（机械设计及理论专业论文）挖掘机驾驶室安全性能分析及结构改进研究.pdf

摘要 挖掘机翻车和落物保护装置( r o p s ) 是安装或直接焊接在挖掘机驾 驶室外的一刚架结构系统，其主要功能是当挖掘机发生翻滚和落物事故 时，使驾驶员避免受到冲击和挤压的伤害，保障驾驶员的生命安全。近 年来国内工程机械发展迅速，而出口一些国家的挖掘机必须配备合格的 r o p s 。在此背景下，本文针对s w e 3 8 型挖掘机驾驶室r o p s 的性能 进行了研究，并对其进行了优化。 在查阅了相关文献后，本文首先综述了r o p s 研究的概况，介绍 了国内外标准所要求的r o p s 的性能指标和检测试验的规则。然后论 述了r o p s 变形过程为材料非线性和几何非线性过程，依此提出用非 线性有限元方法对r o p s 的性能进行计算机仿真。在考虑到仿真的耗 时和精度等因素后，简化了实物结构、选取了合适的材料模型，首次 建立基于梁单元的r o p s 有限元模型，通过对梁单元模型的仿真，得 到了模型的位移一载荷及能量吸收曲线，分析了其形变的三个过程即： 弹性变形阶段一弹塑性变形阶段一塑性机构变形阶段。本文同时也建 立了基于壳单元的r o p s 有限元模型，通过对壳单元模型仿真，得到 其受载时的应力应变状态，分析了s w e 3 8 挖掘机驾驶室形变时塑性 铰的具体位置。接着，本文设计了试验方案、编写了试验软件，对驾 驶室依照国家标准进行了试验研究，试验中首次使用虚拟仪器技术实 时展现试验过程中r o p s 的各项性能指标，得到了更为直观、准确的 结果。将仿真结果与试验结果比对，分析了误差产生的原因。对比结 果表明，有限元模型的精度是可以接受的。通过以上工作，本文建立 了一套分析r o p s 性能的计算机仿真方法和试验方法。 最后，本文针对r o p s 在受载过程中能量吸收不好，以及在部分 试验中发生焊缝开裂的情况，提出在通过驾驶室上设置塑性铰孔，形 成可控的塑性区域来提高能量吸收性能，并保护焊缝。根据这个方案 我们又建立了梁一壳单元结合的有限元模型，并进行了优化，然后将 仿真结果进行了对比，结果表明塑性区域方案取得了较好的效果。 关键词：r o p s ，保护结构，非线性有限元，挖掘机 a bs t r a c t f a l l i n go b j e c tp r o t e c t i v es t r u c t u r e & r o l l o v e rp r o t e c t i v es t r u c t u r e ( f o p s & r o p s ) a r eas t e e ls t r u c t u r a ls y s t e mi n s t a l l e do ng r a bm a c h i n e i t sp r i m a r yf u n c t i o ni st oa v o i do p e r a t o r sb e i n gc r u s h e di nt h ee v e n to ft h e v e h i c l e se n c o u n t e r e df a l l i n g o b j e c to rr o l l o v e r c o n s t r u c t i o nm a c h i n e m a n u f a c t u r eh a sag r e a td e v e l o p m e n ti nd o m e s t i c ，s o m eo fc o n s t r u c t i o n m a c h i n e sw h i c ha r ee x p o r t e dt oi n t e r n a t i o n a lm a r k e tm u s tb ee q u i p p e d w i t ht h ef o p s & r o p s o nt h i s b a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rs t u d i e st h e p e r f o r m a n c e o ff o p s & r o p sw h i c hi sm a d eb yh u n a ns u n w a r d m a c h i n e r yc o l t d o nt h eb a s i so fr e f e r r i n g m a n yr e l e v a n tw o r k sa n dc r i t e r i o n s e x t e n s i v e l y , t h es t u d ys t a t u sa n di n t r o d u c et h ec u r r e n ts t a n d a r d so nt h e p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sa n dt e s tm e t h o d so ft h ef o p s & r o p sh a v e b e e ns u m m