一种研究液罐车行驶稳定性的实验装置

1.本发明涉及仿真模拟实验技术领域，特别是涉及一种研究液罐车行驶稳定性的实验装置。


背景技术：

2.液罐车具有质心位置高和装载质量大特点，而且液罐车在行驶过程，罐内液体存在晃动现象，导致行驶稳定性相对于普通固体货运车辆更差、侧翻交通事故发生率更高、引起事故后果更严重。液罐车装载的往往是易燃、易爆、易腐、有毒危险货物，一旦发生侧倾事故导致罐内液体泄露，极易造成严重的事故后果。液罐车在交通运输环节存在较大的安全风险隐患，已经成为我国危险化学品风险集中治理的六大问题之一。因此开展液罐车行驶稳定性研究十分必要，成为当前交通安全领域的研究热点。
3.影响液罐车行驶稳定性的因素较为复杂，车辆行驶过程中受到罐液体晃动时产生的附加力矩，而液体晃动又与车辆的行驶状态、罐体结构、液体物理属性等因素有关，因此相对普通固体运输车辆研究难度大大提高。国内外学者目前研究液罐车行驶稳定性主要有三个方向，一是通过构建模型方法研究液体晃动力学特性，如采用了准静态力学模型,分析了晃动时液体质心的变化规律；运用机械等效模型，分析罐内液体晃动与车辆运动之间耦合作用；二是随着cfd仿真技术是伴随着虚拟仿真实验技术发展，仿真技术等方法开展罐内液体晃动力学特性的研究；三是通过开展“液—罐”二者之间的耦合机理研究，从优化罐体内部结构和罐体的横截面提出减少液体晃动车辆产生的附加力矩，从而提高车辆行驶稳定性。
4.采用液体晃动机械等效力学模型和cfd仿真技术得出的研究结论，并不能完全反映液体晃动过程中的真实变化及对车辆产生的附加力矩，存在一定的局限性。而液罐车实车实验的成本高且风险大，因此目前多数是通过将罐体放在实验平台上开展实物实验。将充装液体罐子置于实验平台上，与搭载在车辆上运动状态有较大差别，很难实现实际车辆的变道、掉头、转弯、弯道行驶状态。
5.基于此，急需一种新型的方案来解决上述问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种研究液罐车行驶稳定性的实验装置，以解决上述现有技术存在的问题，克服计算机虚拟仿真实验不能真实反映液体晃动和液罐车行驶特性局限，减少采用实车实验成本高、操作难、风险大等弊端。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.本发明提供一种研究液罐车行驶稳定性的实验装置，包括牵引车、仿真挂车、仿真罐体、状态监测装置以及控制器，所述仿真罐体可拆设置于所述仿真挂车上，所述仿真挂车挂于所述牵引车上，所述状态监测装置监测所述仿真罐体内壁的实时水压、液面倾角、所述仿真罐体倾角以及整车行驶状态并传输至控制器中进行储存和/或显示，所述整车总长度
在100cm-150cm之间。
9.优选的，所述仿真挂车和所述仿真罐体为实车的挂车和罐体等比例缩放。
10.优选的，所述仿真挂车和所述仿真罐体上仅保留了实车中与研究“液—罐—车”三者耦合关系的相关的构件。
11.优选的，所述牵引车采用遥控四轮机车或三轮电动车。
12.优选的，所述牵引车和所述仿真挂车之间采用万向节连接。
13.优选的，具备圆形、椭圆形、方形和多段弧形四种不同截面形状的仿真罐体。
14.优选的，所述仿真罐体宽度方向两侧的壁面为透明材料制成，所述仿真罐体上标有刻度，所述仿真罐体上方设有仿真“人孔”，所述仿真罐体内可拆卸设有仿真防波板。
15.优选的，所述状态监测装置包括水压传感器、水位探测传感器、液面倾角传感器和陀螺仪，在所述仿真罐体的前、后、左、右、下内壁表面均安装有所述水压传感器，所述仿真罐体内安装所述水位探测传感器和所述液面倾角传感器，所述液面倾角传感器安装在一块泡沫板上，所述泡沫板浮于罐体内的水面上；在所述仿真挂车底部位安装所述陀螺仪；所述仿真挂车或所述仿真罐体上安装有拍摄方位和角度能够自由调整的摄像头，所述摄像头用于拍摄记录实验过程中所述仿真罐体内的液体晃动情况。
