高永強 陳 靜 王元強

(國家工程機械質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心 北京 102100)

旅游觀光車乘員保護結(jié)構(gòu)強度試驗方法研究

高永強 陳 靜 王元強

(國家工程機械質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心 北京 102100)

本文通過對比研究土方機械、客車及美國輕型多功能車乘員保護結(jié)構(gòu)的試驗驗證技術(shù)要求及試驗方法，結(jié)合觀光車行業(yè)及觀光車本身特點，分析確定了符合觀光車要求的試驗參數(shù)和判定原則，制定了適合觀光車乘員保護結(jié)構(gòu)使用的評價方法。

旅游觀光車 乘員保護 試驗驗證 評價方法

近年來,隨著人們生活水平的提升,出行旅游成為越來越多的人選擇休閑放松的生活方式。各旅游景區(qū)生意火爆,游客熙攘。作為游客疏導(dǎo)和代步的交通工具,旅游觀光車在景區(qū)的使用更加普遍和廣泛。在此背景下,觀光車行業(yè)發(fā)展迅速,市場蛋糕越來越大。為了增強競爭力,制造商們在產(chǎn)品的研發(fā)上下足了功夫,無論是在外觀造型方面,還是在乘坐舒適性上,投入了較大的精力,車輛技術(shù)水平得到顯著的提高。但是研發(fā)人員在車輛的安全性能上的考慮普遍不多,安全性能的提升較為緩慢。相比穩(wěn)定性及安全車速等主要性能,乘員防護制造商重視程度普遍不夠,需要提升的空間較大,尤其是乘員上部保護結(jié)構(gòu)(即包括頂棚及立柱在內(nèi)的車身結(jié)構(gòu))強度不足。由于沒有標準和成熟的試驗方法作為依托,缺乏試驗數(shù)據(jù),對觀光車上部乘員保護結(jié)構(gòu)的強度現(xiàn)狀把握不足,觀光車使用存在一定的隱患。為填補空白,建立較為恰當(dāng)?shù)脑囼烌炞C方法和評價體系,筆者研究對比分析了我國在土方機械、客車以及美國低速輕型車輛的有關(guān)內(nèi)容,希望能夠找到適宜觀光車的試驗方法和技術(shù)要求,在觀光車乘員保護結(jié)構(gòu)強度的驗證和提高上有所突破,為今后標準和法規(guī)的制訂有所參考,同時也可以幫助企業(yè)更好的提高產(chǎn)品使用安全,更好地服務(wù)于社會。為了便于闡述,下文將車架以上的車身結(jié)構(gòu),包括頂棚在內(nèi)的部分統(tǒng)稱為乘員上部保護結(jié)構(gòu),簡稱乘員保護結(jié)構(gòu)。

1 土方機械的乘員保護結(jié)構(gòu)試驗評價方法

土方機械是指壓路機、挖掘機、裝載機等用于建設(shè)使用的對土壤、巖石進行作業(yè)的工程機械。由于在施工時,路面高低不平,有些落差還較大,車輛在使用時就會有滾翻的可能,所以此類車輛通常會裝設(shè)有滾翻保護結(jié)構(gòu)簡稱(ROPS)。GB/T 17922—2014《土方機械 滾翻保護結(jié)構(gòu) 實驗室試驗和性能要求》(等同采用ISO 3471:2008)中規(guī)定了滾翻保護結(jié)構(gòu)的性能要求及實驗室評價方法。其基本原理就是將車輛的保護結(jié)構(gòu)按其與車架的聯(lián)結(jié)方式固定在試驗臺架上,利用液壓油缸按標準規(guī)定的加載位置、加載力以及能量對保護結(jié)構(gòu)進行加載,加載的方向包括側(cè)向、縱向和垂直三個方向(按車輛的正常使用方向)。保護結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生一定的塑性或彈性變形,但這些變形都不得干涉乘員的正常區(qū)域(DLV)。圖2是某裝載機乘員保護結(jié)構(gòu)在實驗室內(nèi)的測試照片。

圖1 觀光車結(jié)構(gòu)

圖2 乘員保護結(jié)構(gòu)測試

相對于土方機械,觀光車的長寬比更大,車輛的傾翻方式通常是側(cè)翻,基本不會發(fā)生縱向翻滾,所以更多需要考慮的是觀光車頂棚承受側(cè)向力(能量)和垂直力的能力。從GB/T 17922—2014表1中選擇重量(m≤10000kg)和驅(qū)動方式與觀光車較為接近的輪式土方機械的加載參數(shù)見表1:

