ROPS試驗(yàn)臺垂直加載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及研究

李 宇

（1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410012）

工程運(yùn)輸車輛運(yùn)行工況復(fù)雜，特別是滿載荷運(yùn)行時，重心不穩(wěn)定使得整車的穩(wěn)定性降低，容易發(fā)生傾翻事故[1]。同時，駕駛室還容易受到滑落的巖石、掉落的樹枝、巷道的冒頂?shù)嚷湮锏臎_擊。以上情況容易導(dǎo)致工程運(yùn)輸車輛的駕駛室產(chǎn)生嚴(yán)重變形，致使駕駛員的生命安全受到嚴(yán)重威脅。由于工程車輛不斷向大型化方向發(fā)展，質(zhì)量達(dá)到數(shù)百噸，對這類車輛的翻車保護(hù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，費(fèi)用高，對試驗(yàn)裝備要求也高[2]。隨著中國國產(chǎn)工程機(jī)械產(chǎn)量的增加和技術(shù)水平的提高,以及我國對安全生產(chǎn)越來越重視,這樣對司機(jī)室的安全保護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)要求更高，而目前國內(nèi)現(xiàn)有的檢測試驗(yàn)系統(tǒng)難以滿足時代發(fā)展的需求。針對以上情況，開發(fā)適應(yīng)性強(qiáng)，試驗(yàn)加載力大的車輛保護(hù)結(jié)構(gòu)（ROPS/FOPS）試驗(yàn)臺勢在必行。

翻滾保護(hù)結(jié)構(gòu)（roll-over protective structure）ROPS，是指當(dāng)機(jī)器翻滾時，減少系安全帶坐著的司機(jī)被擠傷可能的一系列結(jié)構(gòu)件，即在機(jī)器上安裝的一組結(jié)構(gòu)件，其布置是為了在有墜落物體(例如樹木、巖石、小混凝土塊、手工工具等)時，對司機(jī)提供適當(dāng)保護(hù)。我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對ROPS做出規(guī)定主要是GB/T 17922—2014《土方機(jī)械翻滾保護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和性能要求》，該標(biāo)準(zhǔn)等同于國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3471—2008。ROPS試驗(yàn)臺垂直加載系統(tǒng)主要是依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)中垂直方向加載要求而設(shè)計(jì)的。

1 垂直加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

垂直加載系統(tǒng)滿足的主要指標(biāo)為：垂直加載力為500T；適用樣品尺寸：高度3000mm，寬度3000mm，長度5000mm左右；在最大載荷作用下，整個系統(tǒng)剛度形變10mm。

方案一：如下圖所示，垂直加載系統(tǒng)主要由：①地基、②預(yù)埋底架、③底座、④加載油缸、⑤橫梁、⑥加載桿、7駕駛室（試驗(yàn)樣品）、8T型槽組成。試驗(yàn)臺整體高度7m，寬5.5m。

圖1 垂直加載系統(tǒng)方案一結(jié)構(gòu)示意圖

加載油缸4安裝在底座3上，用于調(diào)節(jié)加載高度，加載油缸4和橫梁5連接，加載油缸4收縮帶動橫梁5上的加載桿6對駕駛室進(jìn)行加載。加載頭固定在上橫梁處，左右不可移動，要想對樣品其他地方的加載，必須移動樣品重新固定在工作臺上。此試驗(yàn)臺整體結(jié)構(gòu)簡單，具有一定的開放性和樣品的適應(yīng)性（能通過油缸加載桿的伸縮調(diào)節(jié)一定范圍的高度，油缸活塞設(shè)計(jì)行程550mm）。由于500T的力通過一個加載頭加載于樣品上，故對上橫梁的強(qiáng)度要求很高，設(shè)計(jì)出來尺寸偏大。該加載系統(tǒng)由于兩個油缸是固定在立柱上的，當(dāng)不試驗(yàn)時油缸也在上面，不好對油缸維護(hù)和管理。

