車輛滾裝運(yùn)輸關(guān)鍵技術(shù)及調(diào)載改進(jìn)算法研究

邱明杰

（中遠(yuǎn)海運(yùn)物流供應(yīng)鏈有限公司，北京 100025）

0 引言

影響車輛滾裝運(yùn)輸效率的關(guān)鍵因素主要包括車輛設(shè)計(jì)、裝載方案、路線選擇、駕駛員技能等內(nèi)容。車輛滾裝運(yùn)輸?shù)乃惴ǜ倪M(jìn)和研究應(yīng)主要從數(shù)學(xué)模型角度出發(fā)，對滾裝運(yùn)輸中的平衡和穩(wěn)定問題進(jìn)行研究，以改進(jìn)車輛滾裝運(yùn)輸效率。

1 車輛滾裝運(yùn)輸關(guān)鍵技術(shù)

1.1 車輛穩(wěn)定性計(jì)算

1.1.1 穩(wěn)定性校核基本原理

裝載貨物時(shí)，需要準(zhǔn)確地知道每個(gè)貨物的重量及重心位置，并根據(jù)車輛的設(shè)計(jì)規(guī)范和承載能力合理安排車輛的裝載位置和裝載形式，使車輛達(dá)到最佳的載重平衡狀態(tài)。在貨物裝載過程中，還應(yīng)該考慮貨物的特性和穩(wěn)定性[1]。應(yīng)將質(zhì)量較重、體積較大的貨物放置在車輛的低重心位置，以確保車輛的行駛穩(wěn)定性。此外，對于容易滑動(dòng)或者傾斜的貨物，可以采取相應(yīng)的固定措施，如使用綁扎帶、鋼絲繩或支撐桿件等。穩(wěn)定性校核的基本原理如下：

第一，載重分布應(yīng)符合靜平衡原理。

第二，懸架系統(tǒng)應(yīng)能夠使車體保持平穩(wěn)。車輛行駛過程中，懸架系統(tǒng)必須能夠穩(wěn)定地支撐車體，以保證車體的平穩(wěn)定性。同時(shí)，懸架系統(tǒng)還應(yīng)保證各輪胎接觸路面的壓力分布均勻，避免因?yàn)槟承┹喬ズ奢d過大而導(dǎo)致其他輪胎荷載不足，從而影響車輛的穩(wěn)定性和行駛安全。因此，進(jìn)行穩(wěn)定性校核時(shí)，需要對車輛懸架系統(tǒng)進(jìn)行全面評(píng)估和測試，并根據(jù)車輛運(yùn)行狀況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和維護(hù)。

1.1.2 穩(wěn)定性校核計(jì)算方法

第一，合重心的確定方法。車輛穩(wěn)定性是保證運(yùn)輸過程安全和高效的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而合理確定車輛質(zhì)心位置是車輛穩(wěn)定性校核的重要基礎(chǔ)。常見的合重心計(jì)算方式包括實(shí)測法與計(jì)算法兩種。運(yùn)用計(jì)算法確定車輛合重心可分為以下五步：

其一，數(shù)據(jù)采集。車輛質(zhì)心計(jì)算的第一步是收集車輛的相關(guān)參數(shù)，包括車輛的總重量、輪胎數(shù)量、懸架系統(tǒng)類型、車軸距離等。這些參數(shù)可以通過汽車技術(shù)手冊、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等途徑獲取。

其二，車輛三維建模。對于規(guī)則幾何體部件，其重心坐標(biāo)可以通過測量圖形的幾何中心來計(jì)算。對于不規(guī)則幾何體部件，其重心坐標(biāo)可以采用積分法得到，即利用物體密度和形狀對其體積進(jìn)行積分，進(jìn)而求得重心位置。積分法計(jì)算出來的重心位置更加精確，但所需計(jì)算量較大。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，根據(jù)部件形狀的不同，可以選擇合適的計(jì)算方法。

其三，車輛質(zhì)心計(jì)算。通過對各個(gè)部件的重心坐標(biāo)和重量進(jìn)行加權(quán)平均，即可得到整車的質(zhì)心坐標(biāo)。具體而言，設(shè)第i個(gè)部件質(zhì)量為mi，重心坐標(biāo)為（xi，yi，zi），則整車質(zhì)心坐標(biāo)為：

