劉 健，肖柳勝，吳漢川，龐 罕，肖文生

（1.中國石油大學 機電工程學院，山東 青島266580；2.江漢石油管理局 第四機械廠，湖北 荊州434000）①

隨著國內(nèi)外工業(yè)的飛速發(fā)展，促進了各領域的特種車輛（以下簡稱特車）不斷改進。以石油行業(yè)為例，為提高效率，很多石油裝備向重載化、集成化、快移快裝方向發(fā)展，就需要車載，加之油田道路復雜，對底盤的要求越來越高。例如油田壓裂車、沙漠鉆機、車載修井機、水泥固井車、混沙車等。特車設計工作比較繁瑣、耗資大、設計周期長，且各類特車的底盤性能的設計匹配存在性能不足或者性能過盈的現(xiàn)象。為了保證特種車輛的行駛性能、工作性能和底盤強度，節(jié)省設計制造成本，必須通過理論分析和試驗驗證。本文提出一套整車底盤性能匹配的評價指標，并開發(fā)了相應的軟件系統(tǒng)，縮短了多軸特車的研發(fā)和性能匹配的設計周期，為其性能改進提供快捷準確的計算平臺。

1 影響因素分析

多軸特種車輛一般采用二類底盤，車載設備的參數(shù)、底盤車架的結(jié)構(gòu)參數(shù)及剛度、強度、車輪及懸架的結(jié)構(gòu)、軸距、整車質(zhì)量及尺寸、發(fā)動機等性能參數(shù)都將會對整車底盤性能產(chǎn)生影響，研究其內(nèi)在聯(lián)系對底盤性能匹配和評價有著重要的作用。

1.1 發(fā)動機

發(fā)動機的性能決定整車的原動力，合理匹配可以滿足動力性、經(jīng)濟性、通過性的要求，避免功率不足或能源浪費。發(fā)動機功率大小，影響最大驅(qū)動力及輸出扭矩、百公里油耗、最高車速和最大爬坡度［1］。

最大輸出轉(zhuǎn)矩為

式中：n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速；P為發(fā)動機在轉(zhuǎn)速n下的功率（通過發(fā)動機外特性曲線可以獲得）。

最大驅(qū)動力為

式中：i0為發(fā)動機至驅(qū)動橋主減速比；ig為變速箱各擋速比；η為發(fā)動機至車輪的傳動效率；R為車輪半徑。

1.2 軸距

軸距及各重載部件安裝位置影響到軸載荷分配、承載性能、制動爬坡、越障能力、振動舒適性、最小轉(zhuǎn)彎半徑、橫向和縱向半徑、側(cè)傾穩(wěn)定角和越過臺階及壕溝的能力。多軸特車的軸載荷是進行總體布局、整車動力學分析的必要參數(shù)。軸載荷分配有4種方法：①靜力平衡方法（將整車簡化為簡支梁），只適用于三軸以下；②位移法，假設車架為一縱向剛性橫梁，如圖1a；③力法，假設車架為一縱向連續(xù)梁，計算模型如圖1b；④等剛度法，由于各橋軸距相差不大，在設計時各橋可按等剛度進行設計［2－3］。

1.3 車輪性能及尺寸

輪胎性能及尺寸影響整車通過性、制動性、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性和安全性。寬輪胎的角加速度波動小，很快進入穩(wěn)定狀態(tài)，減少輪胎磨損，提高使用壽命，操縱穩(wěn)定性好，經(jīng)濟性下降，縱向滑移率和側(cè)傾角減少，車輛抓地力、制動性好。胎壓降低的效果和寬輪胎類似。百公里油耗為

式中：Qs為百公里燃油消耗量；Ps為汽車阻力功率；be為最低燃油消耗率；R 為車輪半徑；va為車速。

圖1 多軸特車軸載荷計算模型

1.4 車裝設備布置

車裝設備的質(zhì)量、尺寸和布置位置影響軸載荷分配、整車質(zhì)量、穩(wěn)定性、平順性、經(jīng)濟性、安全壽命和車架的力學性能，合理匹配可降低車架的應力及變形。對產(chǎn)生動載荷的設備（例如壓裂車大泵）更應合理布局，如圖2。