a r i z e di nt h ep a p e rf i r s t l y t h e nw ed i s c u s s e st h a tr o p s n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sam a t e r i a l n o n l i n e a ra n dg e o m e t r y n o n l i n e a r p r o c e s s ，b yt h i s ，n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o dh a sb e e nu s e do n c o m p u t e ra n a l y z i n gs i m u l a t i o no fr o p s c o n s i d e r i n gt h ep r e c i s i o na n d t i m ec o n s u m eo f c a l c u l a t e ，s o m es t r u c t u r e sh a v e b e e ni g n o r e d ， a p p r o p r i a t em a t e r i a lm o d e lh a sb e e nc h o s e n a tt h ef i r s tt i m ew ef o u n da n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h er o p sb va l l u s i n gb e a mf i n i t e e l e m e n t ，b ym u c ho fc a l c u l a t i o n ，g e tt h ed i s p l a c e m e n t - - l o a dc u r v ea n d e n e r 鼢“s o r b a b i l i t yc a p a b i l i t yo fm o d e l ，a n a l y s i ss h o w e dt h a tt h e r ea r e t h r e ep r o c e s sd u r i n gt h ed e f o r m a t i o n ，t h e ya r ee l a s t i c - d e f o r m a t i o n ，e l a s t i c a n dp l a s t i c d e f o r m a t i o n ，p l a s t i cs t r u c t u r e - d e f o r m a t i o n t h ep a p e ra l s o f o u n dam o d e lb yu s i n gs h e l lf i n i t ee l e m e n t ，s t r e s sa n ds t r a i n ，p l a s t i c j o i n tp o s i t i o no ft h em o d e lh a sb e e ng o tb ya n a l y z i n gs h e l lm o d e l t h e n ， a c c o r d i n gt ot h en a t i o n a ls t a n d a r d sa n de x p e r i m e n t a lp r o je c t ，e x p e r i m e n t r e s e a r c h e sh a v eb e e n d o n et ot h es 它38 e x c a v a t o rc a b a n dt h e e x p e r i m e n th a sg o tao b v i o u sa n dm o r ep r e c i s i o nr e s u l tb yf i r s t l yu s i n g t h ev i r t u a li n s t r u m e n tt os h o wt h ee v e r yp e r f o r m a n c ei n d e xo fr o p si n t h ee x p e r i m e n t s c o n t r a s t sb e t w e e ne m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a l r e s u l t sh a v eb e e nd o n et oa n a l y z et h er e a s o no fi n a c c u r a c y t h ec o n t r a s t r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ep r e c i s i o no ff i n i t ee l e m e n tm o d ei sa v a i l a b l e t h o u g ht h ea