大型工程車輛ROPS/FOPS試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳書禎，韓 剛，董利忠，李 鑫，武艷花

(太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024)

世界發(fā)達(dá)國家對(duì)工程車輛使用安全高度重視，分別制定不同形式的法規(guī)對(duì)工程車輛的安全性進(jìn)行強(qiáng)制管理。當(dāng)前，工程車輛的大型化發(fā)展趨勢(shì)帶來技術(shù)要求的不斷提高。司機(jī)安全保護(hù)結(jié)構(gòu)(ROPS/FOPS)的研發(fā)技術(shù)和檢測(cè)手段相對(duì)落后，制約了我國的大型工程車輛的發(fā)展，因此，加強(qiáng)司機(jī)安全保護(hù)結(jié)構(gòu)(ROPS/FOPS)基礎(chǔ)性研究、提高檢測(cè)技術(shù)水平是非常重要的。但目前狀況下，ROPS/FOPS試驗(yàn)系統(tǒng)的檢測(cè)能力遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前工程車輛大型化發(fā)展的趨勢(shì)，所以，設(shè)計(jì)大型工程機(jī)械ROPS/FOPS試驗(yàn)系統(tǒng)勢(shì)在必要。

司機(jī)安全保護(hù)結(jié)構(gòu)(ROPS/FOPS)是指安裝在大型工程車輛司機(jī)室周圍或者與駕駛室合為一體的安全保護(hù)裝置，其主要功能是當(dāng)車輛發(fā)生側(cè)翻事故時(shí)，能夠?qū)︸{駛員進(jìn)行保護(hù)，以免讓駕駛員受到傷害或?qū)Ⅰ{駛員的傷害程度降到最低。大型工程車輛的司機(jī)安全保護(hù)結(jié)構(gòu)(ROPS/FOPS)采用四立柱式(如圖1)和整體車架式(如圖2)。ROPS/FOPS采用高強(qiáng)度鋼材的焊接結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的抵抗變形能力和較大的能量吸收能力，能夠在大型工程車輛發(fā)生傾翻或者受到礦石沖擊時(shí)為駕駛員提供安全保護(hù)作用。所以，該結(jié)構(gòu)即為本試驗(yàn)系統(tǒng)的檢測(cè)對(duì)象。

圖1 四立柱式ROPSFig.1 Four-pillar type ROPS

圖2 整體車架式ROPS[1]Fig.2 The whole truck type ROPS

1 ROPS/FOPS的要求

國家標(biāo)準(zhǔn)GBT 17922-1999《土方機(jī)械翻車保護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室試驗(yàn)和性能要求》中，對(duì)ROPS/FOPS的性能要求主要有縱向承載能力、垂直承載能力、最小側(cè)向承載能力和最小能量吸收能力，其數(shù)值大小與工程車輛的整體質(zhì)量和車輛類型有關(guān)[2]。

試驗(yàn)時(shí)分為兩種情況：只選ROPS的工程車輛和只選用車廂的工程車輛。

1.1 縱向承載能力

ROPS/FOPS應(yīng)滿足規(guī)定載荷，當(dāng)縱向載荷與駕駛員坐向相同，DLV繞LA轉(zhuǎn)動(dòng)的角度不超過15°(最新國際標(biāo)準(zhǔn)為16°)[2]，如圖3示。當(dāng)縱向載荷與駕駛員坐向相反時(shí)，不允許DLV轉(zhuǎn)動(dòng)[2]。

圖3 縱向加載時(shí)DLV繞LA轉(zhuǎn)動(dòng)[2]Fig.3 The rotation DLV around LA under longitudinal load

1.2 垂直承載能力

垂直承載能力是確保大型工程車輛在傾翻時(shí)，使已經(jīng)產(chǎn)生變形的ROPS/FOPS能夠支撐住整個(gè)車輛自重而不再繼續(xù)破壞，從而避免駕駛室內(nèi)的駕駛員被擠傷[2]。其具體的衡量標(biāo)準(zhǔn)：在去除側(cè)向載荷后，ROPS/FOPS可以支撐19.61M(M為整車質(zhì)量)的載荷并且至少持續(xù)5 min[2].

