卞兆娟 李和清 劉勇

0 前言

車輛駕駛室翻車防護裝置（Rollover Protective Structures ROPS）是一種在車輛發(fā)生翻車事故時，能有效吸收車輛自身重量產(chǎn)生的一部分沖擊能量的結(jié)構(gòu)裝置[1]。ROPS通過提供一定間隙空間來保護駕駛員在駕駛室內(nèi)安全，從而降低人員嚴重受傷的可能性。隨著我國農(nóng)業(yè)機械現(xiàn)代化的不斷推進，農(nóng)林類機械的使用也愈加廣泛，其安全可靠性倍受關(guān)注。農(nóng)林拖拉機是一種至少有兩根軸的自走式的輪式（或履帶式）車輛，主要用作牽引拖車或用于攜帶、推動農(nóng)業(yè)和林業(yè)機械及機具，也可根據(jù)需要，為配備機具（如旋耕機、播種機等）提供動力[2]。

農(nóng)林拖拉機翻車防護裝置的使用大大降低了駕駛員由于翻車事故造成受傷的風險。國外一些研究調(diào)查表明，增加了防護裝置后，拖拉機在發(fā)生翻車事故時，可以將其造成的傷亡事故大大降低[3]。我國在農(nóng)林拖拉機防護裝置上的研究相對國外發(fā)達國家和地區(qū)較晚，技術(shù)研究深度和廣度有限，目前所公開的研究和報道文獻數(shù)量也較少。基于GB/T 19498-2017《農(nóng)林拖拉機防護裝置 靜態(tài)試驗方法和驗收技術(shù)條件》標準，設(shè)計一種農(nóng)業(yè)機械安全駕駛室靜壓強度試驗臺，對農(nóng)業(yè)機械的生產(chǎn)、試驗、使用及維護具有重要的現(xiàn)實意義。

1 試驗臺整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)GB/T 19498-2017《農(nóng)林拖拉機防護裝置 靜態(tài)試驗方法和驗收技術(shù)條件》標準要求，試驗由兩大部分組成，分別為水平加載（縱向加載、側(cè)向加載）試驗和垂直壓垮（后壓垮、前壓垮）試驗。因此，該試驗臺的設(shè)計能完成兩大試驗的所有內(nèi)容。

1.1 水平加載試驗裝置

水平加載裝置主要包括底座、垂直加載梁、垂直方向調(diào)節(jié)裝置、水平方向微調(diào)裝置、液壓站、水平液壓加載油缸（包括活塞杠）、鋼絲繩電動葫蘆、位移傳感器、壓力傳感器、傾角傳感器。底座與地面的導(dǎo)軌通過螺栓進行固定和連接，垂直加載梁連接于底座上。在垂直加載梁的垂直方向上設(shè)計有垂直方向的調(diào)節(jié)裝置，垂直方向調(diào)節(jié)裝置設(shè)計了一個沿垂直加載梁方向的絲杠螺母機構(gòu)，絲杠螺母與電機連接，通過電機的正反轉(zhuǎn)傳動控制及絲杠螺母機構(gòu)來實現(xiàn)水平液壓加載油缸上下位置的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對不同高度的被試驗拖拉機防護裝置進行水平加載試驗。水平液壓加載油缸水平設(shè)置于垂直加載梁上，平行于地面安裝，其加載油缸連接至液壓站。壓力傳感器安裝于水平液壓加載油缸的活塞端部，傾角和位移傳感器安裝于水平液壓加載油缸的本體上。水平方向微調(diào)裝置設(shè)計了水平方向絲杠螺母，絲杠螺母與電機連接，通過電機的正反轉(zhuǎn)傳動控制及水平絲杠螺母機構(gòu)來實現(xiàn)水平液壓加載油缸左、右位置水平的調(diào)節(jié)，從而保證試驗時水平加載裝置對其加載位置的精確控制。鋼絲繩電動葫蘆安裝于垂直加載在橫梁的末端，并平行于地面，電動葫蘆的鋼絲繩與水平液壓加載油缸垂直連接，可以通過調(diào)節(jié)電動葫蘆，根據(jù)傾角位移傳感器所采集到的信號，精確地實現(xiàn)水平液壓加載油缸的水平調(diào)節(jié)[3]。此處所述壓力、位移、傾角傳感器均連接至電氣控制系統(tǒng)。水平加載試驗裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水平加載試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 壓垮試驗裝置

