力分析流程

其受力情况为：

(1)均布载荷作用在整个系固点上(水平)

载荷方向为水平，通过有限元分析得出，系固点上的最大应力为7 212 N/mm2，系固点顶端的变形量为6.0 mm，如图3所示。

图3 模型受力分析图

(2)均布载荷作用在整个系固点上(有角度)

载荷方向为与系固点的中心轴成一角度并与货箱平板下边缘相交向上，通过有限元分析得出，系固点上的最大应力为4 403 N/mm2，系固点顶端的变形量为3.6 mm。

(3)均布载荷作用在系固点的上半部分上(水平)

载荷方向为水平，通过有限元分析得出，系固点上的最大应力为3 502 N/mm2，系固点的上半部分的变形量为0.8 mm，可近似得出系固点顶端的变形量为1.6 mm。

(4)均布载荷作用在系固点的上半部分上(有角度)

载荷方向为与系固点的中心轴成一角度并与货箱平板下边缘相交向上，通过有限元分析得出，系固点上的最大应力为2 841 N/mm2，系固点的上半部分的变形量为0.7 mm，可近似得出系固点顶端的变形量为1.4 mm。

(5)集中力载荷作用在系固点的中间位置上(水平)

载荷方向为水平，通过有限元分析得出，系固点上的最大应力为7 150 N/mm2，系固点的上半部分的变形量为2.0 mm，可近似得出系固点顶端的变形量为4.0 mm。

(6)集中力载荷作用在系固点的中间位置上(有角度)

载荷方向为与系固点的中心轴成一角度并与货箱平板下边缘相交向上，通过有限元分析得出，系固点上的最大应力为5 757 N/mm2，系固点的上半部分的变形量为1.7 mm，可近似得出系固点顶端的变形量为3.4 mm。

2.3 结果汇总

由表1可以看出，以上6种受力情况中，均布载荷作用在整个系固点上，受力方向为水平的情况，应力最大，系固点顶端的变形量也最大；均布载荷作用在系固点的上半部分上，受力方向为有角度的情况，应力最小，系固点顶端的变形量也最小。

表1 6种受力情况数据对比

3 试验方法确定

通过对4个不同地点的实地调研，包括装饰市场、蔬菜市场、五金市场和物流园区，调研对象为栏板式货箱两侧的系固点。经过调研发现，在对较轻的货物进行栓固时，会采用较细的绳索单圈栓固在系固点上，而在对较重的货物进行栓固时，会采用较粗的绳索多圈栓固在系固点上，且绳索都是与系固点呈一定角度向上拉伸，该角度的大小取决于栓固在系固点上的位置和系固点与货箱地板的距离[6]，如图4所示。

图4 实车货物栓固图

因此，在对较轻的货物进行栓固的情况可视为均布载荷有角度地作用在系固点的上半部分上，在对较重的货物进行栓固的情况可视为均布载荷有角度地作用在整个系固点上。由表1可以看出，一方面，3种受力位置在水平方向的载荷作用下的应力均大于有角度方向的载荷作用下的应力，但实际应用中没有此类情况；另一方面，在带有角度方向的载荷中，集中力载荷作用下的应力远远大于另外两种情况，而实际应用中也没有此类情况，所以若试验按照以上两种情况对系固点进行加载，会超出对系固点的强度要求。此外，因实际应用中都有均布载荷有角度作用在整个系固点上和均布载荷有角度作用在系固点的上半部分上这两种情况，由于均布载荷有角度作用在系固点的上半部分上的应力远小于均布载荷有角度作用在整个系固点上的应力，如果试验采用均布载荷有角度作用在系固点的上半部分上这种情况进行，则会减少对系固点的强度要求。由以上分析得出最适当的试验方法是均布载荷有角度作用在整个系固点上。

