王爍，楊巖，王淵

（1.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺(tái) 054000；2.河北邁安檢測服務(wù)有限公司，河北 邢臺(tái) 054000）

1 概況

近年來隨著煤礦輔助運(yùn)輸行業(yè)的迅速發(fā)展，無軌膠輪車以其靈活可靠、運(yùn)輸效率高、無需前期投入等特點(diǎn)得到了各大礦山企業(yè)的廣泛認(rèn)可，在煤炭開采中，無軌膠輪車已經(jīng)成為常用的運(yùn)輸工具。但由于礦山作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，加之自重及工作載重量較大，礦用無軌膠輪車易產(chǎn)生較大的慣性，翻車事故頻繁發(fā)生；而且頂幫落物致使機(jī)頂刺穿駕駛室，也常常威脅駕乘人員的生命安全。本實(shí)驗(yàn)是基于GB/T17922-2014 和GB/T17771-2010 的要求，搭建礦用無軌膠輪車滾翻保護(hù)結(jié)構(gòu)（Roll-over protective structures，ROPS） 和落物保護(hù)結(jié)構(gòu)（Falling-object protective structures，F(xiàn)OPS） 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并對無軌膠輪車駕駛室翻滾與落物沖擊兩種工況下的變形、吸能與承載的參數(shù)進(jìn)行測量。

2 國家標(biāo)準(zhǔn)要求

GB/T17922-2014《土方機(jī)械滾翻保護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和性能要求》要求對典型試件采用垂向、縱向、橫向靜載荷作用，引入撓曲極限量（deflection-limiting volume，DLV） 概念，當(dāng)試驗(yàn)處于側(cè)向、垂直方向或縱向加載時(shí)，ROPS 要滿足吸能、承載要求，其任何零件均不應(yīng)進(jìn)入DLV，同時(shí)不會(huì)受到大的瞬間沖擊作用。加載作用力的大小取決于車輛類型及質(zhì)量。

GB/T17771-2010《土方機(jī)械落物保護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室性能試驗(yàn)與要求》中規(guī)定了評價(jià)保護(hù)司機(jī)免受局部沖擊穿透結(jié)構(gòu)特性和支承結(jié)構(gòu)抗沖擊載荷承載能力的方法，確保在不同尺寸和質(zhì)量的落物情況下，司機(jī)能得到合理的保護(hù)。礦用無軌膠輪車應(yīng)滿足GB/T 17771 中驗(yàn)收基準(zhǔn)Ⅱ的性能要求。試驗(yàn)體高度和質(zhì)量關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 滿足能量要求的試驗(yàn)體高度和質(zhì)量關(guān)系曲線Fig.1 Relationship curve between height and mass of test body meeting energy requirement

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建

3.1 翻滾保護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)搭建

此次實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的車輛翻滾加載模擬系統(tǒng)用于模擬礦用無軌膠輪車的滾翻加載試驗(yàn)，根據(jù)ROPS不同的結(jié)構(gòu)形式，對其進(jìn)行垂直、側(cè)向、縱向的加載，同時(shí)控制和測量各方向指定位置的變形量。系統(tǒng)通過試件及加載信息采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化與傳輸、信號(hào)處理與管理，實(shí)現(xiàn)加載載荷大小和變形量實(shí)時(shí)測試和控制。

3.1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)部件

駕駛室滾翻保護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)如圖2所示，此次實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用大龍門四立柱設(shè)備主體框架，受力梁采用Q235 鋼板焊接組合為空心方梁，截面通過有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證極小的變形量的前提下具有更小的重量。

圖2 駕駛室滾翻保護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)Fig.2 Cab rollover protection structure test bench

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主加載采用垂直單作動(dòng)器，提高主加載框架的承載能力和較大范圍的加載力的準(zhǔn)確性，提高加載速度，實(shí)現(xiàn)模擬滾翻或者側(cè)翻一瞬間接觸地面受力的情況。在作動(dòng)器及其液壓系統(tǒng)控制下，實(shí)現(xiàn)滾翻試驗(yàn)的仿真實(shí)時(shí)性，更進(jìn)一步了解材料或試件在事故瞬間的真實(shí)變化情況。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的側(cè)載作動(dòng)器安裝磁滯位移傳感器，磁滯位移傳感器可實(shí)現(xiàn)絕對距離的檢測，利用計(jì)算脈沖運(yùn)行時(shí)間來檢測永磁鐵的位置進(jìn)而計(jì)算一個(gè)絕對值的位置讀數(shù)，并解決了定期重標(biāo)或斷電歸零的問題。作動(dòng)器采用了高質(zhì)量的非金屬材質(zhì)軸承，具有耐磨、低摩擦、抗咬合性等特點(diǎn)，提高了材料的使用壽命。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在滿足國際標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上吸收了液壓伺服控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，完善了車輛側(cè)翻和滾翻模擬實(shí)驗(yàn)的檢測技術(shù)。