圖2 車裝設備及振動激勵模型

以2 206kW壓裂車為例，由于路面溝坎及工況惡劣，懸架受力不均，底盤大梁扭轉(zhuǎn)變形，底盤、副大梁及副大梁連接螺栓在交變載荷作用下發(fā)生疲勞斷裂以及螺栓松動等失效現(xiàn)象；作業(yè)時臺上設備振動劇烈，產(chǎn)生附加動載荷，降低車架的使用壽命。在產(chǎn)品設計初期，進行有限元靜動態(tài)仿真，避免疲勞損傷和模態(tài)共振［4］，車架模態(tài)分析結(jié)果如圖3。

1.5 整車質(zhì)量和質(zhì)心

整車質(zhì)量決定整車的動力性、通過性及燃油經(jīng)濟性；質(zhì)心位置決定著整車的穩(wěn)定安全性、側(cè)傾轉(zhuǎn)彎性、振動舒適性、百公里油耗、最大駐坡度和轉(zhuǎn)彎性能。整車質(zhì)心靠前增加不足轉(zhuǎn)向特性；質(zhì)心靠后，出現(xiàn)過多轉(zhuǎn)向特性［5－6］，如圖4 。

圖3 車架前6階模態(tài)振型

圖4 某一重心位置的轉(zhuǎn)彎性能

1.6 主副車架裝配尺寸及結(jié)構(gòu)

車架材料、尺寸、結(jié)構(gòu)影響車架的力學性能?？v梁尺寸，橫梁數(shù)量、焊接位置、材料密度、彈性模量和泊松比，合理的匹配可降低應力及變形，提高使用壽命，如圖5。

圖5 不同車架材料與結(jié)構(gòu)的受力變形

2 軟件評價系統(tǒng)研發(fā)

依據(jù)以上建立的性能匹配與評價指標，結(jié)合相關計算方程，設計出多軸特車底盤性能匹配軟件，可以縮短多軸特車的設計研發(fā)和性能匹配的設計周期，為其性能改進提供快、精、準的平臺。

首先確定軸數(shù)和驅(qū)動軸數(shù)，然后進入分析主界面，根據(jù)分析項目流程，進行以下項目：動力性、經(jīng)濟性、制動性、穩(wěn)定性、通過性、平順性、重心及軸載荷分配、強度及模態(tài)分析、車裝設備連接。壓裂車實例分析界面如圖6。

圖6 壓裂車性能分析主界面

任選一模塊進入其子分析模塊，例如動力性及燃油經(jīng)濟性模塊，出現(xiàn)發(fā)動機匹配功率及百公里油耗評價窗口，輸入計算所需數(shù)據(jù)，計算得到分析結(jié)果。此時點擊右上角保存數(shù)據(jù)按鈕，方便下次繼續(xù)使用。最后點擊菜單欄里的返回上一界面，繼續(xù)下一步操作，如圖7。

圖7 分析子模塊及子菜單

其他分析模塊用同樣的方法分析。整個軟件簡便實用，節(jié)省時間和成本，理論計算與現(xiàn)實試驗數(shù)據(jù)結(jié)果比較符合。

3 應用實例及試驗驗證

以某重載多軸特種車為例，采用多軸特車底盤性能匹配軟件，輸入相關數(shù)據(jù)，得到的輸出數(shù)據(jù)和現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)對比，如表1。結(jié)果表明，多軸特車底盤性能匹配軟件分析結(jié)果和現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)誤差在10%以內(nèi) 。

表1 軟件評價與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)語

本文通過分析底盤性能的影響因素及評價指標，結(jié)合相關計算方法研發(fā)了一套多軸特車底盤性能匹配軟件。現(xiàn)場試驗驗證了該軟件的可靠性。該軟件縮短了多軸特車的設計周期，為特車設計及性能改進提供了平臺和依據(jù)。

［1］余志生.汽車理論［M］.機械工業(yè)出版社，2011：16－175.

［2］王興東.多軸汽車軸荷分配和轉(zhuǎn)移的計算方法研究［J］.湖北工業(yè)大學學報，2006，21（3）：165－167.

［3］尹俊峰.某特種作業(yè)車底盤通用化設計的研究［D］.長沙：中南大學，2010.

［4］朱煥剛，張 寶，張慢來.基于ANSYS軟件的鉆桿柱縱向振動分析［J］.石油礦場機械，2008，379（10）：56－58.

［5］劉紅領.縱向質(zhì)量分布對汽車操穩(wěn)性能的影響［J］.機械設計與制造，2008（2）：127－129.

［6］王鳳華.大型客車底盤的結(jié)構(gòu)特點及性能指標［J］.重型汽車，1994（4）：17－20.