壓垮加載裝置主要包括：底座、液壓加載油缸（包括活塞杠）、拉力傳感器、調(diào)節(jié)鏈條、壓垮加載橫梁等。底座通過螺栓與地面的導(dǎo)軌連接在一起，可以方便地根據(jù)拖拉機的型號調(diào)節(jié)液壓缸的距離。底座上連有液壓油缸及活塞杠，活塞缸的端部安裝有拉力傳感器。壓垮橫梁與拉力傳感器之間用調(diào)節(jié)鏈條連接在一起，調(diào)節(jié)鏈條可以對不同型號的農(nóng)林拖拉機進行靜壓強度試驗。需要指出的是，此處所述液壓加載油缸及活塞杠數(shù)量均為兩個。兩個液壓加載油缸與水平加載實驗中的液壓站連接，兩個拉力傳感器均連接至電氣控制系統(tǒng)，用于完成試驗數(shù)據(jù)的采集和控制。壓垮加載試驗裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 壓垮加載試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗臺試驗加載順序及方法

該試驗臺的翻車防護裝置靜壓強度試驗系統(tǒng)包括機械加載裝置、液壓加載系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及電氣控制系統(tǒng)。液壓加載系統(tǒng)由液壓泵、過濾器、油箱、溢流閥、單向閥、流量閥、若干電磁換向閥及其他液壓元件組成。通過對液壓閥的控制來實現(xiàn)對所有加載載荷大小的自動控制，通過對流量閥的控制來實現(xiàn)對試驗時加載速度的調(diào)節(jié)，確保試驗時的加載速度符合加載標準。

數(shù)據(jù)采集及電氣控制系統(tǒng)控制液壓泵站工作，進而對被試驗拖拉機的防護裝置施加載荷，同時利用傳感器來測量試驗過程中載荷和位移的變化量，然后用高速采集卡對傳感器所獲得的測量值進行A/D轉(zhuǎn)換，最后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)交給計算機來進行存儲、顯示等處理，并對比所設(shè)定的值來分析試驗數(shù)據(jù)，然后據(jù)此發(fā)出相應(yīng)的加載壓力控制指令，從而達到對整個拖拉機防護裝置強度試驗過程閉環(huán)控制的目的。

2.1 試驗順序

根據(jù)GB/T 19498-2017《農(nóng)林拖拉機防護裝置靜態(tài)試驗方法和驗收技術(shù)條件》規(guī)范的試驗加載內(nèi)容所進行的試驗須嚴格遵循標準依次進行，且全部試驗必須在同一防護裝置上進行，試驗期間不得進行維修和加固[4]。試驗加載順序見圖3。

2.2 試驗方法

該試驗臺的試驗方法嚴格遵循GB/T 19498-2017《農(nóng)林拖拉機防護裝置 靜態(tài)試驗方法和驗收技術(shù)條件》中8.4（試驗順序）、8.5（水平加載驗）、8.6（壓垮試驗）、8.7（第二次縱向加載試驗）幾部分所給出的試驗條件和方法進行試驗。

圖3 試驗加載順序圖

2.2.1 縱向加載試驗

對后橋重量大于或等于總重量的50%的輪式或履帶式農(nóng)林拖拉機，施加的載荷應(yīng)該作用在后面；其余拖拉機施加的載荷則應(yīng)該作用在前面[2]。只有確保載荷的三要素（大小、方向及作用點）均正確，縱向加載試驗才可進行。

