铰接式工程车辆动态侧翻稳定性研究

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铰接式工程车辆比如集材机、装载机、铲运机等,具有机动性能好、转向半径小等优点广泛应用于能源开发、矿山开采、筑路等工程领域,工作环境比较恶劣,且装载质量比较大。同时由于铰接式工程车辆前后车体铰接在一起,自身结构不规则,使其在行驶转向时的横向稳定性较差,导致车辆在作业中极易发生侧翻危险事故。近年来铰接式工程车辆翻车事故屡屡发生,严重造成了生命和财产的损失。因此,铰接式工程车辆的稳定性和安全性问题已经成为国内外学者研究的热点。为了保护司机安全,国际标准ISO3471要求在工程车辆上安装翻车保护结构(ROPS),实现翻车时对司机的被动保护,但是不能从根本上抑制车辆倾翻。因此需要研究铰接式工程车辆的侧翻稳定性机理,采取主动安全技术抑制车辆倾翻。目前,国内研究机构和学者进行了大量的静态稳定性机理研究,但铰接式工程车辆的动态倾翻稳定性研究起步较晚还不完善。因此,本论文结合国家自然科学基金项目“非公路车辆防翻车主动安全技术研究”(No.51175216)、高等学校博士学科点专项科研基金(博导类)项目“工程车辆主动防倾翻系统设计理论与控制技术”(No.20100061110014)以及吉林大学研究生创新基金项目“非公路车辆翻车预警及主动防倾翻技术研究”(No.20121081),在国内外研究成果的基础上,对铰接式工程车辆动态侧倾稳定性进行了分析。首先运用拉格朗日法建立了轮式装载机四自由度动力学模型;其次,自主搭建了车辆倾翻试验平台,设计了遥控装载机试验车,选取水平路面和斜坡路面转向工况对动力学模型进行了试验验证;最后,运用动力学模型对ZL50装载机动态侧翻稳定性进行了分析。本文围绕上述内容展开了如下工作:1.对铰接式工程车辆倾翻稳定性的研究背景和意义进行了系统地论述,总结了铰接式工程车辆倾翻稳定性研究的国内外现状;阐述了铰接式工程车辆的转向过程,从一级稳定度和二级稳定度两方面分析了车辆在斜坡上行驶和转向时的静态横向稳定性;详细描述了几种车辆稳定性的评价指标,并对各自的优缺点进行了比较。2.以轮式装载机为研究对象,对模型进行了基本假设,忽略了影响装载机横摆侧倾运动较小的因素,运用拉格朗日法建立了车辆四自由度动力学模型,并选用Matlab中ode15i解算指令对整车系统的运动微分方程进行了求解。所建立的模型简单易懂,实时性好,能够反映车辆侧向运动、横摆和侧倾的所有重要特性,为铰接式工程车辆侧倾稳定性机理的研究奠定了模型基础。3.本文自主搭建了铰接式工程车辆倾翻车载试验平台,设计了能够完成直行、转向和爬坡运动的遥控装载机试验车,选取了水平道路和斜坡上转弯工况对轮式装载机横摆侧倾四自由度动力学模型进行了试验验证,动力学模型具有较高的精度。4.选取横向载荷转移率作为评价车辆侧倾稳定性的危险指标,运用四自由度动力学模型对ZL50轮式装载机行驶转向特性进行了仿真,分析了车辆在不同速度、不同坡度以及不同时间内转向下的动态侧倾稳定性,并得出了某ZL50装载机稳定工作区域图,具有一定的实用价值,为进一步研究铰接式工程车辆侧翻预警技术和主动防倾翻控制系统奠定理论基础。铰接式工程车辆动态侧翻稳定性研究是主动防倾翻系统设计的理论基础,车辆倾翻机理的研究深入程度直接影响了主动防倾翻控制系统的精确性和有效性。因此,本文的工作可以为后续铰接式工程车辆主动安全技术的研究提供一定的依据。
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