b o v ew o r k ，c o m p u t e r i z e d p e r f o r m a n c eo fr o p s i se s t a b l i s h e d e m u l a t i o nm e t h o df o ra n a l y z i n g f i n a l l y , c o u n to nt h eb a de n e r g y a b s o r b a b i l i t ya n dd e h i s c eo f s o l d e r i n gj o i n t s ，s e v e r a ls h a p eo fp l a s t i cj o i n th o l e sh a v eb e e ng i v e n ，b y t h i s ，ac o n t r o l l a b l ep l a s t i ca r e ah a sb e e ns h a p e dw h i c hc a ni m p r o v e e n e r g y a b s o r b a b i l i t yo fc a ba n dp r o t e c tw e l d i n gj o i n t s a c c o r d i n gt ot h i s p r o j e c t ，ab e a m - s h e l lc o m b i n e dm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e da n do p t i m i z e d c o m p a r e dw i t ht h ei n i t i a ls i m u l a t i o nr e s u l t ab e t t e re f f e c th a sr e a l i z e db y u s i n gt h ec o n t r o l l a b l ep l a s t i ca r e am e t h o d k e y w o r d s ：r o p s ；p r o t e c t i v es t r u c t u r e ；n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t ； e x c a v a t o r s 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：e l 期：兰立年皇月翌日期：型年皇月翌日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：避 导师签够期： 年幽班 碰士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 挖掘机是用来丌挖土壤及矿石的工程机械。据统计，工程施工中百分六十 的土方工程是由挖掘机来完成的。此外，挖掘机在更换工作装置后还可以进行 起重，安装，破碎，拆除等多种作业。 挖掘机施工的很多时候是在工矿恶劣的场地，尤其是在隧道、建筑工地、 矿山以及林场的挖掘机经常发生岩石、手动工具、砖块、混凝土块等落物坠落 砸中驾驶室的事故。由于重心较高、在施工作业时地面的不平整以及驾驶员的 失误，翻车事故更是经常发生f 圈1 1 、图1 2 ) 。挖掘机的落物和翻车事故一旦 发生，对驾驶员的致命伤害率极高。r o b e r t mc l a r k e 对美国有关部门的各种车 辆事故统计数据分析表明：翻车事故占总事故的5 67 ，事故发生时驾驶室的 极度变形和击穿是造成驾驶员伤亡的主要原因，k e n n e t hfo r l o w s k i 通过8 9 例翻车事故研究发现，顶盖损坏越严重对驾驶员伤害的可能性也越大，伤害程 度也越重口】。随着挖掘机在隧道、采矿、建筑、水利水电等工程施工中应用的 越来越广泛，随之出现的各种形式的落物、翻车事故也给人们的生命财产带来 了巨大损失，因此挖掘机车辆的安全性越来越受到人们的关注。 近2 0 年柬，我国绎济持续稳定发展，大型和特大型建设项目不断开工，对 挖掘机的需求连年大幅度增长，极大地促进了我国挖掘机制造行业的发展。同 时，国产各种类型的挖掘机，由于价格低，性能也较好，己丌始进入欧美市场。 图1 一l 挖掘机恶劣曲工作环境 l 硝际上对挖掘机等工程车辆安全性能根重视，宣装驾驶室落物和翻车保护结构 己成为许多围家对挖掘机的强制性安全要求。设计制造荷台标准要求、结构合 理的落物和翻车保护结构，足日前国内工程机械企业进入欧美自前急待解决 第一章绪论 的问题。研究落物和翻车保护结构的设计方法，制造满足国际标准要求的落物 和翻车保护结构，可为园内工程机械企业生产的挖掘机等工程车辆进入欧美市 场提供有力保障。 因此，研究及改进挖掘机驾驶室安全性能具有重要的二r ：程应用价值和经济 意义，是我国工程车辆行业面临的十分紧迫的课题。本课题的研究就是从理论 和试验两个方面的研究米提高驾驶室的安全保护性能，利用有限单元理沦与方 法来研究分析挖掘机驾驶室的安全性能，最大限度地保护落物和翻车事故发生 后驾驶员牛命的安全。 