消防车侧翻稳定性建模与分析

1、消防车侧翻稳定性建模与分析文/上海交通大学 机械与动力工程学院 田骅（工程硕士）摘要：根据消防车结构受载的实际情况，建立基于分布载荷的消防车侧翻数学模型，按静态、在平地作圆周运动、弯道内倾和弯道外倾分别建立数学模型，得出各情况下消防车侧翻判别式，并针对特定的 SJD5140GXFPM50W1 型泡沫消防车进行侧翻稳定性的分析。Depending on the status of static state, circle movement on flat surface, inner overturn and outward overturn on curve surface based on

2、the distributed load of the real structure of fire engine , this paper establishes the mathematic pattern and deduces the rollover discriminant. It also analyzes the rollover stability of given foam fire engine which type is SJD5140GXFPM50W1.关键词：消防车 fire engine侧翻稳定性 stability of vehicle rollover1 引言

3、消防车是至关重要的消防装备类产品，其质量直接关系到消防战士和国家、人民生命和财产的安全。其质量一般由法定检验机构根据相应的国家标准，进行逐项的检验，以证明产品与标准要求的符合性。其中的法规项检验中，车辆侧翻稳定性能是一个重要的检验项目。标准规定车辆侧翻稳定性能检验是车辆处于整备质量的条件下进行的，即对于消防车而言，不包括乘员及灭火剂，静态侧翻以确定车辆侧翻稳定角是否满足标准要求。然而真实的情况下，消防车搭乘着消防队员，满载着水或泡沫液，高速赶往火灾现场。真实条件下，路面情况以及行驶速度等外部条件对消防车侧翻稳定性能都有很大的影响。因此，研究消防车的动态侧翻稳定性就更有着实际意义。本文结合我国消

4、防车设计，根据真实条件，建立消防车侧翻稳定性的数学模型，并求出稳定性判据。希望通过本文的研究，为今后国家标准的修订提供借鉴，同时也为消防车生产企业提供设计的参考。2 侧翻稳定性静态模型2.1 消防车结构消防车是通常由底盘、驾驶室（双排）、取力器、消防炮、水泵组、管路组、水、罐体、器材箱等主要部件所组成的整车，其动力学性能可按照各部件的分布载荷进行分析。本文针对 SJD5140GXFPM50W1 型泡沫消防车的具体车辆结构进行了研究，总图 1 所示。图 1 ： SJD5140GXFPM50W1 总图泡沫消防车部件质心位置及质量如表 1 所示。表 1 ： SJD5140GXFPM50W1 泡沫消防

5、车部件质心位置及质量序号名称Gi质量LiXiHi质心高Gi·LiG i·H iG i·X iKgmmmmmm1底盘505092615549504676300479750078477002改双排450926155417504167007875006993003乘员 6 人450926155416704167007515006993004报警系统409261554282537040113000621605取力器17092615549901574201683002641806消防炮10092615542985926002985001554007水泵组2009261554

6、1220185200244003108008管路组10092615541220926001220001554009泡沫15409261554182214260402805880239316010水35009261554185832410006503000543900011罐体13809261554185812778802564040214452012吸水管1009261554570926005700015540013拉梯翻转架120256222426603072031920026688014传动轴1359261554106512501014377520979015前器材箱20092615541

7、48018520029600031080016后器材箱1409261554148012964020720021756017左侧卷盘858623942040731017340020349018右侧卷盘85176671420401501101734006069019集水器51806674190090309500337020三分水器10172675410001726010000754021水带护桥517667149808830490035702280 水带6 × 1086239414005160840001436402365 水带6 × 817866941400857286720

8、03331224滤水器104624341900460190002434025手抬泵50170677499085300495003870026泡沫桶2 × 25172675475586300377503770027旋转架1301776704174523088022685091520合计 1326901820814295219792222.2 静态侧翻模型静态侧翻是指车辆没有行驶速度情况下侧倾至侧翻的状态。车辆在静态侧翻过程中，各部件受力情况如图 2 所示：图 2 ：静态受力分析图不考虑车辆侧翻过程中轮胎的变形，则车辆侧翻临界状态须符合下述条件：式中： Li 

9、;为低侧轮胎中心至部件质心的水平距离；Hi 为低侧轮胎中心至部件质心的垂直距离；Gi为第 i 个部件的质量利用公式 2 ，计算得满载及整备质量状况下的角满载时，  32.52 °整备（即不考虑水、泡沫液以及乘员的影响）时，  37.28 °此最大侧翻稳定角（ GB 7258 规定，侧翻试验时，车辆为整备载荷。）与在试验室真实试验的数据十分接近。由于车辆的质心位置不一定在其纵向对称平面上，因此左、右侧通常并不相同，本文强调低侧，实际上包括了左、右侧翻两种情况，只是应注意 L i 的取值。3 动态侧翻模型动态侧翻是指车辆有行驶速度情况下的

10、侧翻状态。车辆侧翻与否和车辆的速度、地面的横向坡度及圆弧半径（车辆作圆周运动时）等因素有关。分别以车辆在平地作圆周运动、弯道内倾和弯道外倾三种情况进行分析。3.1 在平地作圆周运动车辆在平地作圆周运动时，各部件受力情况如下图所示：图 3 ：车辆作圆周运动受力分析图其中：B 轮距（ Xi  Li ）Li 远离离心力一侧的轮胎中心至 i 部件质心的水平距离Fi  i 部件的离心力Ri  i 部件的圆周运动半径V 车辆行驶速度由于各部件 Ri 为相同，故 Ri  R ，图 4 ： Vmax R 曲线图3.2 弯

11、道内倾弯道内倾指侧倾方向与弯道方向一致下，作圆周运动。车辆各部件受力情况如图5所示：图 5 ：车辆弯道内倾受力分析图由于各部件质心位置之间的差值相对与圆周运动半径而言要小得多，故假设： Ri =R 。各部件作圆周运动时，其离心力矢量至侧倾一侧轮与地面接触点之间的距离 Zi  Hi可能有以下三种情况：（1）当则得，弯道内倾时内翻判别式：对应本文所研究的消防车， 当车速为 0 或 R （即直道情况）时， tan 0.637495即： 32.52 °，此即为静态侧翻时车辆侧翻角。如图 6 所示，在曲线上方为在各角下的安全区域。图 6 ： Vmin R 曲线图（

12、 35 ° 75 °）如图 7 所示，在曲线下方为在各角下的安全区域。图 7 ： Rmax V 曲线图（ 35 ° 75 °）（2） 当 时，为车辆内翻（与倾斜方向一致）临界状态，即（3）当则得，弯道内倾时外翻判别式：如图 8 所示，在曲线下方为在各角下的安全区域。图 8 ： Vmax R 曲线图（ 0 ° 40 °）如图 9 所示，在曲线上方为在各角下的安全区域。图 9 ： Rmin V 曲线图（ 0 ° 40 °）（4）当 时，为车辆外翻（与倾斜方向不一致）临界状态，即 3.3 弯道外倾弯道外倾是指倾斜方向与弯道的方向不一致。车辆各部件受力情况如图 10 所示：图 10 ：车辆弯道外倾受力分析图Fi与地平面的夹角为，有（1）临界状态化简后：此为临界状态。（2）内翻状态得 （ 31 ）即  （ 32 ）如图 11 所示，在曲线下方为在各角下的安全区域。图 11 ： Vmax R 曲线图（ 0 °