式（1）中：∑mi代表整車質(zhì)量，也就是車輛所有部件重量之和[2]。

其四，結(jié)果修正。在實(shí)際工程中，由于測量誤差等因素的影響，計(jì)算所得的車輛質(zhì)心位置可能存在一定的偏差。因此，需要根據(jù)實(shí)際情況對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正和調(diào)整。

其五，穩(wěn)定性校核。計(jì)算出車輛質(zhì)心位置后，需要進(jìn)行穩(wěn)定性校核。穩(wěn)定性校核是指通過計(jì)算車輛在靜止和行駛過程中的重力和慣性力之間的平衡關(guān)系，確定車輛是否具有穩(wěn)定性的過程。穩(wěn)定性校核主要包括靜穩(wěn)定性和動(dòng)穩(wěn)定性兩個(gè)方面。在靜穩(wěn)定性分析中，需要計(jì)算車輛的滾轉(zhuǎn)角度、俯仰角度和橫擺角度等參數(shù)，判斷車輛是否具有穩(wěn)定性。角度計(jì)算見公式（2）：

式（2）中：Mzs為車輛繞z 軸的慣性矩，Msz為車輛繞y軸的慣性矩，mg為車輛繞重心的附加質(zhì)量偏心力矩。在動(dòng)穩(wěn)定性分析中，需要計(jì)算車輛的側(cè)偏角、航向角和俯仰角等參數(shù)，從而評(píng)估車輛的穩(wěn)定性。

第二，支撐點(diǎn)位置的計(jì)算方法主要分為以下四步：

其一，數(shù)據(jù)采集。支撐點(diǎn)位置計(jì)算的第一步是收集車輛的相關(guān)參數(shù)，包括輪胎尺寸、懸架系統(tǒng)類型、車軸距離等。這些參數(shù)可以通過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或制造商提供的技術(shù)手冊獲取。

其二，車輛重量分布測量。車輛重量分布測量是支撐點(diǎn)位置計(jì)算的關(guān)鍵步驟之一。測量時(shí)需要將車輛停放在水平面上，并將各個(gè)輪子分別放在稱重儀器上進(jìn)行測量。此外，還需對車身、發(fā)動(dòng)機(jī)等部件的重量進(jìn)行測量，以便計(jì)算車輛的總重量和重心位置。

其三，確定車輛質(zhì)心位置。在確定支撐點(diǎn)位置之前，需要首先確定車輛的質(zhì)心位置。此時(shí)可以使用整車質(zhì)心坐標(biāo)計(jì)算公式，將車輛各部件的重心坐標(biāo)以及重量進(jìn)行加權(quán)平均，從而得到整車質(zhì)心坐標(biāo)。

其四，計(jì)算支撐點(diǎn)位置。在確定了車輛質(zhì)心位置之后，可以根據(jù)車輛行駛穩(wěn)定性和彈性特性的要求，計(jì)算支撐點(diǎn)位置。通常情況下，支撐點(diǎn)位置需要滿足以下條件：

條件一，支撐點(diǎn)位置與車軸距離相等或接近。

條件二，前后輪支撐點(diǎn)距離應(yīng)該均勻分布。

條件三，左右輪支撐點(diǎn)距離應(yīng)該均勻分布。

根據(jù)上述要求，可以使用如下公式進(jìn)行支撐點(diǎn)位置計(jì)算：

式（3）中：L表示前后輪支撐點(diǎn)距離，L1與L2分別表示前后輪之間的距離。通過以上計(jì)算，可以得到車輛四個(gè)支撐點(diǎn)的具體坐標(biāo)位置，并進(jìn)一步確定車輛行駛穩(wěn)定性和彈性特性。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可能會(huì)因?yàn)檩d荷變化、路面條件不同等原因，導(dǎo)致支撐點(diǎn)位置發(fā)生變化。因此，需要根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)進(jìn)行修正和調(diào)整。

1.2 車輛受力及變形計(jì)算

1.2.1 車體梁的簡化受力模型

車輛包括底盤、車輪、車身等多個(gè)部件。對于整車結(jié)構(gòu)的分析，一般采用梁的簡化模型來進(jìn)行建模。這里的“梁”指的是車體中的主要承載部件，如車輛的底盤梁、車門梁、車頂梁等?？蓪④圀w看作由若干個(gè)相互連接的梁組成的結(jié)構(gòu)體系，以便用簡單的數(shù)學(xué)模型來描述車體的受力和變形行為，進(jìn)而對車輛進(jìn)行力學(xué)分析[3]。

