李 宇

（1.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室，湖南 長沙 410012）

工程運輸車輛運行工況復雜，特別是滿載荷運行時，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、巷道的冒頂等落物的沖擊。以上情況容易導致工程運輸車輛的駕駛室產生嚴重變形，致使駕駛員的生命安全受到嚴重威脅。由于工程車輛不斷向大型化方向發(fā)展，質量達到數百噸，對這類車輛的翻車保護機構進行破壞性試驗，費用高，對試驗裝備要求也高[2]。隨著中國國產工程機械產量的增加和技術水平的提高,以及我國對安全生產越來越重視,這樣對司機室的安全保護結構試驗要求更高，而目前國內現有的檢測試驗系統(tǒng)難以滿足時代發(fā)展的需求。針對以上情況，開發(fā)適應性強，試驗加載力大的車輛保護結構（ROPS/FOPS）試驗臺勢在必行。

翻滾保護結構（roll-over protective structure）ROPS，是指當機器翻滾時，減少系安全帶坐著的司機被擠傷可能的一系列結構件，即在機器上安裝的一組結構件，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，對司機提供適當保護。我國現行標準對ROPS做出規(guī)定主要是GB/T 17922—2014《土方機械翻滾保護結構實驗室試驗和性能要求》，該標準等同于國際標準ISO 3471—2008。ROPS試驗臺垂直加載系統(tǒng)主要是依據此標準中垂直方向加載要求而設計的。

1 垂直加載系統(tǒng)設計方案

垂直加載系統(tǒng)滿足的主要指標為：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預埋底架、③底座、④加載油缸、⑤橫梁、⑥加載桿、7駕駛室（試驗樣品）、8T型槽組成。試驗臺整體高度7m，寬5.5m。

圖1 垂直加載系統(tǒng)方案一結構示意圖

加載油缸4安裝在底座3上，用于調節(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。此試驗臺整體結構簡單，具有一定的開放性和樣品的適應性（能通過油缸加載桿的伸縮調節(jié)一定范圍的高度，油缸活塞設計行程550mm）。由于500T的力通過一個加載頭加載于樣品上，故對上橫梁的強度要求很高，設計出來尺寸偏大。該加載系統(tǒng)由于兩個油缸是固定在立柱上的，當不試驗時油缸也在上面，不好對油缸維護和管理。

方案二：如圖所示，該加載系統(tǒng)由底橫梁、立柱、上橫梁組成封閉機構。這樣加載力為整個加載系統(tǒng)的內力，降低對地基的要求。由于車間的起重設備最大起重能力為5T，所以加工橫梁時是由兩個箱形結構拼一塊組成，以滿足起吊能力又能滿足加載500T的強度。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，移動方式為電機通過減速器帶動絲桿轉動，方便對樣品實現不同的加載點。雙油缸加載方式可以降低對油缸的要求，且對上橫梁的強度要求也可以降低。當樣品需要加載力大時，用兩個油缸同時加載，當加載力小于250T時，可通過一個油缸進行加載，更方便油壓的調節(jié)。當油缸需要維護時，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，試驗方便。

圖2 垂直加載系統(tǒng)方案二結構示意圖

垂直加載系統(tǒng)通過比較方案一和方案二，再結合場地實際情況限制，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起吊能力5T的要求，且方案一不便于油缸的管理和維護。方案二整體結構緊湊而能滿足實驗要求和場地要求，該方案自動化程度高，可拓展性強，更能夠適應未來發(fā)展的需求。

2 垂直加載系統(tǒng)橫梁結構設計及驗算

運輸車輛保護結構試驗臺的目的是檢測被試件的形變量和吸收能量是否滿足標準要求，即被試件強度和鋼度及形變量在一定的加載力作用下要在標準范圍之內。而本試驗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確性，要求試驗臺本身的強度剛度以及形變量也應在一定范圍內。由于本加載試驗臺加載力大，為降低對地基的要求，設計時把加載力轉化為試驗臺本身的內力，故整個試驗臺設計成一封閉結構，立柱、加載橫梁、底梁構成一整體，防止加載力大而把整個試驗臺從地基內拔出來。為了使試驗臺達到一定的經性，在保證強度和剛度下，盡可能的使加載橫梁、立柱、底梁設計輕巧些。我們查了目前國內最大的型鋼：工字鋼、槽鋼不能滿足要求，故選取焊接箱形結構，焊接選擇板厚不超過50mm。箱形結構有以下優(yōu)點：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構示意圖

該試驗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，為了滿足強度要求及其他設計的一些要求，用雙箱形結構組合而成上橫梁結構，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）：

梁總面積：

單梁慣性矩：

總慣性矩：

單梁抗彎模數：

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）式帶入數據求得單梁抗彎模數Wz=30774cm3。

2.2 梁強度、撓度及穩(wěn)定性校驗

2.2.1 單梁強度校驗

單梁彎矩計算，設單油缸F1或F2作用于中線C點時為彎矩最大時。取AC段分析：

圖4 單梁彎矩圖

梁強度校核有：

2.2.2 頂向橫梁撓度計算

上單梁中點處作用單油缸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）帶入數據得yc為0.825mm。

小于設計要求10mm，故設計合格。

2.2.3 梁的穩(wěn)定性校核

（1）整體穩(wěn)定性

主梁的高寬比：

考慮實際使用情況的安全性，在加工制作時加些加強筋增大梁的穩(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行建模?？紤]到模型對有限元計算量和分析計算結果精度的影響，為了盡可能的保證仿真結果接近真實結果，在保證關鍵零部件的前提之下可以對實體模型進行了簡化：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構的加強筋和一些輔助機構。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的地方，即在橫梁的中點截面附近區(qū)域施加2450000N的垂直向上的加載力，將橫梁兩端設為固定約束。

圖5 上橫梁Von-mise應力云圖

圖6 上橫梁節(jié)點位移幅值云圖

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

4 試驗驗證

按照設計圖紙，通過加工裝配后得到實物如圖7所示。

圖7 垂直加載結構實物圖

為了實現加載500T的要求，專門設計了驗收樣架進行加載試驗，將驗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。按照試驗要求逐步加載到500T，測得驗收樣架的變形量的曲線如圖8所示。

圖8 變形位移圖

通過試驗可知在最大加載力的時候驗收樣架最大變形量為9mm，而通過百分表測量上橫梁中點的最大變形量為1.2mm，與設計相符合。

5 結論

（1）本試驗臺的加載梁采用焊接箱形結構，剛度和強度大，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構，這樣將加載外力轉換為內力，降低對地基的要求。利用許用應力設計法，對試驗臺加載主體受力結構進行了強度、剛度和穩(wěn)定性的計算和校核，保證在最大加載力500T時滿足使用要求。

（2）本試驗臺垂直加載機構采用雙油缸設計，使上橫梁受力更均勻，降低了應力集中。且雙油缸通過電機可實現左右移動，方便試驗的調整，大大降低了試驗安裝對位的勞動強度。

（3）通過有限元仿真和計算結果對比，兩種結果誤差不大，最后試驗驗證結果與理論計算有一定的誤差，誤差范圍不大，符合設計要求。