图卜2 挖掘机翻车事故 12 提高驾驶室安全性能的主要方式 如何在落物和翻车事故发乍时，有效保障驾驶员的牛命安全，蚓内外很多 的研究机构、火学以及工程机械制造厂家对此问题进行了人量的研究和试验， 当1 j 订最有效的方法是在挖掘机车辆e 加装落物翻车保护结构( f a l l i n go b j e c t p r o t e c t i v es t r u c t u r e & r o l l o v e rp r o t e c t i v es t r u c t u r e ，简称f o p s r o p s ) p - s i 。落 物翻车保护结构具有系列的结构件，它的作用是当挖掘机发生落物和翻4 三事 故时，避免砸伤和挤协驾驶室内的驾驶员。根据挖掘机的吨他、作q k 场地、 辆布胃方式的不同，落物和翻车保护结构型式也不同，分为体式落物和翻车 硕士学位论文第一章绪论 保护结构及独立式落物和翻车保护结构，一体式结构将驾驶室与f o p s & r o p s 焊接为一个整体，独立式结构则可进行拆卸，具有一体式落物翻车保护结构的 驾驶室也称为安全驾驶室。 1 3 落物翻车保护结构的国内外研究概况 1 3 1 国外研究概况 ( 1 ) 国际标准的制定过程 挖掘机属于工程车辆的一种，工程车辆驾驶室保护结构的出现可以追溯到 1 9 6 7 年，当时工程车辆已相当普遍地使用在各类大型施工中。由于工程车辆属 非路面车辆，工作环境恶劣，落物和翻车事故难以避免。为了保障驾驶员的生 命安全，降低财产损失，19 6 7 年1 1 月美国工程与工业机械技术协会( c o n s t r u c t i o n a n di n d u s t r i a lm a c h i n e r yt e c h n i c a lc o m m i t t e e 简称c i m t c ) 首先提出了在工作环 境恶劣、易出事故的铲土运输机械( e a r t hm o v i n gm a c h i n e r y ) 上安装适当的保护 结构。1 9 6 9 年7 月，该组织正式将发生落物事故时保护驾驶员安全的结构称为 落物保护结构( f a l l i n go b j e c tp r o t e c t i v es t r u c t u r e s ，简称为f o p s ) 。1 9 7 2 年 c i m t c 提出了评价f o p s 性能的实验室静态检测方法和挠曲极限量( 简称 d l v t 卅) 的定义，从而使f o p s 有了统一的试验规范。1 9 7 4 年，美国汽车工程协 会根据c i m t c 提出的翻车保护结构( r o l l o v e rp r o t e c t i v es t r u c t u r e s ，简称r o p s ) 检测规定制定了s a e j l 0 4 0 、s a e j l 0 4 3 。国际标准化组织引用上述两个标准制 定了i s o3 4 4 9 土方机械落物保护结构实验室试验和性能要求、i s o3 1 6 4 土 方机械一落物和翻车保护结构实验室鉴定一挠曲极限量的规定和i s o3 4 7 1 土 方机械翻车保护结构实验室试验和性能要求，1 9 8 4 1 9 9 4 年，国际标准化组 织又对此标准做了几次修改。2 0 0 5 年，国际土方机械年会上，根据当前工程车 辆的发展趋势和旧标准在实践中暴露的问题，对r o p s 实验室试验标准提出了 一些修改意见。同年，国际标准化组织“土方机械”技术委员会制定了最 新的工程车辆落物保护结构实验室标准i s 0 3 4 4 9 - - 2 0 0 5 ，取代了原来的i s 0 3 4 4 9 一1 9 9 2 ，该标准中说明了f o p s & r o p s 一体化的驾驶室保护结构的试验方法， 而且明确规定了f o p s 实验室试验方法。从1 9 8 5 年开始，美国s a ej 下式要求 作业环境危险的工程车辆必须配备f o p s & r o p s ；联邦德国、日本等国制定并 实施了有关f o p s & r o p s 的安全法规，加拿大、英国、法国等一些国家相继提 出这一要求，近年来，许多国家通过立法来强制要求进入市场的挖掘机安装达 到标准要求的保护结构。 硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 国外研究及试验的概况 f o p s & r o p s 的应用和试验研究几乎是与其标准的制定同步进行的。 世纪7 0 年代初期，美国开始在铲运机上安装f o p s & r o p s ，德国o & k 公 司建立了驾驶室翻车保护结构试验台，能够按照当时的国际标准进行 f o p s & r o p s 性能试验。c a t e r p i l l a r 公司根据s a e j l 0 4 0 和s a e j l 0 4 3 标准 进行过9 6 0 轮式装载机r o p s 性能试验研究。 日本k o m a t s u 公司根据i s 0 3 4 7 1 和i s 0 3 4 4 9 进行了d 6 0 推土机的r o p s 的性能试验研究，此外，日本公司还曾利用坡道开展过挖掘机翻车保护结构的 现场试验，获得了挖掘机翻车过程中的相关动态数据，但试验费用昂贵。 