表1 觀光車對應(yīng)加載參數(shù)

某14座蓄電池旅游觀光車無載自重為1150kg,如將該觀光車按GB/T 17922—2014標準要求進行計算,則其頂棚上沿結(jié)構(gòu)承受的側(cè)向力應(yīng)為6900N,其承受的側(cè)向能量為1004.5J,垂直加載的力為22551.5N。在這樣的力和能量的作用下,觀光車頂棚變形不得干涉乘員的正常區(qū)域。由于土方機械的使用工況與觀光車的使用工況差距甚遠,該方法作為衡量觀光車乘員保護結(jié)構(gòu)強度的試驗方法略失妥當(dāng)。

2 客車的乘員保護結(jié)構(gòu)試驗評價方法

客車的使用場所與觀光車類似,但其車速更高。標準GB/T 15089—2016《機動車輛及掛車分類》中按設(shè)計總重量將客車分為M2、M3類,按乘員位數(shù)及是否允許乘員站立,每類里又可分為A、B、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級。絕大多數(shù)觀光車接近于M2類中的B級客車。此類客車的上部結(jié)構(gòu)強度可以按GB 18986—2003《輕型客車結(jié)構(gòu)安全要求》和GB 17578—2013《客車上部結(jié)構(gòu)強度要求及試驗方法》這兩個標準。這兩個標準由于頒布時間間隔較大,對客車上部結(jié)構(gòu)強度的要求差距也較大。GB 18986—2003中要求客車的上部結(jié)構(gòu)強度只要可以承載最大設(shè)計質(zhì)量的均布靜載荷即可。而GB 17578—2013規(guī)定了客車上部結(jié)構(gòu)的強度要求及試驗方法,其基本要求是當(dāng)車輛發(fā)生側(cè)向傾翻后,頂棚等上部結(jié)構(gòu)的變形后,乘員的生存空間不得受到上部結(jié)構(gòu)和生存空間之外的其他構(gòu)件侵入,生存空間的內(nèi)部構(gòu)件也不應(yīng)導(dǎo)致乘員傷害且不應(yīng)突出變形結(jié)構(gòu)的輪廓外。其基本的測試方法是通過一個可傾斜的測試平臺將車輛慢慢傾斜到一個不穩(wěn)定的平衡位置,將車輛傾翻,跌落比初始位置低800mm的撞擊平面,觀察傾翻后車輛是否滿足生存空間的相關(guān)要求,同時用裝在車內(nèi)的高速攝像機錄下車輛傾翻過程中內(nèi)部的一些情況,觀察內(nèi)部構(gòu)件的變形是否可能對乘員構(gòu)成傷害,見圖3。顯然第二個標準更能直觀的確認車輛傾翻后,上部結(jié)構(gòu)對乘員的保護情況,較為科學(xué)。同時由于觀光車為敞開式結(jié)構(gòu),與客車的蒙皮結(jié)構(gòu)不同,觀光車的乘員保護結(jié)構(gòu)承受側(cè)向力的能力更差,車輛傾翻時,對乘員的保護更為不利。就這兩個標準比較,筆者認為第二個標準更適宜于觀光車。圖4為某校車傾翻試驗后的照片。

該試驗方法簡單直接,但由于旅游觀光車批量較小,單臺試驗成本較高,較難在全行業(yè)推廣。

圖3 客車傾翻試驗示意圖

圖4 校車傾翻后的檢查

3 美國輕型多功能車的乘員保護結(jié)構(gòu)試驗評價方法

在美國觀光車并不是一個嚴格意義上的一類產(chǎn)品,屬于輕型多功能車(Light utility vehicles)的范疇,起源于高爾夫球車。隨著技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展,以此為基礎(chǔ)衍生出一系列其他用途的同類車輛如打獵車、沙灘車、釣魚車等,產(chǎn)品的使用區(qū)域已經(jīng)從封閉的固定場所擴展到了一般的道路使用。SAE J2258 DEC2010(此標準由美國機動車工程師學(xué)會2010年頒布)《Light utility vehicles》標準中規(guī)定了此類產(chǎn)品的一些安全技術(shù)要求。其中包括了乘員保護結(jié)構(gòu)的要求。車速、橫向穩(wěn)定性及乘員保護結(jié)構(gòu)有一個對應(yīng)的關(guān)系,見圖5,只有在車輛位于陰影部分的情況下,也即車速必須大于16km/h,且橫向穩(wěn)定性角度位于30°至20°之間的車輛才必須要求安裝乘員保護結(jié)構(gòu)(OPS)。如果車輛安裝有乘員保護結(jié)構(gòu),則乘員保護結(jié)構(gòu)必須通過如圖6所示的驗證。

