轮式装载机侧、倾翻动态预测模型及预警系统研究

Dynamic rollover & tipping prediction techniques have significant effects on Wheel loader operational active safety. Against the problems of existing vehicle rollover dynamic models are unsuitable to wheel loader with variable structure, variable mass and random shift of center of gravity, the rollover dynamic prediction model and warning system for wheel loader are proposed with integrated of theoretical analysis, numerical simulation, scale model, hardware-in- loop simulation and prototype testing. The contents include: (1) Variation disciplines of key parameters during the wheel loader rollover & tipping, which can be achieved by analyzing the rollover and tiping dynamics model and virtual prototypes, are used for exploring the rollover risk criteria. (2) Establish the wheel loader rollover & tipping reference model, as well as dynamic rollover & tipping prediction model. (3) Develop the rollover & tipping early warning system using prediction model, and conduct test on scale model prototype and XG953-III wheel loader. The project will provide theoretical and applied basis for wheel loaders rollover & tipping active safety control, and also provide new concept and method for rollover & tipping research of the vechile with variable structure, variable mass and random shift of center of gravity.

轮式装载机侧、倾翻动态预测理论和技术对于实现作业主动安全具有重要意义。针对现有车辆的侧翻动态预测模型不能直接应用于具有变结构、变质量且质心位置变动随机等特点的轮式装载机的问题。综合应用理论分析、数值模拟、比例模型、硬件在环仿真和实车试验等方法，开展轮式装载机侧、倾翻动态预测模型及预警系统研究。具体包括：建立轮式装载机侧、倾翻动力学模型和虚拟样机，用于分析侧、倾翻发生过程中关键参数变化规律，以探索综合表征侧、倾翻状态的危险指标；建立轮式装载机侧、倾翻参考模型，并进一步研究轮式装载机侧、倾翻动态预测模型；并基于该模型研制侧、倾翻动态预警系统，分别在比例模型样机和XG953-III轮式装载机上进行试验和分析。本研究可为实现轮式装载机的侧、倾翻主动安全提供理论和应用基础；同时为具有变结构、变质量、质心位置变动随机等特点的车辆侧、倾翻研究提供新的思路和方法。

铰接轮式装载机工作于非结构路面，具有变结构、变载荷、质心位置变动随机等特点，因而容易出现侧翻失稳事故，提前对车辆侧翻进行预测是实现主动安全控制的前提和关键。本课题综合运用理论分析、数值模拟、比例模型、硬件在环仿真和实车试验等方法，开展轮式装载机侧、倾翻动态预测模型及预警系统的研究工作。主要完成的工作包括：（1）构建了轮式装载机6自由度动力学模型，并利用该模型对失稳过程中关键参数演变规律和失稳机理进行了研究；（2）运用ADAMS软件构建了虚拟样机模型，进行多刚体动力学仿真，进一步研究了轮式装载机的侧倾翻规律；（3）依据数值仿真和多体动力学仿真结果，提出了一种可用于轮式装载机的失稳预测指标“稳态余量角”。（4）提出了一种以四个姿态航向参考系统来测量铰接轮式装载机的“稳态余量角”的方法，该方法具有实时性好、安装简便、测量参数少等优点。（5）搭建了一套1:5尺寸的比例模型样机，该样机具备铰接转向、变结构、变质心和摆动桥等关键特征，可实现遥控操纵进行各种作业工况和行驶状态的实验。（6）构建了预警系统基础模型框架，并通过实车试验进行了验证分析，实验结果表明提出的方法的可行性。（7）此外，还开展了非结构地形路面谱及对铰接轮式装载机失稳的影响机理方面的前期研究。构建了一个基于激光雷达和姿态传感器数据融合的环境信息采集系统，用来提取路面环境的特征。通过项目研究，主要解决了如下关键科学问题：（1）提出了一种可用于变结构、变质量且质心位置变动随机等特点的轮式装载机的失稳预测指标“稳态余量角”；（2）建立了“稳态余量角”的数学模型,并提出了一种以四个姿态航向参考系统来测量铰接轮式装载机的“稳态余量角”的方法；（3）构建了比例模型样机、仿真模型、动力学模型等研究平台，并开始研究非结构地形特征对轮式装载机的失稳诱导机制，为实现轮式装载机的侧、倾翻主动安全提供理论和应用基础。