1.3 側(cè)向承載能力

最小側(cè)向承載能力主要是為了使大型工程車輛在發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，司機(jī)保護(hù)結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)入未凍結(jié)的地面，阻止車輛繼續(xù)翻轉(zhuǎn)[2]。其判斷標(biāo)準(zhǔn)是：在檢測(cè)試驗(yàn)中，不允許司機(jī)安全保護(hù)結(jié)構(gòu)(ROPS/FOPS)發(fā)生變形的任何一部分及側(cè)向加載的模擬平面(LSGP)進(jìn)入到DLV中[2]。模擬平面(LSGP)確定方法如圖4所示。

圖4 LSGP的確定方法[2]Fig.4 The determination method for LSGP

1.4 側(cè)向能量吸收能力

最小側(cè)向能量吸收能力是考慮到在大型工程車輛傾翻后，司機(jī)保護(hù)結(jié)構(gòu)(ROPS/FOPS)與變形不大的地面(如巖石面、混凝土地面等)發(fā)生碰撞時(shí)，雖然會(huì)產(chǎn)生撓曲變形，但是必須能夠承受較大的連續(xù)沖擊的能力[2]。司機(jī)保護(hù)結(jié)構(gòu)(ROPS/FOPS)實(shí)際所吸收的能量可以用側(cè)向載荷在整個(gè)加載過程中所做的功來衡量[2]。

2 大型工程車輛ROPS/FOPS試驗(yàn)系統(tǒng)

目前，現(xiàn)行的ROPS/FOPS試驗(yàn)系統(tǒng)采用電動(dòng)機(jī)械千斤頂對(duì)ROPS/FOPS結(jié)構(gòu)件進(jìn)行加載試驗(yàn)。具有檢測(cè)能力小、傳動(dòng)效率低、返程慢的缺點(diǎn)。其工作原理是：由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)發(fā)出信號(hào)電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)械千斤頂控制，由安裝在電動(dòng)機(jī)械千斤頂前端傳感器對(duì)力和位移進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)到的數(shù)值與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)所輸入的數(shù)值進(jìn)行比較，與所輸入的數(shù)值大小相等時(shí)，系統(tǒng)停止加載。

本次設(shè)計(jì)的大型工程車輛ROPS/FOPS試驗(yàn)系統(tǒng)垂直方向最大檢測(cè)能力為10 000 kN，縱向和側(cè)向加載能力為5 000 kN.試驗(yàn)系統(tǒng)主要由機(jī)械部分和控制部分組成。

2.1 機(jī)械部分

機(jī)械部分主要由加載試驗(yàn)臺(tái)臺(tái)架和液壓加載系統(tǒng)組成。

為降低試驗(yàn)臺(tái)臺(tái)架的整體高度、液壓油缸的外形尺寸和總體經(jīng)濟(jì)成本，試驗(yàn)系統(tǒng)的液壓加載系統(tǒng)采用垂直雙油缸加載、側(cè)向和縱向采用單油缸加載方案。

2.1.1 加載試驗(yàn)臺(tái)臺(tái)架

加載試驗(yàn)臺(tái)臺(tái)架由T型槽平臺(tái)、水平加載支架、均衡梁、立柱、固定梁和垂直加載主梁組成，如圖5所示。

1.固定梁；2.垂直加載主梁；3.均衡梁；4.水平加載支架；5.T型槽平臺(tái)；6.立柱

圖5試驗(yàn)臺(tái)臺(tái)架結(jié)構(gòu)
Fig.5Thebedstandoftestrig

T型槽平臺(tái)與鋼筋混凝土地基固接，直接承受載荷。不進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，T型槽平臺(tái)承受整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)自身的自重。在試驗(yàn)時(shí)，T型槽平臺(tái)承受立柱聯(lián)接處向上的拉力。立柱由鋼板焊接成“工”字型，通過T型螺栓與T型槽平臺(tái)固接。固定梁由鋼板焊接成箱型梁結(jié)構(gòu)，通過高強(qiáng)度螺栓與立柱固定在一起。垂直加載主梁也是由鋼板焊接成箱型梁結(jié)構(gòu)，與連接塊通過高強(qiáng)度螺栓連接，連接塊與固定梁側(cè)板焊接在一起。水平加載支架也是通過T型螺栓與T型槽平臺(tái)固接在一起。

2.1.2 液壓加載系統(tǒng)

液壓加載系統(tǒng)為ROPS/FOPS試驗(yàn)系統(tǒng)提供加載力，液壓加載系統(tǒng)的供油壓力為25 MPa，液壓油缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度為5 mm/s.液壓油選用HL型46號(hào)抗磨液壓油。