1.2.2 車體梁支反力的解法

車體梁在運(yùn)動(dòng)過程中，會(huì)受到多種力的作用，比如重力、彈簧支撐力、車輪反力、空氣阻力等。為了進(jìn)行車體結(jié)構(gòu)的受力分析，需要求解出支撐力和反力。支撐力是車體受到支撐的力，包括車輪反力和彈簧支撐力等；反力則是對車體施加的外力。在求解支反力時(shí)，可以采用平衡定理和力的合成原理，將所有受力分析成平衡力和不平衡力。

1.2.3 車體梁剪力圖的繪制

剪力圖是描述梁在不同位置上所受剪力大小的圖形，用于分析車體結(jié)構(gòu)在受力狀態(tài)下的強(qiáng)度。這一過程需要先計(jì)算出不同位置上的支反力，然后應(yīng)用牛頓第三定律得到剪力大小，最后將結(jié)果繪制在圖表上，其中可以通過曲線的斜率來確定其變化率。

1.2.4 車體梁彎矩圖的繪制

彎矩圖是描述梁在不同位置上所受彎矩大小的圖形，用于分析車體結(jié)構(gòu)在受力狀態(tài)下的變形情況和強(qiáng)度。這一過程需要先計(jì)算出在不同位置上的支反力，然后應(yīng)用牛頓第二定律得到彎矩大小，最后將結(jié)果繪制在圖表上。在彎矩圖中，可以通過曲線斜率來確定其變化率。

2 滾裝調(diào)載計(jì)算及改進(jìn)算法

2.1 滾裝調(diào)載計(jì)算方法

2.1.1 確定制動(dòng)力

貨物進(jìn)入滾輪或滾筒時(shí)需要克服慣性和摩擦力的阻礙才能進(jìn)入，同時(shí)在滾動(dòng)過程中也會(huì)受到一定的阻力，這些都會(huì)影響貨物的滾動(dòng)速度。因此，進(jìn)行滾裝調(diào)載計(jì)算時(shí)，需要根據(jù)貨物的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等因素來確定制動(dòng)力大小，制動(dòng)力大小決定貨物在滾動(dòng)過程中所需的承載力。

2.1.2 計(jì)算阻力

滾裝調(diào)載中，貨物在滾動(dòng)過程中會(huì)受到多種阻力的作用，如摩擦力、空氣阻力、滾動(dòng)阻力等。這些阻力會(huì)使得貨物的滑移速度和加速度發(fā)生變化，從而影響運(yùn)輸效率和安全性。因此，進(jìn)行滾裝調(diào)載計(jì)算時(shí)，需要根據(jù)不同的阻力機(jī)制，采用不同的公式和方法來計(jì)算阻力大小。摩擦力是其中最主要的阻力之一，其大小與接觸面積、材料和表面狀態(tài)等因素有關(guān)。空氣阻力和滾動(dòng)阻力則主要與運(yùn)動(dòng)速度和形狀參數(shù)等因素有關(guān)，空氣阻力計(jì)算公式見公式（4）：

式（4）中：D代表空氣阻力，ρ代表空氣密度，A與V分別代表物體的表面積以及運(yùn)動(dòng)速度，Cd代表阻力系數(shù)。

2.1.3 考慮貨物重心

貨物在進(jìn)行滾裝調(diào)載時(shí)，其重心的位置對車輛的穩(wěn)定性和安全性有重要影響。因此，滾裝調(diào)載計(jì)算需要考慮貨物的重心位置和重量分布情況，以便確定合適的載荷分布、滾動(dòng)方向和速度等參數(shù)。長條形、形狀不規(guī)則等特殊形狀的貨物重心位置往往比較難以確定，因此需要采用試驗(yàn)或數(shù)值模擬等方法進(jìn)行分析和評(píng)估[4]。