16.优选的，所述仿真罐体内的液体中投放有彩色泡沫颗粒，所述仿真罐体内的顶部设置有照射液面的灯具。
17.优选的，所述控制器包括上位机和下位机，所述下位机安装于所述牵引车、所述仿真挂车或所述仿真罐体上，所述下位机用来收集所述状态监测装置的信号并转化成数字信号后通过无线传输至所述上位机，所述上位机通过usb接口与计算机连接，通过计算机上可以实时观看传感器数据动态数据。
18.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
19.本发明提供的研究液罐车行驶稳定性的实验装置可以开展液罐车行驶稳定性与液、罐、车三者之间关系的实验研究，还可开展“液—罐—车”耦合作用对车辆行驶稳定性方面的实验研究。实验结果更加接近实际情况，较好的克服了计算机虚拟仿真实验不能真实反映液体晃动及液罐车行驶特性局限，还可以减少采用实车实验成本高、操作难、风险大等弊端。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明提供的研究液罐车行驶稳定性的实验装置的结构示意图；
22.图2为图1的局部放大图；
23.图3为四种罐体的截面示意图；
24.图中：1-牵引车；2-仿真罐体；3-仿真挂车；4-仿真人孔；5-支架；6-车轮；7-万向节。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.本发明的目的是提供一种研究液罐车行驶稳定性的实验装置，以解决上述现有技术存在的问题，克服计算机虚拟仿真实验不能真实反映液体晃动和液罐车行驶特性局限，减少采用实车实验成本高、操作难、风险大等弊端。
27.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
28.本发明提供一种研究液罐车行驶稳定性的实验装置，如图1所示，包括牵引车1、仿真挂车3、仿真罐体2、状态监测装置以及控制器，仿真罐体2可拆设置于仿真挂车3上，仿真挂车3挂于牵引车1上，状态监测装置监测仿真罐体2内壁的实时水压、液面倾角、仿真罐体2倾角以及整车行驶状态并传输至控制器中进行储存和/或显示，整车总长度在100cm-150cm之间。
29.整车即牵引车1、仿真挂车3和仿真罐体2形成的总体。
30.牵引车1带动仿真挂车3、仿真罐体2在真实的道路上进行实验。
31.本发明提供的研究液罐车行驶稳定性的实验装置模拟实车，仿真挂车3和仿真罐体2为实车的挂车和罐体等比例缩放，即仿真挂车3尺寸：实车的挂车＝仿真罐体2尺寸：实车的罐体，仿真罐体2固定于仿真挂车3上的方式也进行仿真模拟。
32.本发明提供的研究液罐车行驶稳定性的实验装置可以开展液罐车行驶稳定性与液、罐、车三者之间关系的实验研究，还可开展“液—罐—车”耦合作用对车辆行驶稳定性方面的实验研究。实验结果更加接近实际情况，较好的克服了计算机虚拟仿真实验不能真实反映液体晃动及液罐车行驶特性局限，还可以减少采用实车实验成本高、操作难、风险大等弊端。
33.于一些实施例中，为了降低制造成本，仿真挂车3和仿真罐体2上仅保留了实车中与研究“液—罐—车”三者耦合关系的相关的构件，具体的，相关构件有用于固定以及对仿真罐体2进行限位的支架5和车轮6，支架5和车轮6也是由实车上的真实构件等比例缩放而成。本实施例提供的方案摒弃其他与实验研究无关的构件，极大方便开展液罐车实验研究工作。