測試塊為一個剛性且不易變形的長方體木塊構(gòu)成,尺寸為1829mm×762mm。按圖6所示的施力方式和角度對車輛乘員保護結(jié)構(gòu)的左右上棱結(jié)構(gòu)進行加壓,施壓機構(gòu)以每秒鐘不得超過0.5英寸的速度進行加壓,直到力值達到1.5倍的車輛無載自重(最低不得小于2268kg),保持120s,測試塊的移動不得超過127mm。此方法測試簡單、靈活,試驗成本低,但旅游觀光車的實際使用工況與此類輕型多功能車不盡相同,試驗參數(shù)的給出有待驗證,方法的適用性一般。

圖5 車速、乘員保護結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性角度關(guān)系圖

圖6 乘員保護結(jié)構(gòu)試驗示意圖

4 適用于觀光車乘員保護結(jié)構(gòu)的試驗評價方法

綜合以上三種試驗方法,結(jié)合試驗設(shè)施的復(fù)雜性,車輛使用工況的異同以及單臺試驗成本,顯然客車和輕型多功能車的方法更值得推薦,見表2。但二者仍有不足之處:客車的使用工況與觀光車最為接近,但單臺破壞性試驗成本較高,難于在觀光車行業(yè)推廣;而輕型多功能車的試驗方法簡單,但車輛的使用工況與觀光車不盡相同。筆者必須進一步研究,找到更優(yōu)的試驗方法。

前文提到觀光車行業(yè)批量生產(chǎn)的產(chǎn)品少,非標單臺的產(chǎn)品較多,每種型號的產(chǎn)品進行如圖3的傾翻試驗不夠現(xiàn)實。如果利用加載裝置在固定好的車輛上橫梁處按計算好的等效沖擊能量進行加載,驗證車輛乘員保護結(jié)構(gòu)是否能夠承受這個能量,同時驗證結(jié)構(gòu)的變化是否侵犯車內(nèi)的生存空間。此方法一方面可以較好地衡量和評價保護結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣,另一方面由于可以在車輛結(jié)構(gòu)上驗證而不必使用完整的樣機,樣機就不會較大程度損傷。此方法是在依據(jù)觀光車行業(yè)和其本身的特點,同時結(jié)合上述三種試驗方法的基礎(chǔ)上而形成的。分別確認試驗的加載角度、加壓力(能量)以及判定原則。

表2 不同試驗方法的優(yōu)缺點比較

4.1 加載角度的確定

不難得出,為模仿車輛跌落至低于水平位置800mm的平面上橫梁所受到的沖擊能量的方向(見圖7),載荷的加載角度a應(yīng)為:

式中:

L——上橫梁與地面的高度,mm。

圖7 試驗加載角度

4.2 加壓能量的確定

為求得加壓能量,筆者做如下假設(shè)。筆者將處在臨界位置的即將傾翻的觀光車抽象為一個長方體如圖8所示,其中車輛上橫梁的高為L(單位mm,此處并不是車輛的總高,而是傾翻后與地面先接觸的橫梁離地面的高度),車輛的總寬為B(單位mm),跌落的臺階落差筆者按標準GB 17578—2013中所規(guī)定的800mm。由于觀光車通常情況下左右布置是對稱的,為了便于計算筆者認為車輛的重心位于車輛的縱向中心面內(nèi),同時在水平狀態(tài)下重心的高度為h(單位mm,車輛的重心高度可以通過計算或是尾部懸掛法測得,這里不再贅述)。觀光車在臨界傾翻狀態(tài)下,重心的高度變化為h1,此時車輛重心位于傾翻軸線上(見圖8),不難得出此時的重心高度h1可由式(2)表示。當(dāng)觀光車傾翻后,處于圖9的位置,此時車輛的重心高度變?yōu)閔2,通過做如圖所示的兩條輔助線,可以求出傾翻后車輛重心高度h2,由式(3)表示(推導(dǎo)過程不再贅述)。車輛與地面的碰撞過程可以視為頂棚結(jié)構(gòu)的上橫梁承受車輛重心高度變化所產(chǎn)生的能量E。

圖8 傾翻臨界狀態(tài)

圖9 翻倒狀態(tài)