（1） 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用大框架，滿足多類型礦用無軌膠輪車駕駛室的安裝固定。

（2） 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)機(jī)架變形總變形量小于2 mm，減小系統(tǒng)偏斜量造成的ROPS 的測量誤差。

（3） 采用激光位移傳感技術(shù)測量變形LAP 點(diǎn)的變形，定位方便、測試準(zhǔn)確、故障率低，使用壽命長。

（4） 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用動(dòng)態(tài)液壓站，具有低噪音、低脈動(dòng)等特點(diǎn)，不間斷提供恒溫、恒壓、低脈動(dòng)滿足伺服閥過濾要求的液壓油。

3.1.2 駕駛室滾翻保護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)操作步驟

待檢試件固定到平臺(tái)上以后，確定好加載點(diǎn)（LAP），做好標(biāo)記。調(diào)整作動(dòng)器、側(cè)載作動(dòng)器的空間位置，使作動(dòng)器中心內(nèi)的激光束對準(zhǔn)LAP。根據(jù)LAP 與作動(dòng)器的距離調(diào)節(jié)活動(dòng)油缸座，各位置調(diào)節(jié)后，點(diǎn)擊試驗(yàn)開始按鈕，按照設(shè)定程序依次進(jìn)行主缸加載、側(cè)缸加載，每次加載需要按下確認(rèn)鍵，如果主缸加載后變形較大需要重新調(diào)定側(cè)缸加載位置及試件。試驗(yàn)過程中自動(dòng)繪制位移、試驗(yàn)力、變形、時(shí)間的組合曲線。試驗(yàn)結(jié)束自動(dòng)分析并保存試驗(yàn)結(jié)果。

3.2 落物保護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)搭建

試驗(yàn)系統(tǒng)中的落物保護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)基于GB/T1 7771-2010 標(biāo)準(zhǔn)，用于檢測礦用無軌膠輪車落物防護(hù)裝置承受落物沖擊性能，評價(jià)FOPS 在承受墜落物體時(shí)對司機(jī)提供保護(hù)的能力。根據(jù)性能要求，通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)試件固定、落錘升降和安全防護(hù)。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)部件

駕駛室落物保護(hù)試驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示。

圖3 駕駛室落物保護(hù)試驗(yàn)平臺(tái)Fig.3 Cab fall protection test platform

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由框架、錘頭、防護(hù)罩，控制部分構(gòu)成?？蚣苡射撝破脚_(tái)、立柱構(gòu)成，平臺(tái)由20 mm鋼板夾加強(qiáng)筋焊接而成，測試安裝面積10 m×10 m，立柱由型鋼焊接，舉架高約5 m，并留有高度擴(kuò)展空間。舉升裝置由同步傳動(dòng)系統(tǒng)、減速機(jī)、光電編碼器等組成。釋放裝置為電磁鐵。錘頭的形狀與標(biāo)準(zhǔn)一致。

安全罩由304 鋼管焊接，末端有橡膠防護(hù)筒。控制部分由PLC 控制變頻電機(jī)、計(jì)算機(jī)控制元件等構(gòu)成。

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有以下特點(diǎn)：①高度擴(kuò)展空間，釋放裝置由機(jī)械控制、電子控制、程序控制等三重控制，更安全；②錘頭不淬火，無碎片飛濺并有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)防護(hù)，結(jié)構(gòu)安全；③天車可在平臺(tái)范圍內(nèi)移動(dòng)，試件位置不受限制；④重錘落下高度自動(dòng)調(diào)整，沖擊點(diǎn)位置自動(dòng)調(diào)整。采用動(dòng)態(tài)位移傳感器無接觸采集FOPS 主要的上部水平構(gòu)件變形。

3.2.2 駕駛室落物保護(hù)試驗(yàn)操作步驟

將試件固定安裝于試驗(yàn)平臺(tái)，選定沖擊位置，沖擊位置應(yīng)接近DLV 頂部水平面或位于DLV 頂部水平面的垂直投影范圍內(nèi)。將試驗(yàn)體小頭向下，放置于FOPS 上面的沖擊位置。根據(jù)試件FOPS 的形式，垂直提升試驗(yàn)體到規(guī)定的高度，釋放試驗(yàn)體，使之自由地落到FOPS 上。

4 駕駛室翻轉(zhuǎn)保護(hù)ROPS 側(cè)縱向垂直加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 駕駛室翻轉(zhuǎn)保護(hù)試驗(yàn)系統(tǒng)基本組成Fig.4 Basic composition of cab rollover protection test system