施加的載荷方向應(yīng)與拖拉機的中心面平行。載荷的作用點應(yīng)在防護裝置最上端的橫向構(gòu)件上（即拖拉機發(fā)生翻車事故時該位置首先觸地的可能性最大），且作用點應(yīng)在防護裝置從頂部側(cè)邊緣向里六分之一寬度處。防護裝置的寬度應(yīng)為平行于拖拉機中心面并同防護裝置外側(cè)端點相切的兩條直線間的距離（如圖4所示）。值得注意的是，防護裝置的構(gòu)件結(jié)構(gòu)與載荷作用點也有關(guān)，如果是彎曲構(gòu)件，則只需在縱向加載時考慮防護裝置末端的寬度。因此，對于試驗工程師來講，了解拖拉機的基本構(gòu)件是尤為重要的。施加載荷的大小應(yīng)根據(jù)防護裝置所吸收的能量進行判斷，當出現(xiàn)防護裝置吸收能量大于或等于所設(shè)定能量值或防護裝置侵入容身區(qū)或容身區(qū)超出了防護裝置的保護范圍這類情況時，應(yīng)停止縱向試驗[1]。

2.2.2 第一次壓垮試驗

試驗2（第一次壓垮試驗）也稱為后壓垮試驗，是在試驗1順利完成的前提下進行的。載荷施加方向應(yīng)在防護裝置加載的同一端，使壓垮合力作用在垂直基準面內(nèi)。載荷大小設(shè)定為20M（M為拖拉機質(zhì)量）。當壓垮合力等于設(shè)定值時，防護裝置不再產(chǎn)生任何可見的變形后，再維持5秒，該試驗即結(jié)束。需要注意的是，如果防護裝置的頂部不能完全承受全部壓垮載荷，載荷應(yīng)繼續(xù)施加，直至其頂部變形到與翻車時能支撐拖拉機質(zhì)量的后部部件相接觸。然后卸載，改變載荷的加載位置，以便把剛性梁置于施拉機翻車時能支撐拖拉機的部位，然后施加全部載荷，壓垮加載試驗如圖5所示[2]。

圖4 縱向加載示意圖

圖5 壓垮加載試驗示意圖

2.2.3 側(cè)向加載試驗

在試驗2（第一次壓垮試驗）順利結(jié)束之后，進行試驗3（側(cè)向加載試驗）。應(yīng)確定拖拉機座椅側(cè)置或防護裝置強度是否對稱，若不對稱，應(yīng)將側(cè)向載荷加在最可能導(dǎo)致容身區(qū)遭到侵犯的那一側(cè)（即當拖拉機發(fā)生翻車事故時，對操作員構(gòu)成最大危險的一側(cè)），施加的載荷方向應(yīng)與拖拉機的中心面垂直。載荷的作用點應(yīng)在防護裝置最上端的橫向構(gòu)件上距離駕駛坐標點（SIP）前（160-ah）mm處（拖拉機發(fā)生翻車事故時該位置首先觸地的可能性最大）[5]，對于雙向行駛的拖拉機，則載荷作用點應(yīng)在防護裝置最上端，且在兩駕駛坐標點（SIP）間的中點處。施加載荷的大小，應(yīng)根據(jù)防護裝置所吸收的能量進行判斷，當出現(xiàn)防護裝置吸收能量大于或等于所設(shè)定能量值或防護裝置侵入容身區(qū)或容身區(qū)超出了防護裝置的保護范圍這類情況時，應(yīng)停止側(cè)向加載試驗。側(cè)向加載試驗如圖6所示[2]。

圖6 側(cè)向加載試驗示意圖

2.2.4 第二次壓垮試驗

試驗3（側(cè)向加載試驗）順利完成后，將進行試驗4（第二次壓垮試驗），試驗4也稱之為前壓垮試驗。試驗4與試驗2（第一次壓垮試驗）試驗內(nèi)容基本相同，僅是第二次壓垮試驗載荷加載點發(fā)生了變化（從后端對稱平移到前端），其他條件均保持不變。試驗4（第二次壓垮加載）如圖5所示[2]。