方案二：如圖所示，該加載系統(tǒng)由底橫梁、立柱、上橫梁組成封閉機(jī)構(gòu)。這樣加載力為整個加載系統(tǒng)的內(nèi)力，降低對地基的要求。由于車間的起重設(shè)備最大起重能力為5T，所以加工橫梁時是由兩個箱形結(jié)構(gòu)拼一塊組成，以滿足起吊能力又能滿足加載500T的強(qiáng)度。該加載系統(tǒng)整體高為5790mm，寬為6000mm，能滿足樣品寬3m，高3m的加載要求。該方案的加載油缸能左右移動，移動方式為電機(jī)通過減速器帶動絲桿轉(zhuǎn)動，方便對樣品實(shí)現(xiàn)不同的加載點(diǎn)。雙油缸加載方式可以降低對油缸的要求，且對上橫梁的強(qiáng)度要求也可以降低。當(dāng)樣品需要加載力大時，用兩個油缸同時加載，當(dāng)加載力小于250T時，可通過一個油缸進(jìn)行加載，更方便油壓的調(diào)節(jié)。當(dāng)油缸需要維護(hù)時，可通過安裝在上橫梁上的吊裝架將油缸放下來。該加載系統(tǒng)可拓展性強(qiáng)，試驗(yàn)方便。

圖2 垂直加載系統(tǒng)方案二結(jié)構(gòu)示意圖

垂直加載系統(tǒng)通過比較方案一和方案二，再結(jié)合場地實(shí)際情況限制，綜合考慮我們選擇了方案二。方案一加工上橫梁突破了起重機(jī)起吊能力5T的要求，且方案一不便于油缸的管理和維護(hù)。方案二整體結(jié)構(gòu)緊湊而能滿足實(shí)驗(yàn)要求和場地要求，該方案自動化程度高，可拓展性強(qiáng)，更能夠適應(yīng)未來發(fā)展的需求。

2 垂直加載系統(tǒng)橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及驗(yàn)算

運(yùn)輸車輛保護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)臺的目的是檢測被試件的形變量和吸收能量是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，即被試件強(qiáng)度和鋼度及形變量在一定的加載力作用下要在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。而本試驗(yàn)臺的垂直加載力最大為500T，在加載到最大力情況下保證檢測的準(zhǔn)確性，要求試驗(yàn)臺本身的強(qiáng)度剛度以及形變量也應(yīng)在一定范圍內(nèi)。由于本加載試驗(yàn)臺加載力大，為降低對地基的要求，設(shè)計(jì)時把加載力轉(zhuǎn)化為試驗(yàn)臺本身的內(nèi)力，故整個試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)成一封閉結(jié)構(gòu)，立柱、加載橫梁、底梁構(gòu)成一整體，防止加載力大而把整個試驗(yàn)臺從地基內(nèi)拔出來。為了使試驗(yàn)臺達(dá)到一定的經(jīng)性，在保證強(qiáng)度和剛度下，盡可能的使加載橫梁、立柱、底梁設(shè)計(jì)輕巧些。我們查了目前國內(nèi)最大的型鋼：工字鋼、槽鋼不能滿足要求，故選取焊接箱形結(jié)構(gòu)，焊接選擇板厚不超過50mm。箱形結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：重量輕、省鋼；抗彎和抗扭剛度大；適宜于做成連續(xù)梁。

2.1 頂上橫梁尺寸的確定及結(jié)構(gòu)示意圖

該試驗(yàn)臺適用樣品尺寸寬度為3000mm，考慮留有一定的余量空間及加上立柱的寬度，選定頂上橫梁的跨度為5900mm。高度通常可選H=(1/14～1/17)×L=347mm～421mm。

由于加載力為500T，加載力大且要求留有一定的安全余量，取高度H=1100mm；取腹板高度：h=1020mm、腹板厚度：δ1=35mm、翼緣板厚度：δ2=40mm。

考慮加載力為500T，為了滿足強(qiáng)度要求及其他設(shè)計(jì)的一些要求，用雙箱形結(jié)構(gòu)組合而成上橫梁結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 垂直加載上橫梁截面圖

上橫梁面積（按單梁計(jì)）：

梁總面積：

單梁慣性矩：

總慣性矩：

單梁抗彎模數(shù)：

式中：b為每塊板的寬度；h為每塊板的厚度。

yc為箱形截面的中心高度，為550mm。

聯(lián)立（1）～（5）式帶入數(shù)據(jù)求得單梁抗彎模數(shù)Wz=30774cm3。

2.2 梁強(qiáng)度、撓度及穩(wěn)定性校驗(yàn)

2.2.1 單梁強(qiáng)度校驗(yàn)