液壓加載系統(tǒng)具有自動(dòng)鎖緊功能，并且垂直加載主梁上的兩個(gè)液壓油缸的活塞具有同步運(yùn)動(dòng)功能。為保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，液壓加載系統(tǒng)采用伺服控制回路[3]。液壓原理圖如圖6所示。

液壓加載系統(tǒng)的液壓油泵采用交流三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。液壓油缸選用單桿活塞缸。其中兩個(gè)液壓油缸通過頭部法蘭固定在垂直加載主梁上，活塞桿朝下。側(cè)向和縱向兩個(gè)油缸分別通過滑塊和導(dǎo)軌固定在側(cè)向和縱向的水平加載支架上。

2.2 控制部分

該試驗(yàn)系統(tǒng)的控制部分主要由硬件部分和軟件部分組成。

圖6 液壓加載系統(tǒng)原理圖Fig.6 The principle diagram of hydraulic loading system

2.2.1 硬件部分

硬件主要由力傳感器、位移傳感器、放大器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、通用PC機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理電路組成[4]。

2.2.2 軟件部分

對(duì)大型工程車輛ROPS/FOPS進(jìn)行加載試驗(yàn)時(shí)，首先，進(jìn)行側(cè)向加載，然后進(jìn)行垂直方向加載，最后進(jìn)行縱向加載。在進(jìn)行加載試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)整車質(zhì)量的大小，在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中輸入所需要加載力的大小。當(dāng)所檢測(cè)到力的大小與輸入到工業(yè)控制計(jì)算機(jī)內(nèi)的力的數(shù)值大小相等時(shí)，試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)入保壓狀態(tài)。

試驗(yàn)系統(tǒng)工作時(shí)，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)發(fā)出信號(hào)電壓，液壓油缸的活塞輸出負(fù)載力。負(fù)載力由傳感器檢測(cè)并轉(zhuǎn)化成與外部負(fù)載力成正比的信號(hào)電壓反饋給比較器，這個(gè)反饋信號(hào)電壓與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的信號(hào)電壓經(jīng)過比較后，得出偏差信號(hào)電壓，偏差信號(hào)電壓經(jīng)過功率放大器放大以后進(jìn)入到伺服閥中，進(jìn)而控制伺服閥閥芯的開口大小，從而控制進(jìn)入液壓油缸油液流量的大小[5]。從而使負(fù)載力向著目標(biāo)值的方向變化，直到外部負(fù)載力大小與目標(biāo)值的大小相等為止。系統(tǒng)進(jìn)入保壓狀態(tài)。試驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)系統(tǒng)工作原理圖Fig.7 Working principle of test system

根據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理得出軟件流程圖，如圖8所示。

圖8 軟件流程圖Fig.8 The flow chart of software

該試驗(yàn)系統(tǒng)軟件依據(jù)“自頂向下，逐層細(xì)分”的設(shè)計(jì)理念，將試驗(yàn)系統(tǒng)軟件劃分為許多個(gè)相互獨(dú)立、相互聯(lián)系的八個(gè)模塊，分別是：開關(guān)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析與處理、數(shù)據(jù)顯示、控制模塊、錯(cuò)誤處理和輔助功能等模塊[6]。試驗(yàn)系統(tǒng)的軟件功能如圖9所示。

在數(shù)據(jù)采集過程中，為保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和能夠快速的處理數(shù)據(jù)，該測(cè)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式為同步采集，采樣頻率為2.5 MHz[6].并在編程的過程中，采用虛擬儀器技術(shù)和多線程編程技術(shù)。

3 結(jié)束語

本文在文獻(xiàn)[7]的基礎(chǔ)之上對(duì)該試驗(yàn)系統(tǒng)的加載系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。把液壓加載系統(tǒng)和虛擬儀器的模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用到大型工程車輛ROPS/FOPS試驗(yàn)系統(tǒng)中。該試驗(yàn)系統(tǒng)與目前的試驗(yàn)系統(tǒng)相比較，不僅可以檢測(cè)目前檢測(cè)系統(tǒng)無法檢測(cè)的大型工程車輛，還可以檢測(cè)小噸位的土方機(jī)械。具有量程廣、高精度、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)。在試驗(yàn)結(jié)束后，試驗(yàn)系統(tǒng)可以自動(dòng)生成報(bào)告并且打印，提供歷史數(shù)據(jù)的查詢與回放。該試驗(yàn)系統(tǒng)具有一定的前瞻性，將為我國的大型工程車輛ROPS/FOPS設(shè)計(jì)和驗(yàn)證提供必要的條件。

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