2.2.5 第二次縱向加載試驗

順利完成試驗1、2、3、4加載試驗以后，應(yīng)考慮是否進行試驗5（第二次縱向加載試驗），即試驗5不一定必須完成。根據(jù)GB/T 19498-2017《農(nóng)林拖拉機防護裝置 靜態(tài)試驗方法和驗收技術(shù)條件》中8.4（e）規(guī)定，對安裝雙柱式或非雙柱式防護裝置的拖拉機，若在特殊條件下使用的臨時防護裝置或傾翻機構(gòu)與防護裝置整體結(jié)構(gòu)是分開的，則需要進行該試驗；若對雙柱式防護裝置的第一次縱向加載試驗在其折疊方向上，此種情況則不必進行該項試驗[2]。若需進行試驗5（第二次縱向加載試驗），其加載方法應(yīng)為：加載方向與試驗1（縱向加載）相反；加載點位置位于距離試驗1中加載點最遠的那個角上；施加載荷的大小，應(yīng)根據(jù)防護裝置所吸收的能量進行判斷，當出現(xiàn)防護裝置吸收能量大于或等于所設(shè)定能量值或防護裝置侵入容身區(qū)或容身區(qū)超出了防護裝置的保護范圍這類情況時，應(yīng)停止縱向試驗。試驗5（第二次縱向加載試驗）如圖4所示[2]。

3 實驗結(jié)果

依據(jù)GB/T 19498-2017《農(nóng)林拖拉機防護裝置靜態(tài)試驗方法和驗收技術(shù)條件》中規(guī)定的試驗加載順序和試驗方法，運用該試驗臺對一臺M754拖拉機安全駕駛室進行了靜壓強度試驗。已知拖拉機質(zhì)量M為2 555 kg，則試驗1加載能量設(shè)定值E1為1.4M，即3 577 J；試驗2拉力設(shè)定值F1為20M，即51.1 kN；試驗3加載能量設(shè)定值E2為1.75M，即4 471.25 J；試驗4拉力設(shè)定值F2為20M，即51.1 kN；試驗5加載能量設(shè)定值E3為0.35M，即894.25 J。試驗1、2結(jié)果如圖7、圖8所示。

4 結(jié)論

（1）該試驗臺的機械加載裝置包括水平加載試驗裝置和壓垮加載裝置兩大部分，能根據(jù)GB/T 19498-2017所規(guī)定的試驗方法完成縱向加載試驗、第一次壓垮試驗、側(cè)向加載試驗、第二次壓垮試驗和第二次縱向加載試驗。

圖7 縱向水平加載試驗曲線

圖8 第一次壓垮試驗曲線

（2）該試驗臺的機械加載裝置可以通過拆卸底座與地面連接的螺栓，用行車吊起整個裝置，從而改變加載方向，實現(xiàn)“旋轉(zhuǎn)”操作；壓垮加載裝置可以靈活地移動和固定液壓加載油缸的位置，以滿足不同類型的加載試驗[6-9]。

（3）該試驗臺的機械加載裝置上均安裝有一套完整的傳感器，位移、傾角、拉（壓）力、能量等相應(yīng)規(guī)定的指標均能精確、方便地實現(xiàn)測量。加載裝置配備有不同量程的拉（壓）力傳感器，以滿足不同型號的農(nóng)林拖拉機進行防護裝置靜壓強度試驗。

隨著我國農(nóng)林、農(nóng)業(yè)機械化的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械的使用量日益增多，一個合格的拖拉機翻車防護裝置能有效地保護駕駛員的人身安全。目前，我國在該領(lǐng)域的先進研究成果不多，根據(jù)國家最新標準GB/T 19498-2017《農(nóng)林拖拉機防護裝置靜態(tài)試驗方法和驗收技術(shù)條件》所規(guī)定的農(nóng)林拖拉機試驗內(nèi)容，設(shè)計而成的此種安全駕駛室靜壓強度試驗臺，可為后續(xù)翻車防護裝置的設(shè)計制造和研究提供可靠的參考價值。