2.1.4 采用數(shù)值模擬方法

運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行滾裝調(diào)載仿真，可以更加準(zhǔn)確地估算載荷分布、阻力大小和行駛路線等參數(shù)，有效降低滾裝調(diào)載的運(yùn)輸成本和風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)值模擬需要建立相應(yīng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型，以便進(jìn)行仿真計(jì)算和結(jié)果分析。

2.1.5 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

針對不同的滾裝調(diào)載任務(wù)，可以采用不同的設(shè)計(jì)方案。通過對不同設(shè)計(jì)方案的比較和評(píng)估，可以選擇最優(yōu)方案，以提高滾裝調(diào)載的效率和經(jīng)濟(jì)性。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案需要考慮多種因素，如運(yùn)輸距離、貨物類型、運(yùn)輸條件等，以便選出最佳方案。

2.2 滾裝調(diào)載的改進(jìn)算法

2.2.1 數(shù)據(jù)采集和處理

進(jìn)行滾裝調(diào)載的改進(jìn)算法時(shí)，需要獲取并處理相應(yīng)的運(yùn)輸數(shù)據(jù)，其中包括貨物及其重量分布、車輛參數(shù)、運(yùn)輸路線、環(huán)境條件等。這些數(shù)據(jù)可以通過人工測量、傳感器監(jiān)測等方式獲取，再通過數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和優(yōu)化。

2.2.2 建立物理模型和數(shù)學(xué)模型

為了更好地理解滾裝調(diào)載的物理過程和機(jī)理，研究人員通常需要建立相應(yīng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型。物理模型包括運(yùn)輸設(shè)備和貨物等實(shí)體對象，以便對其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力情況進(jìn)行分析。數(shù)學(xué)模型包括各種物理量之間的關(guān)系式和計(jì)算公式，以便通過計(jì)算模擬和預(yù)測滾裝調(diào)載的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和效果。

2.2.3 確定優(yōu)化目標(biāo)和設(shè)計(jì)參數(shù)

進(jìn)行滾裝調(diào)載改進(jìn)算法時(shí)，需要確定相應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)和設(shè)計(jì)參數(shù)以提高運(yùn)輸效率并降低成本。在確定設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，需要綜合考慮多個(gè)因素。一方面，需要根據(jù)貨物的特性和數(shù)量來進(jìn)行載荷分布的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以確保貨物能夠穩(wěn)定安全地裝載在車輛上。另一方面，可以通過控制車輛的速度和加速度來減少運(yùn)輸時(shí)間，并在必要時(shí)降低速度以保證安全。路線選擇也是一個(gè)重要因素，需要考慮交通擁堵、道路狀況和路程距離等因素，以便選擇最佳的路線以減少行駛距離和時(shí)間。此外，制動(dòng)力也是需要優(yōu)化的參數(shù)，其直接關(guān)系到車輛的安全性和貨物的穩(wěn)定性。合理調(diào)整制動(dòng)力，可以確保車輛在制動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生過大的慣性力，從而降低貨物受損的風(fēng)險(xiǎn)。滾裝調(diào)載優(yōu)化目標(biāo)及參數(shù)設(shè)定流程如表1 所示。

表1 滾裝調(diào)載優(yōu)化目標(biāo)及參數(shù)設(shè)定流程

2.2.4 選擇和應(yīng)用算法

滾裝調(diào)載的改進(jìn)算法有很多種，選擇算法時(shí)需要考慮其適用范圍、算法復(fù)雜度、求解效率和可靠性等因素。應(yīng)用算法時(shí)需要將其與實(shí)際問題相結(jié)合，也可通過計(jì)算機(jī)模擬輔助進(jìn)行仿真分析和結(jié)果評(píng)估。

3 結(jié)語

在車輛滾裝運(yùn)輸領(lǐng)域，關(guān)鍵技術(shù)和調(diào)載算法改進(jìn)的研究一直在不斷發(fā)展和完善。對這些技術(shù)和算法進(jìn)行深入研究，發(fā)現(xiàn)可通過數(shù)據(jù)采集和處理、建立物理模型和數(shù)學(xué)模型、確定優(yōu)化目標(biāo)和設(shè)計(jì)參數(shù)、選擇和應(yīng)用算法、試驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)果分析等步驟，實(shí)現(xiàn)更加高效、可靠和經(jīng)濟(jì)的滾裝運(yùn)輸，從而為現(xiàn)代物流的不斷進(jìn)步提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐支持。