4 加载装置设计

4.1 加载装置的机械结构设计

模拟货物的加载框架由若干根60 mm×6 mm的方管焊接而成，在框架上方的中间处装有一个电动缸，为主要加载装置。在框架的上、下方各装有两个定滑轮，用来改变绳索的方向，以利于框架在货箱内加载，使得框架靠住货箱栏板而不易翻倒。绳索的两端各连接在系固点上和电动缸上，通过4个定滑轮，由电动缸对系固点进行加载，如图5所示。

图5 加载框架图

4.2 电动伺服加载系统设计

4.2.1 控制系统总体设计

如图6和图7所示，系固点电动伺服加载系统采用西门子S7-1200 1214C DC/DC/DC作为主控单元，外加CB1241 RS485通信板与SM1234模拟量输入输出模块，由于1214C自带的模拟量输出不支持4～20 mA输入，所以必须增加模拟量输入模块，采用博途V14编程软件进行模块化编程，14路数字量输入以及10路晶体管输出可以满足该系统的需求，上位机与PLC采用Profinet接口通信[7-8]。

图6 总体控制系统结构框图

图7 控制系统实物图

该系统采用松下MDDLT55SF伺服驱动器，支持脉冲输入、模拟量电压输入以及RS485通信赋值。其控制系统共有两种控制模式：位移控制与恒力控制。当需对系固点施加规定变形量时采用位移控制，此时驱动器工作模式为位移模式，PLC输出的脉冲个数确定电机的转角实现对电动缸的位移控制，通过改变脉冲频率实现电动缸速度的控制，同时使用基于RS485的MODBUS_RTU通信协议，将电机机械角数据传回，监控实际位移；当需对系固点施加恒定载荷时采用恒力控制，此时驱动器工作模式为扭矩模式，PLC通过SM1234模块输出模拟量给驱动器控制电机的扭矩大小，并且将压力传感器的模拟量采集并反馈给控制单元形成外部闭环，系统采用压力变送器将压力传感器的毫伏级模拟量放大至4～20 mA，毫伏级模拟量的传输线应尽量取短，这样可以有效避免信号的不稳定或者失真现象，压力控制模式下，PLC通过MODBUS通信，来改变伺服驱动器的速度参数值。两种控制模式由PLC数字量输出经过中间继电器控制驱动器DI来切换。

4.2.2 触摸屏操作面板设计

上位机采用工业测控iPad，操作界面使用Labview进行编程，S7-1200拥有1个Profinet接口，采用TCP/IP协议与上位机通信。如图8和图9所示，在上位机的主界面上可以进行手动模式与自动模式的切换，设置压力自动控制模式下的PID参数整定，实时曲线的显示；在可编程界面上，系统最多支持四步循环程序编程，每一步控制都可以选择位移模式或者压力模式，可对每一步电缸的工作速度进行调节，除了设定总循环次数之外，还支持相邻四步程序的子循环设定，可以对不同形式的系固点进行强度以及循环耐久载荷的加载。自动模式结束之后在可编程界面形成试验曲线，点击生成报告按钮可生成Word版试验报告，并在后台保留试验所有数据。

图8 触摸屏主界面

图9 触摸屏可编程界面

5 系固点强度试验

将系固点试验框架放置在货箱内，并紧靠货箱一侧的栏板，以防止在试验中框架翻倒。使用高强度织带的一端采用多圈缠绕的方式连接在整个系固点上，并穿过4个定滑轮，将织带的另一端固定在电动缸上，如图10所示。在电动伺服加载系统操作面板上设定所需加载力和加载时间，最后对系固点进行加载，输出带有试验数据和曲线的试验报告，如图11所示。

图10 系固点强度试验

图11 系固点强度试验报告

6 结束语

文中通过对6种情况的受力分析，并结合系固点应用的实际状况，总结得出了最适当的试验方法是均布载荷有角度作用在整个系固点上。同时，还设计了一套系固点强度的加载装置，模拟货物在货箱内对系固点进行加载，可以更好地实现上述试验方法，且该系统具有不同操作模式，不仅满足国家标准的加载要求，还可以满足客户的特殊加载要求。经过实际应用，该加载装置机动灵活、运行可靠，得到了客户们的高度评价。