單梁彎矩計(jì)算，設(shè)單油缸F1或F2作用于中線C點(diǎn)時為彎矩最大時。取AC段分析：

圖4 單梁彎矩圖

梁強(qiáng)度校核有：

2.2.2 頂向橫梁撓度計(jì)算

上單梁中點(diǎn)處作用單油缸F=1225KN時梁的形變最大。

查得16Mn鋼彈性模量為：E=2.15×105MPa，由公式（8）帶入數(shù)據(jù)得yc為0.825mm。

小于設(shè)計(jì)要求10mm，故設(shè)計(jì)合格。

2.2.3 梁的穩(wěn)定性校核

（1）整體穩(wěn)定性

主梁的高寬比：

考慮實(shí)際使用情況的安全性，在加工制作時加些加強(qiáng)筋增大梁的穩(wěn)定性。

（2）局部穩(wěn)定性

箱形梁受壓翼緣板伸出部分校核公式：

箱形梁在兩腹板之間的受壓翼緣板校核公式為：

箱形梁的腹板校核公式為：

以上校核結(jié)果均滿足要求。

3 上橫梁有限元分析

利用三維建模軟件UG—NX對垂直加載上橫梁進(jìn)行建模?？紤]到模型對有限元計(jì)算量和分析計(jì)算結(jié)果精度的影響，為了盡可能的保證仿真結(jié)果接近真實(shí)結(jié)果，在保證關(guān)鍵零部件的前提之下可以對實(shí)體模型進(jìn)行了簡化：去除所有倒角和圓角、去除主梁與固定梁的連接板、去除支撐立柱的和箱形結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)筋和一些輔助機(jī)構(gòu)。對于垂直加載上橫梁的仿真，我們把加載力施加在模型最危險(xiǎn)的地方，即在橫梁的中點(diǎn)截面附近區(qū)域施加2450000N的垂直向上的加載力，將橫梁兩端設(shè)為固定約束。

圖5 上橫梁Von-mise應(yīng)力云圖

圖6 上橫梁節(jié)點(diǎn)位移幅值云圖

頂向上橫梁中間區(qū)域加載受力有限元分析結(jié)果如圖5、圖6所示。試驗(yàn)臺上橫梁結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為37.2MPa，出現(xiàn)在橫梁的中點(diǎn)處附近，如圖5所示，為應(yīng)力集中。最大應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度和許用應(yīng)力。試驗(yàn)臺整體結(jié)構(gòu)最大位移為0.757mm，在加載受力處，如圖6所示，最大位移滿足設(shè)計(jì)要求。通過仿真和計(jì)算校核結(jié)果對比分析，兩種結(jié)果大致一致，符合設(shè)計(jì)要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照設(shè)計(jì)圖紙，通過加工裝配后得到實(shí)物如圖7所示。

圖7 垂直加載結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

為了實(shí)現(xiàn)加載500T的要求，專門設(shè)計(jì)了驗(yàn)收樣架進(jìn)行加載試驗(yàn)，將驗(yàn)收樣架在工作平臺上固定好，再將力傳感器和位移傳感器按照要求連接好。按照試驗(yàn)要求逐步加載到500T，測得驗(yàn)收樣架的變形量的曲線如圖8所示。

圖8 變形位移圖

通過試驗(yàn)可知在最大加載力的時候驗(yàn)收樣架最大變形量為9mm，而通過百分表測量上橫梁中點(diǎn)的最大變形量為1.2mm，與設(shè)計(jì)相符合。

5 結(jié)論

（1）本試驗(yàn)臺的加載梁采用焊接箱形結(jié)構(gòu)，剛度和強(qiáng)度大，節(jié)約材料。垂直加載和水平加載系統(tǒng)的的梁連接成封閉結(jié)構(gòu)，這樣將加載外力轉(zhuǎn)換為內(nèi)力，降低對地基的要求。利用許用應(yīng)力設(shè)計(jì)法，對試驗(yàn)臺加載主體受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的計(jì)算和校核，保證在最大加載力500T時滿足使用要求。

（2）本試驗(yàn)臺垂直加載機(jī)構(gòu)采用雙油缸設(shè)計(jì)，使上橫梁受力更均勻，降低了應(yīng)力集中。且雙油缸通過電機(jī)可實(shí)現(xiàn)左右移動，方便試驗(yàn)的調(diào)整，大大降低了試驗(yàn)安裝對位的勞動強(qiáng)度。

（3）通過有限元仿真和計(jì)算結(jié)果對比，兩種結(jié)果誤差不大，最后試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果與理論計(jì)算有一定的誤差，誤差范圍不大，符合設(shè)計(jì)要求。