b u s a t t i a 等研究了r o p s 的试验台和测试系统，提高了测试精度和测试效 率。为了能够进行破坏性试验，该试验台在垂直和侧向对r o p s 施加的力均可 以达到2 0 0 0 k n t7 1 。 1 9 8 3 年日本的下田三四郎在d 6 0 推土机r o p s 性能试验的基础上，提出 了使用非线性有限元方法进行r o p s 的能量吸收分析，但由于r o p s 失效的特 殊性，当时的有限元仿真解决不了r o p s 失去进一步承载能力后能量吸收的计 算，因而未形成一种实用的研究方法【引。 1 9 8 5 年，c h a r l e sj h u n c k l e r 按照s a e j l 0 4 0 c 标准采用m s c n a s t r a n 大型非线性有限元软件分析了铲运机翻车保护结构的性能和变形特点【9 l 。美国 西弗吉尼亚大学g i l l i p i e 用i - d e a s 软件对拖拉机翻车保护结构进行了非线性 有限元优化设计，在结构满足标准规定的承载能力和侧向能量吸收要求的前提 下，以质量最小为目标对结构进行了优化，并通过实验室试验对优化结果进 行了验证【1 0 j 。 由于工程车辆向大型化方向发展，质量达到数百吨，对这类车辆的翻车 保护机构进行破坏性试验，费用高，对试验装备要求也高。针对这个问题， 澳大利亚昆士兰工业大学c l a r k 提出用比例模型代替实物样机进行试验。并以 1 7 0 t 矿用自卸车翻车保护结构的l 2 比例模型为例，利用a b a q u s 软件进行 了侧向、纵向和垂直方向加载的有限元分析和试验验证【l i 】。p a l t a m o r e 针对澳 大利亚矿场和采石场的旧车辆需要更换或者加装r o p s 的工程问题，按照现行 的r o p s 静态试验标准进行了保护杠式r o p s 性能的计算机仿真，以验证现行 的r o p s 标准是否在实际中能够真正的保护司机的生命安全1 1 2 l 。 英国s i l s o e 研究院的a d s t o c k t o n 等全面研究了各种车辆翻车保护结构 标准的制定和应用情况，给出了目前常见的5 1 种r o p s 标准，分析了各种 r o p s 标准之间的差异。由于r o p s 标准的混乱，给制造企业、管理部门和车 辆的使用方都带来很大的困惑和障碍。为此，该文献提出应该着力研究标准 4 硕上学位论文第一章绪论 之间的合并整理问题，如应该整合农业拖拉机与土方机械中的拖拉机使用的 不同r o p s 标准。该文献还指出有4 4 种类型的车辆没有被目前的r o p s 标准 所覆盖，所以应加快研究并制定新标准，以适应不断出现的新型车辆。此外， a ds t o c k t o n 还重点讨论了r o p s 设计计算的计算机仿真研究概况，得出有限 元法是当前r o p s 设计计算的主要方法，但所使用的有限元模型应该得到试验 的验证。再者，随着r o p s 结构变得更复杂，仅仅依靠计算机仿真验证r o p s 的性能是不够的，必须进行适当的样机试验进行验证【1 3 l 。 k i mt h 推导了的基于梁理论的拖拉机r o p s 计算方法，提出了塑性铰 简化计算方法，并与a b a q u s 软件的计算结果进行了对比1 1 4 l 。实际上，塑性 铰简化计算方法在汽车的抗撞性研究中和土木工程钢结构的研究较多，但该 方法适合在概念设计阶段使用，其中存在的应用困难是塑性铰特性很难直接 获得( 一般需要通过试验的方法) 。对于r o p s 来说，这种方法只能得到非常 近似的结果，而且r o p s 结构的多样性和特殊性，使其通常很难获得令人满意 的结果。 美国国家职业健康与安全研究院( n a t i o n a li n s t i t u t e f o ro c c u p a t i o n a l s a f e t y a n dh e a l t h 简称n i o s h ) 针对工程车辆落物和翻车安全性开展了大量研 究工作，针对小型拖拉机翻车问题，研制了可折叠和自动伸缩的r o p s 。此外， n i o s h 还在探索用玻璃纤维增强材料( f i b e r g l a s sr e i n f o r c e dp l a s t i c 简称f r p ) 作为翻车保护结构的材料，f r p 具有容易成型、价格低、不易腐蚀、有很高 的强度质量比等优点i b o6 1 。 b e n g ts p r i n g f e l d t 的研究表明，在拖拉机上安装r o p s 后，瑞典的拖拉机 翻车伤亡比例由原每年每1 0 万台发生伤亡数1 7 0 下降为0 3 ，挪威由2 4 降为 4 ，芬兰由1 6 降为9 ，西德由6 7 降为1 3 t 1 7 1 。l u n d s t r o mw 等对1 9 9 7 年1 月 到2 0 0 2 年1 月期间弗吉尼亚农场拖拉机造成的死亡事件调查得出，安装r o p s 是避免拖拉机翻车死亡事故的最好方法。