其中M為車輛的有效質(zhì)量,單位為kg,對于裝有安全帶約束裝置的車輛其有效質(zhì)量還應(yīng)包括滿載時乘員的重量每人按85kg計算,g為重力加速。靜壓載荷筆者選擇車輛有效重量的1.5倍。

4.3 判定原則的確定

乘員上部保護結(jié)構(gòu)承受對應(yīng)的載荷達到一定的能量后所產(chǎn)生的塑性或彈性變形不得侵犯乘員的正常生存空間。按標準GB 17578—2013規(guī)定車輛生存空間的外廓通過在車廂內(nèi)建立一個垂直橫截面進行確定,將垂直橫截面按標準規(guī)定的方式移動穿過整個車長所構(gòu)成的空間體即為車輛的生存空間。生存空間是在車輛傾翻后提空給乘員生存可能的剩余空間見圖10。觀光車結(jié)構(gòu)簡單,通常座椅布置對稱且均在同一平面。其生存空間為以圖10中(a)圖所描述的橫截面沿車長方向掃描的一個均勻空間體。由于觀光車為敞開式框架結(jié)構(gòu)非蒙皮式,當(dāng)上橫梁發(fā)生變形后,車輛與地面的夾角會發(fā)生變化,地面會侵犯乘員的生存空間,這點尤其要注意。

圖10 客車生存空間示意圖

4.4 試驗方法概述

試驗設(shè)施可按圖2構(gòu)建,下部固定車輛或車架結(jié)構(gòu),利用油缸加載,加載的方向應(yīng)可調(diào),設(shè)置力及位移傳感器,實時顯示力并通過計算顯示能量,加載應(yīng)緩慢進行,不得大于每秒127mm,一般先達到力值,然后再達到能量值,保持120s,觀察結(jié)構(gòu)的變形情況。表3列出了試驗所需的參數(shù)或計算公式:

表3 加載試驗參數(shù)和公式

舉例說明:某廠生產(chǎn)的14座蓄電池旅游觀光車,經(jīng)測量車輛上橫梁的高L為2050mm,車寬B為1500mm,重心高度h為620mm,車輛有效質(zhì)量M為2200kg。經(jīng)計算加載角度67°,車架上橫梁加載力32340N,加載能量8481J。

該方法可以有效地評價觀光車上部乘員保護結(jié)構(gòu)的強度,在等效傾翻試驗的同時可降低試驗成本,同時試驗參數(shù)由具體車型參數(shù)確定,具有更好的針對性。誠然,受知識所限,理論及公式推導(dǎo)可能會有不妥之處。希望行業(yè)同仁以此為基礎(chǔ)共同研究,確定一個可以在行業(yè)推廣應(yīng)用的方法,同時也可為標準的建立和法規(guī)的制訂奠定基礎(chǔ),共同提升旅游觀光車的安全從而助推行業(yè)健康發(fā)展。

［1］ GB/T 17922—2014 土方機械 滾翻保護結(jié)構(gòu) 實驗室試驗和性能要求［S］．

［2］ GB/T 15089—2016 機動車輛及掛車分類 ［S］．

［3］ GB 18986—2003 輕型客車結(jié)構(gòu)安全要求 ［S］．

［4］ GB 17578—2013 客車上部結(jié)構(gòu)強度要求及試驗方法 ［S］．

［5］ 高永強，劉丹，田志成．中美觀光車標準體系對比分析 ［J］．中國特種設(shè)備安全，2016，32（3）：3-7+39．

［6］ SAE J2258 DEC2010 Light utility vehicles［S］．

Strength Test Method Research for the Passengers Protection Structure in Sightseeing Vehicle

Gao Yongqiang Chen Jing Wang Yuanqiang
(China National Supervision & Inspection Center for Quality of Construction Machinery Products Beijing 102100)

The paper is an analysis to determine the experimental parameters and assess principle for the passengers protection structure in sightseeing vehicle considering of the features of sightseeing industry and vehicle itself, to develop an evaluation method for it after comparing with the technical requirements and test methods of experimental verification for passengers protection structures fitted in earth-moving machinery, bus and American Light utility vehicles.

Sightseeing vehicle Passengers protection Experimental veri fi cation Evaluation method

X941

：B

1673-257X(2017)07-0028-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.07.007

高永強（1979～)， 男 本科，副所長，高級工程師，從事場車產(chǎn)品的標準研究、檢驗檢測及認證工作。

高永強，E-mail： gyqhappy@163．com。

2017-03-28）