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用的數(shù)據(jù)采集卡可以直接讀取DMA 數(shù)據(jù)，并為每個(gè)通道提供了相應(yīng)的存儲(chǔ)器（RAM）。試驗(yàn)時(shí)需要對駕駛室進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，因此要求力和位移的精度很高，本文選用的傳感器是先測量出模擬信號(hào)，并通過放大器等信號(hào)處理器進(jìn)行電路處理，通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集并傳輸?shù)絇C 端進(jìn)行顯示和控制，保證精度滿足要求。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)劃分6 大模塊，分別為系統(tǒng)登陸界面、手動(dòng)調(diào)試、報(bào)告設(shè)定、標(biāo)定畫面、記錄查詢和測試報(bào)告。實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)操作界面如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)Fig.5 Experimental operating system

界面可直接顯示載荷數(shù)值、油缸位置、位置變形速度等重要參數(shù)，中間位置可以直接選擇實(shí)驗(yàn)選項(xiàng)，包括側(cè)向加載、垂直加載、縱向加載，不同的加載有對應(yīng)的加載杠進(jìn)行控制，并在下方實(shí)時(shí)顯示位移與力之間的曲線變化圖，且可以保存記錄。用戶右上界面能夠顯示實(shí)際運(yùn)行中的測試數(shù)據(jù)，并與設(shè)定值進(jìn)行對比。用戶右下界面主要顯示預(yù)加載壓力值、實(shí)驗(yàn)狀態(tài)等，可查詢數(shù)據(jù)記錄和報(bào)告，如圖6、圖7所示。

圖6 記錄查詢模塊Fig.6 Record query module

圖7 報(bào)告設(shè)定Fig.7 Report settings

如圖6所示，該模塊可直接顯示試驗(yàn)編號(hào)，以及主要針對實(shí)驗(yàn)對象的變形量、加載力值、載荷能量等重要參數(shù)的顯示。

如圖7所示，該模塊可直接編輯報(bào)告編號(hào)、項(xiàng)目等檢測報(bào)告中的重要參數(shù)，編輯完整之后可通過PC 端直接下載報(bào)告，減小檢測人員的工作量，最終報(bào)告如圖8所示。

圖8 報(bào)告模塊Fig.8 Report module

實(shí)驗(yàn)基本通過PC 端自動(dòng)控制，為了后期人工調(diào)試，添加了手動(dòng)調(diào)試模塊，如圖9所示。該模塊可以手動(dòng)對液壓泵站、垂向加載、側(cè)縱向加載進(jìn)行控制以及對傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

圖9 手動(dòng)調(diào)試和標(biāo)定模塊Fig.9 Manual debugging and calibration module

5 駕駛室翻轉(zhuǎn)保護(hù)FOPS 沖擊性能檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括系統(tǒng)登陸界面、系統(tǒng)控制界面、參數(shù)設(shè)定界面、實(shí)驗(yàn)報(bào)告界面。實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)界面如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)操作界面Fig.10 Experimental operation interface

實(shí)驗(yàn)操作界面主要控制電磁鐵釋放和回收，以及選擇兩種沖擊高度。界面中間顯示隨著高度的增加沖擊能量曲線變化程序。用戶右下界面為操作界面主要操作參數(shù)設(shè)定、實(shí)驗(yàn)報(bào)告兩大模塊，參數(shù)設(shè)定模塊可以設(shè)定產(chǎn)品編號(hào)、型號(hào)及名稱等基本參數(shù)，為后期檢測報(bào)告提供基礎(chǔ)信息；實(shí)驗(yàn)報(bào)告模塊可對檢測產(chǎn)品的沖擊高度和能量進(jìn)行編輯，生成檢測報(bào)告，可用PC 端直接下載，如圖11、圖12所示。

圖11 參數(shù)設(shè)定模塊Fig.11 Parameter setting module

圖12 實(shí)驗(yàn)報(bào)告模塊Fig.12 Experimental Report Module

6 安全設(shè)施

考慮到該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)的安全問題，如司機(jī)安全保護(hù)結(jié)構(gòu)在加載的過程中嚴(yán)重變形，出現(xiàn)材料飛濺現(xiàn)象，危及周圍實(shí)驗(yàn)人員安全，此次設(shè)計(jì)專門做了一個(gè)控制室，并安裝高強(qiáng)硬度鋼化玻璃，保護(hù)實(shí)驗(yàn)人員安全；同時(shí)在目光的死角、暗角等位置安裝監(jiān)控裝置。

7 結(jié)語

為了更好的解決煤礦安全生產(chǎn)的復(fù)雜環(huán)境導(dǎo)致的無軌膠輪車側(cè)翻和落石的墜落對無軌膠輪車駕駛員的安全隱患，建立了一套FOPS&ROPS 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)無軌膠輪車駕駛室在側(cè)翻與落物沖擊兩種工況下的變形、吸能與承載的參數(shù)進(jìn)行測量，并建立了一套系統(tǒng)控制程序，為今后發(fā)展智能煤礦安全運(yùn)輸方面提供了一定的參考。