s t e p h e nj r e y n o l d s 和w i l l i a mg r o v e s 研究了拖拉机r o p s 对司机的保护作用，提出了推广拖拉机r o p s 的措施【l 引， 以使更多驾驶员的生命安全在翻车过程得到保障。 随着材料科学、设计思路的不断进步和工程车辆安全技术的不断发展， 国际标准也在不断更新，在2 0 0 6 年的土方机械国际标准化年会上，修订了落 物和翻车保护结构标准以适应大型工程车辆安全性要求，利用复合材料制造 落物和翻车保护结构也被列入了工作计划。随着工程车辆技术的进步和工程 车辆制造企业的发展，不断研究新的落物和翻车保护设计方法以及试验技术 具有重要意义，这也是国际上相关骨干企业j 下在研究的课题。 硕士学位论文 第一章绪论 1 3 2 国内研究概况 ( 1 ) 国内标准的制定过程 我国近年来制造装备有较快的发展，尤其是工程机械发展的更快，各种标 准也逐渐与国际接轨，以便生产符合国际需求的产品。在国内，1 9 9 9 年国家质 量技术监督局发布了g b t1 7 9 2 2 1 9 9 9 土方机械翻车保护结构实验室试验 和性能要求、g b t1 7 7 7 1 1 9 9 9 ( ( - i - 方机械落物保护结构实验室试验和性能 要求和g b t1 7 7 7 2 1 9 9 9 土方机械保护结构实验室鉴定挠曲极限量的规 定1 1 9 - 2 1 】，这些标准等同或等效地采用了对应的国际标准。2 0 0 5 年国家质量 监督检验总局批准了挖掘机的翻车保护结构检测方法国家标准：g b t 1 9 9 3 0 2 0 0 5 ( ( 土方机械小型挖掘机翻车保护结构的实验室试验和性能要求、 g b t 1 9 9 3 2 2 0 0 5 土方机械液压挖掘机司机防护装置的实验室试验和性能要 求 2 2 - 2 3 l ，并于2 0 0 6 年4 月开始实施。 ( 2 ) 国内研究及试验的概况 我国的工程机械企业与科研机构也非常重视r o p s 的研究，从1 9 8 4 年开始， 国内的研究机构针对各种类型的r o p s 做了大量的试验及研究。机械工业部曾 将r o p s 的研究列入国家重大引进技术消化吸收项目进行攻关1 2 训，在此期间， 还对r o p s 用钢进行了国产化研究，成功研制了与i e 8 6 0 性能相同的国产钢1 2 引。 1 9 8 4 年，天津工程机械研究所与河北工学院曾联合进行初步的模型试验研 究，但是没有深入的研刭2 引。在r o p s 性能的动态试验研究工作方面，王锦雯 教授以上海一5 0 拖拉机驾驶室安全架作为研究对象，对其进行振动锤击试验， 得到了该安全架的应力分布概貌，并确定了其薄弱部位。 李仲兴等依据g b 7 1 2 1 8 6 拖拉机驾驶室安全强度验收标准，提出了模拟 拖拉机翻车工况计算的有限元加载模式，应用弹塑性理论和非线性有限元分析 方法对拖拉机驾驶室进行了安全强度预估；赵登峰等以某型振动压路机的 r o p s 结构为研究对象进行非线性有限元分析及试验研究，从而获得了r o p s 在侧向、纵向和垂直工况下的载荷一变形曲线【2 7 1 。 1 9 9 4 年，吉林工业大学的张家励教授和徐州装载机厂的杨力夫等研究人员 以国际标准i s o3 4 7 1 1 9 8 6 为依据，针对z l 4 0 a 装载机两柱r o p s 进行了弹性 变形阶段的设计计算【2 8 】。 1 9 9 5 年，吉林工业大学的贡凯军结合国家“八五”重大技术装备科技攻关 项目一重大引进技术吸收消化项目e x 一9 2 0 4 2 1 0 ，以c x z l 8 0 s 装载机两柱 r o p s 为对象，进行了r o p s 能量吸收性能的增量变刚度法计算的研究，得出 了两柱r o p s 在弹性变形阶段和弹塑性阶段的位移计算方法，然后依据i s o 3 4 7 1 1 9 8 6 进行了r o p s 性能的样机试验，试验时没有包括车架。结合试验结 6 硕士学位论文第章绪论 果分析了非线性安全能量计算方法中的塑性铰处理方法，并以侧向变形最大为 目标进行了简单的优化设计1 2 9 。刈。 2 0 0 3 年，吉林大学王国强教授与刘新岩对c l g 系列装载机翻车保护装置 进行了有限元分析及试验研究，并使用采用多刚体动力学分析软件a d a m s 进 行整车的滚翻仿真研究，由于多刚体动力学以刚体代表分析和受力的对象，所 以它不能直接用来计算分析r o p s 结构的受撞变形及能量吸收情况【3 。 2 0 0 6 年，王国强教授与博士王继新，对大型工程车辆r o p s 做了大量试验， 针对工程车辆翻车保护结构侧向能量吸收能力与侧向承载能力的匹配问题，提 出以能量吸收满足标准要求时的侧向力与标准规定的最小侧向承载力之差最小 为目标函数，以翻车保护结构的性能要求为约束条件建立优化模型。提出基于 k r i g i n g 模型建立翻车保护结构设计变量与目标函数之间的近似关系，采用遗传 算法对翻车保护结构进行全局优化设计。最后，以两柱翻车保护结构为例进行 了全局优化计算，取得了比较理想的结剁3 2 】。 