34.于一些实施例中，牵引车1采用遥控四轮机车或三轮电动车，遥控四轮机车可以实现远程操控，三轮电动车便于就地取材，遥控四轮机车或三轮电动车能够带动仿真挂车3和仿真罐体2进行加速、减速、匀速、转弯、掉头行驶。
35.于一些实施例中，如图2所示，牵引车1和仿真挂车3之间采用万向节7连接。万向节7连接方式可以实现实验中挂车部分侧翻而牵引车1部分正立。
36.于一些实施例中，因开展罐体形状对液罐车行驶稳定性影响的实验研究需要，本实施例提供的方案具备圆形、椭圆形、方形和多段弧形四种不同截面形状的仿真罐体2，仿真罐体2可更换，以便于模拟不同形状的罐体对稳定性的影响，如图3所示，从左至右依次为多段弧形、方形、椭圆形和圆形。
37.于一些实施例中，仿真罐体2宽度方向两侧的壁面为透明材料制成，具体为透明的pc耐力材料，可方便观察仿真罐体2内液体晃动状况，仿真罐体2上标有刻度，可以知道液体充装程度。仿真罐体2上方设有仿真人孔4，通过仿真人孔4，人手可以直接伸入罐内，仿真罐体2内可拆卸设有仿真防波板，仿真防波板具备多种类型，方便开展防波板对液罐车行驶稳定性作用的实验研究，仿真罐体2侧壁可以打开，打开以后可以往里面增加防波板，防波板将罐内空间分为多个仓。
38.于一些实施例中，状态监测装置包括水压传感器、水位探测传感器、液面倾角传感器和陀螺仪，在仿真罐体2的前、后、左、右、下内壁表面均安装有水压传感器，前、后、左、右内壁上的水压传感器安装位置可以根据液体充装率进行调整。通过对这5个面的压力测量，可以获得液体在仿真罐体2内晃动时对侧罐壁的压力、晃动频率等动力学参数。
39.仿真罐体2内安装水位探测传感器和液面倾角传感器，液面倾角传感器安装在一块泡沫板上，泡沫板浮于仿真罐体2内的水面上，液面倾角传感器监测液体自由表面的晃动参数；水位探测传感器可测得液体充装率，研究充装率对液体晃动和行驶安全性的影响；
40.在仿真挂车3底部位安装陀螺仪以获得仿真车辆行驶过程中各个方向的加速度值、测量行驶时仿真罐体2的倾角、行驶道路的纵向坡度和超高等道路曲线参数值，仿真挂车3或仿真罐体2上安装有拍摄方位和角度能够自由调整的摄像头，摄像头用于拍摄记录实验过程中仿真罐体2内的液体晃动情况并传输至控制器中。
41.其中，为了清楚看到液体自由表面晃动情况，仿真罐体2内的液体中投放有彩色泡沫颗粒，仿真罐体2内的顶部设置有照射液面的灯具。
42.于一些实施例中，控制器包括上位机和下位机，下位机安装于牵引车1、仿真挂车3或仿真罐体2上，下位机用来收集状态监测装置的信号并转化成数字信号后通过无线传输至上位机，具体采用2.4g无线串口通讯技术、按9600波特率发送到上位机，
43.上位机通过usb接口与计算机连接，通过计算机上可以实时观看传感器数据动态数据，这些数据以1hz频率自动保存到位于计算机上数据库文件内，便于开展“液—罐—车”三者之间耦合关系研究。本装置可以实时远程获取实验数据，实验中更好的保护工作人员的自身安全。
44.运用本发明提供的研究液罐车行驶稳定性的实验装置可以开展液体、罐体、挂车三者与液罐车行驶稳定的关系实验研究，还可开展“液—罐—车”耦合作用对车辆行驶稳定性方面的实验研究，具体可以分为以下六大方面的实验内容。
45.(1)研究液体晃动力学特性实验：研究液体晃动时频率、幅度、形成压力和压力矩、自由液面等力学特性的影响因素。
46.(2)研究罐体与液罐车行驶稳定性关系实验：研究罐体外观形状、罐内防波板设计、罐内液体充装等与车辆行驶稳定性等。
47.(3)研究液罐车倾侧稳定性实验：研究车辆侧倾临界速度、侧倾稳定角、侧倾时向加速度与重力加速度比值等实验。
48.(4)研究道路通行条件与液罐车行驶稳定性关系实验：研究道路的纵向坡度、超高、路面的摩擦系数、道路上交通安全设施等液罐车行驶稳定性关系。