2 0 0 7 年，王国强教授与冯素丽提出了基于神经网络和遗传算法的保护结构 优化方法，该方法通过选取部分样本点计算保护结构的响应，训练神经网络以 模拟设计变量和性能指标间的关系，应用遗传算法求解全局最优点【3 3 】。 随着国内外市场对工程机械安全性能要求的提高，我国工程车辆骨干企业 已经非常重视f o p s & r o p s 的研究和制造。如湖南山河智能机械股份有限公 司、柳工机械股份有限公司、徐工机械科技股份有限公司、厦门工程机械股份 有限公司、上海彭浦机器厂等和高校合作开展了有关落物和翻车保护结构项目 的研究，为特定机型的工程车辆开发了合格的落物和翻车保护结构。 1 4 本论文的研究方法和主要内容 1 4 1 研究方法 f o p s & r o p s 的设计和试验都与传统的弹性设计有本质区别，其特殊性使 得进行f o p s & r o p s 的破坏性试验和现代设计方法研究势在必行。过去普遍采 用的f o p s & r o p s 设计方法多为传统的经验设计，存在着很大的盲目性，往往 需要多次的设计一试验一修改设计一再试验这样的过程才能通过试验验收，造 成大量的人力和财力的浪费。 落物翻车保护结构工作时处于弹塑性变形阶段，甚至其整体会进入塑性机 构变形阶段，f o p s & r o p s 使用一次就必须报废。这就使落物翻车保护结构的 设计方法与传统的弹性范围内的结构设计方法有区别：第一，r o p s 的设计属 于塑性大变形设计，塑性大变形设计理论还不成熟，至今仍是结构力学和现代 硕士学位论文第一章绪论 设计方法领域重点研究的对象之一；第二，f o p s & r o p s 的设计同时包含刚度 设计和能量设计，二者之间还存在相互制约的问题。再者，挖掘机的整机质量、 整车稳定性、驾驶室结构、工作环境、翻车工况等使其f o p s & r o p s 的设计与 汽车的碰撞控制结构设计的理论、方法也有很大差别。 作为力学、数学和计算机科学交叉和综合的产物，2 0 世纪6 0 年代出现了一 门新的科学一计算力学，使以前无法用人工求解的工程问题通过计算机变得容 易求解。近年来随着线性问题在理论上和技术上趋于成熟，计算力学的重点转 移到非线性问题的求解上。有限元法是计算力学主要采用的一种数值计算方法， 随着计算机技术的发展而得到广泛的应用。这一方法的理论牢靠、物理概念清 晰、解题效率高、适应性强，不仅能用来求解线性问题，也可以求解非线性问 题。目前被认为是有效地求解各种实际问题的最好方法之一。应用该方法可以 实现挖掘机落物翻车保护装置用数值计算设计代替传统经验设计，用理论计算 代替部分不必要的试验，甚至可以用计算机来动态模拟翻车保护装置在装载机 翻车时的受力和变形，形象且直观。这种研究方法和传统的经验设计一试验研 究的方法相比，不仅提高了设计的精度和效率，而且大大节约了人力和财力。 现在很多通用的有限元分析软件已经商品化，应用这些软件，可以求解各种实 际问题。本文就用非线性有限元方法对r o p s 的性能进行计算机仿真，然后对 f o p s & r o p s 进行试验研究，将仿真结果与试验结果对比来鉴定仿真的可行性， 并在此基础上进一步优化驾驶室。 1 4 2 研究内容 本文主要从计算机仿真、实验室试验、优化设计方法三个方面开展挖掘机 落物和翻车保护结构的研究工作，主要研究内容如下： ( 1 ) 通过调研和查阅相关大量资料，介绍了国内外落物和翻车保护结构试 验研究和理论研究的概况，指出了挖掘机落物和翻车保护结构需要研究的内容。 ( 2 ) 分析了国家标准中对落物和翻车保护结构性能要求以及利用落物和翻 车实验室试验的具体内容。 ( 3 ) 分析了驾驶室的变形过程为材料非线性和几何非线性过程，给出了非 线性有限元法分析问题的过程并推导了基本的公式。简化了实物结构、选择了 材料模型，然后综合考虑仿真精度和效率，分别建立了基于梁单元、壳单元的 翻车保护结构仿真模型，用型钢骨架粱单元模型来仿真r o p s 受载时的位移和 能量吸收、用型钢表面壳单元模型仿真r o p s 受载时的应力应变。给出了其仿 真的流程，然后对s w e 3 8 型挖掘机驾驶室r o p s 结构进行了仿真加载试验， 得到其变形的曲线。 8 硕士学位论文第一章绪论 4 搭建了试验平台，设计了r o p s 试验的测量系统，介绍了测量系统的设 备及运作原理，编写了试验用软件。然后依照国家标准进行了数次s w e 3 8 型 液压挖掘机驾驶室r o p s 结构的破坏性试验，试验中首次使用软件来实时动态 地显示整个变形期间r o p s 的各项性能指标。深入分析了r o p s 前向加载、侧 向加载、和纵向加载的变形模式以及部分破坏形式。对比了仿真与试验得到的 结果，对二者的误差进行了分析，并提出了对模型的修正方法。 5 针对驾驶室在受载时变形的弱项和破坏形式，第五章中提出在通过驾驶 室上设置塑性铰孔，形成可控的塑性区域来提高能量吸收性能，并保护焊缝。列 出了几种可以提高吸能效果、控制焊缝开裂的塑性铰孔，对这几种孔作了仿真， 分析其形成塑性区域的效果。分析得到侧边多个圆形孔的效果最好，在此基础上 提出了优化驾驶室的方案，建立了型钢梁一壳单元结合的有限元模型，并进行了 优化，然后将优化前后的仿真结果进行了对比，结果表明塑性区域方案取得了较 好的效果。最后，给出了设计安全驾驶室的基本步骤。 9 硕士学位论文第二章落物和翻车保护结构的性能要求 第二章落物和翻车保护结构的性能要求 挖掘机驾驶室保护装置起到保护驾驶员的基本机理是：在发生落物事故 时，保护驾驶员不被下落物体击中；在发生翻车事故时，遇到较软的地面保护 结构能够扎入地面并支撑机器的自重、遇到硬地面时保护结构能发生塑性变形 吸收冲击能量，并能承受一定的载荷，同时能留给驾驶员一定的生存空间。 国家标准g b t1 7 7 7 1 土方机械落物保护结构试验室试验和性能要求、 g b t1 7 9 2 2 土方机械翻车保护结构试验室试验和性能要求、g b t1 7 7 7 2 土方机械保护结构试验室鉴定挠曲极限量的规定、g b t 1 9 9 3 2 2 0 0 5 土 方机械液压挖掘机司机防护装置的实验室试验和性能要求、g b t1 9 9 3 0 2 0 0 5 土方机械小型挖掘机翻车保护结构的试验室试验和性能要求对工程车辆 的实验室试验方法及其性能要求作了详细规定，以此来量化落物保护结构的抗 冲击特性和翻车保护结构在受载时的承载能力、位移一载荷特性。标准中指出， 落物和翻车保护结构在试验中，若满足标准规定的性能指标，则可在以下情况 中保证驾驶员的安全【l 啦2 3 】：车辆在作业时，能对砖块、小混凝土块、手工工 具、树木和岩石的坠落起到保护作用，车辆在硬质粘土面上，最大坡度3 0 0 ， 初始前进速度( 0 1 6 ) k m h ，车辆围绕纵轴翻滚3 6 0 。并且一直与地面接触时， r o p s 构件变形没有挤压到驾驶员。上述国家标准适用于由人员操纵的系列工 程车辆，其中就包括履带式、轮式挖掘机等。 2 1 保护结构的定义 2 1 1 落物保护结构f o p s 落物保护结构( f a l l i n g o b j e c tp r o t e c t i v es t r u c t u r e s ，简称为f o p s ) 1 1 9 1 是在工 程车辆上安装的一组结构件，能在有物体坠落( 例如树木、岩石、小混凝土块、 手工工具等) 时，对驾驶员提供适当保护，f o p s 分为两处： 顶防护结构( t o pg u a r d ) ：对驾驶员位置的顶部提供落物保护。 前防护结构( f r o n tg u a r d ) ：m 驾驶员位置的盼部提供冲击保护。 2 1 2 倾翻保护结构r o p s 倾翻保j ( r o l l o v e rp r o t e c t i v es t r u c t u r e s ，简称r o p s ) 1 2 0 1 是在工程车辆 l o 硕士学位论文第二章落物和翻车保护结构的性能要求 上安装的一组结构件，其功能是当发生倾翻时，避免驾驶员被挤伤。 2 1 3 挠曲极限量d l v 挠曲极限量( d e f l e c t i o n 1 i m i t i n gv o l u m e ，简称d l v ) 【6 】是在对f o p s & r o p s 进行实验室鉴定时，用以确定与驾驶员安全有关的容许挠曲的极限量。这个量 是一近似值，用于模仿一个人的外部轮廓，是根据驾驶员的坐姿尺寸确定的。 2 2f o p s & r o p s 结构性能要求 根据g b t1 7 7 7 1 土方机械落物保护结构实验室试验和性能要求、g b t 1 7 9 2 2 4 - 方机械翻车保护结构实验室试验和性能要求、g b t1 9 9 3 2 2 0 0 5 4 - 方机械液压挖掘机司机防护装置的试验室试验和性能要求、g b t 1 9 9 3 0 2 0 0 5 土方机械小型挖掘机倾翻保护结构的试验室试验和性能要求 中的定义，对本文研究的f o p s 及r o p s 的保护性能有以下要求： 1 f o p s 的性能要求：落物防护装置的保护特性是通过驾驶室或保护结构的 耐冲击能力及受载性能来评定。保护结构的任何部位在下列能量基准下的初次 或以后的撞击、加载下不得穿入d l v 。 顶防护装置 前防护装置 a ) 验收基准i ： b ) 验收基准i i ： a ) 验收基准i ： b ) 验收基准i i ： 最小冲击能量 最小冲击能量 最小吸收能量 最小吸收能量 1 3 6 5j 1 16 0 0j 7 0 0j 5 8 0 0j 如果项保护结构被落锤击穿，该保护结构就被认为是试验不合格( 其中验 收基准i i 不适合用于质量小于或者等于6 0 0 0k g 的小型挖掘机) 。 2 r o p s 的性能要求：倾翻保护结构的保护特性是通过驾驶室或保护结构的 受载性能来评定。加载分为侧向加载与纵向加载，对侧向及纵向加载的性能要 求可按照表2 1 来计算： 表2 - 1 力和能量公式 机器质量m侧向作用力侧向载荷能量纵向作用力纵向载荷能量 k g n j n v 7 0 0 ( m l0 0 0 06 m4 8 m l0 0 0 0 m 1 2 8 6 0 0 l 伽 2 3 7 m 8 m2 1 m 硕士学位论文第二章落物和翻车保护结构的性能要求 标准中规定，在侧向、纵向载荷作用下，驾驶室同时具备最小承载力、最 小能量吸收以及挠度限制的要求，这样就可保证驾驶室发生倾翻事故时，没有 显著的变形，