49.(5)研究驾驶行为与液罐车行驶稳定性关系实验：研究驾驶人在起步、制动、变道、掉头转向、弯道行驶等行为时，确保车辆行驶稳定性。
50.(6)验证理论模型可行性实验：验证液体晃动的准静态模型、液体质心位置计算模型、机械等效力学模型、液罐车侧倾稳定性计算模型等的可行性。
51.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种研究液罐车行驶稳定性的实验装置，其特征在于：包括牵引车、仿真挂车、仿真罐体、状态监测装置以及控制器，所述仿真罐体可拆设置于所述仿真挂车上，所述仿真挂车挂于所述牵引车上，所述状态监测装置监测所述仿真罐体内壁的实时水压、液面倾角、所述仿真罐体倾角以及整车行驶状态并传输至控制器中进行储存和/或显示，所述整车总长度在100cm-150cm之间。2.根据权利要求1所述的研究液罐车行驶稳定性的实验装置，其特征在于：所述仿真挂车和所述仿真罐体为实车的挂车和罐体等比例缩放。3.根据权利要求2所述的研究液罐车行驶稳定性的实验装置，其特征在于：所述仿真挂车和所述仿真罐体上仅保留了实车中与研究“液—罐—车”三者耦合关系的相关的构件。4.根据权利要求1所述的研究液罐车行驶稳定性的实验装置，其特征在于：所述牵引车采用遥控四轮机车或三轮电动车。5.根据权利要求1所述的研究液罐车行驶稳定性的实验装置，其特征在于：所述牵引车和所述仿真挂车之间采用万向节连接。6.根据权利要求1所述的研究液罐车行驶稳定性的实验装置，其特征在于：具备圆形、椭圆形、方形和多段弧形四种不同截面形状的仿真罐体。7.根据权利要求1所述的研究液罐车行驶稳定性的实验装置，其特征在于：所述仿真罐体宽度方向两侧的壁面为透明材料制成，所述仿真罐体上标有刻度，所述仿真罐体上方设有仿真“人孔”，所述仿真罐体内可拆卸设有仿真防波板。8.根据权利要求1所述的研究液罐车行驶稳定性的实验装置，其特征在于：所述状态监测装置包括水压传感器、水位探测传感器、液面倾角传感器和陀螺仪，在所述仿真罐体的前、后、左、右、下内壁表面均安装有所述水压传感器，所述仿真罐体内安装所述水位探测传感器和所述液面倾角传感器，所述液面倾角传感器安装在一块泡沫板上，所述泡沫板浮于所述仿真罐体内的水面上；在所述仿真挂车底部位安装所述陀螺仪；所述仿真挂车或所述仿真罐体上安装有拍摄方位和角度能够自由调整的摄像头，所述摄像头用于拍摄记录实验过程中所述仿真罐体内的液体晃动情况。9.根据权利要求7所述的研究液罐车行驶稳定性的实验装置，其特征在于：所述仿真罐体内的液体中投放有彩色泡沫颗粒，所述仿真罐体内的顶部设置有照射液面的灯具。10.根据权利要求1所述的研究液罐车行驶稳定性的实验装置，其特征在于：所述控制器包括上位机和下位机，所述下位机安装于所述牵引车、所述仿真挂车或所述仿真罐体上，所述下位机用来收集所述状态监测装置的信号并转化成数字信号后通过无线传输至所述上位机，所述上位机通过usb接口与计算机连接，通过计算机上可以实时观看监测动态数据。

技术总结
本发明提供一种研究液罐车行驶稳定性的实验装置，涉及仿真模拟实验技术领域，包括牵引车、仿真挂车、仿真罐体、状态监测装置以及控制器，仿真罐体可拆设置于仿真挂车上，仿真挂车挂于牵引车上，状态监测装置监测仿真罐体内壁的实时水压、液面倾角、仿真罐体倾角以及整车行驶状态并传输至控制器中进行储存和/或显示，整车总长度在100cm-150cm之间。本发明提供的方案能够克服计算机虚拟仿真实验不能真实反映液体晃动和液罐车行驶特性局限，减少采用实车实验成本高、操作难、风险大等弊端。风险大等弊端。风险大等弊端。


技术研发人员：裘煜杰 许纪翔 鲍楚杰 何烈云
受保护的技术使用者：浙江警察学院
技术研发日：2023.07.13
技术公布日：2023/10/6