自卸車駕駛室被動安全性試驗研究

摘 要：文章以非公路自卸車和公路自卸車的駕駛室這一被動安全部件/結(jié)構(gòu)為研究對象，研究了國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對其安全性能要求及試驗方法，通過對試驗中的典型失效形式分析研究，為產(chǎn)品設(shè)計改進(jìn)提供了參考，能夠有效促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量提升，降低事故損失。

關(guān)鍵詞：自卸車；被動安全；性能要求；試驗方法

引言

自卸車作為生產(chǎn)建設(shè)中主要的裝卸運(yùn)輸設(shè)備，按其用途可分為非公路自卸車和公路自卸車兩大類：

非公路自卸車也稱為礦用自卸車，由于其外廓尺寸以及軸荷等受公路法規(guī)的限制，只能在礦山、工地上使用。這類車屬于土方機(jī)械類，不屬于國家《車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告》管理的范圍。

公路自卸車主要承擔(dān)砂石、泥土、煤炭等松散貨物運(yùn)輸。某些自卸汽車是針對專門用途設(shè)計的，故又稱專用自卸汽車，如自裝卸垃圾汽車、臂式自裝卸汽車等。這類車輛屬于汽車產(chǎn)品，在國家《車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告》管理的范圍，該類型車輛包含在汽車行業(yè)生產(chǎn)企業(yè)目錄中，可以上路行駛。

不論何種類型的自卸車，由于作業(yè)、運(yùn)輸環(huán)境較為復(fù)雜，容易發(fā)生滾翻、碰撞事故，往往司乘人員是事故中的最直接受害者。提高自卸車的被動安全性來保護(hù)司乘人員的生命安全是必要的手段。文章旨在對自卸車駕駛室的被動安全性進(jìn)行研究，通過試驗中的典型失效案例進(jìn)行分析，為產(chǎn)品設(shè)計改進(jìn)提供參考。

1 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)概要

非公路自卸車屬于土方機(jī)械類（TC127標(biāo)準(zhǔn)組織），其相應(yīng)的司機(jī)保護(hù)結(jié)構(gòu)最新國際標(biāo)準(zhǔn)為ISO 3471：2008《土方機(jī)械 翻車保護(hù)結(jié)構(gòu) 試驗室試驗和性能要求》和EN ISO 3449：2008《土方機(jī)械 落物保護(hù) 結(jié)構(gòu)試驗室試驗和性能要求》，我國則根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)制訂了GB/T 17922-2014《土方機(jī)械 翻車保護(hù)結(jié)構(gòu) 試驗室試驗和性能要求》和GB/T 17771-2010《土方機(jī)械 落物保護(hù)結(jié)構(gòu) 試驗室試驗和性能要求》。

公路自卸車屬于汽車類產(chǎn)品，其相應(yīng)的駕駛室乘員保護(hù)結(jié)構(gòu)最新國際標(biāo)準(zhǔn)為ECE R29-03《關(guān)于就商用車輛駕駛室乘員防護(hù)方面批準(zhǔn)車輛的統(tǒng)一規(guī)定》，我國標(biāo)準(zhǔn)GB 26512-2011《商用車駕駛室乘員保護(hù)》等同采用ECE R29-02版。

2 自卸車駕駛室被動安全性試驗要求

2.1 非公路自卸車駕駛室的被動安全性

對于非公路自卸車被動安全性要求，主要考核對象為落物保護(hù)結(jié)構(gòu)（FOPS）和翻車保護(hù)結(jié)構(gòu)（ROPS），實際車輛的FOPS和ROPS功能主要由駕駛室承擔(dān)。

FOPS的性能試驗指的是評價保護(hù)司機(jī)免受局部沖擊穿透結(jié)構(gòu)特性的一種方法，同時也是間接評價支撐結(jié)構(gòu)抗沖擊載荷承受能力的一種方法。非公路自卸車實際使用工況決定了其的FOPS性能需滿足驗收基準(zhǔn)Ⅱ的沖擊保護(hù)試驗要求，即保護(hù)結(jié)構(gòu)能承受一個圓柱試驗體從產(chǎn)生11600J能量的高度下落時產(chǎn)生的沖擊，其任何部位在試驗體最初或回彈沖擊下不應(yīng)穿入撓曲極限量（DLV）[1]。

ROPS的性能試驗是通過靜態(tài)加載模擬實現(xiàn)車輛滾翻中ROPS受側(cè)向、縱向及垂向作用力后能對司乘人員進(jìn)行有效保護(hù)的一種試驗方法。各方向加載試驗的力和能量有所要求（表1），驗收標(biāo)準(zhǔn)為ROPS的任何零件均不應(yīng)進(jìn)入DLV[2]。

2.2 公路自卸車的被動安全性

公路自卸車作為商用車產(chǎn)品，其駕駛室乘員保護(hù)結(jié)構(gòu)的被動安全性能考核目的在于，根據(jù)不同碰撞工況，保證乘員的生存空間不被侵入，進(jìn)而最大程度降低乘員傷害。我國和歐洲現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對駕駛室的正面耐撞擊性、頂部強(qiáng)度和后圍強(qiáng)度均有具體技術(shù)指標(biāo)要求（表2）。判定標(biāo)準(zhǔn)為，每項試驗后駕駛室應(yīng)存在生存空間；試驗中要求駕駛室與車架保持連接，將駕駛室固定于車架上的部件允許變形和損壞；試驗中車門不應(yīng)打開，試驗后不要求車門能打開[3]。

表2 商用車駕駛室乘員保護(hù)試驗技術(shù)參數(shù)

3 典型試驗失效形式及原因分析

3.1 非公路自卸車駕駛室的被動安全性試驗失效形式

3.1.1 FOPS失效形式

（1）FOPS結(jié)構(gòu)擊穿導(dǎo)致的失效。該種情況是由于FOPS結(jié)構(gòu)材料的抗脆性差導(dǎo)致的失效。所以建議FOPS結(jié)構(gòu)材料應(yīng)選用塑性和韌性好的鎮(zhèn)靜鋼材料，如硅鎮(zhèn)靜鋼、硅鋁鎮(zhèn)靜鋼等。

（2）在實際試驗當(dāng)中，由于駕駛室頂部FOPS結(jié)構(gòu)擊穿導(dǎo)致的失效情況較為鮮見，往往最易出現(xiàn)的失效形式為，F(xiàn)OPS在接受驗收基準(zhǔn)Ⅱ的沖擊中，F(xiàn)OPS結(jié)構(gòu)雖未擊穿，但沖擊后FOPS結(jié)構(gòu)嚴(yán)重扭曲變形，導(dǎo)致駕駛室頂部部件直接侵入DLV。

該失效原因為，用于支撐FOPS蓋板的結(jié)構(gòu)件設(shè)計不合理，材料單薄?？梢酝ㄟ^增大DLV垂直投影上FOPS支撐結(jié)構(gòu)的支撐密度，適當(dāng)提高材料厚度解決該類問題。另外應(yīng)在支撐結(jié)構(gòu)上的有效位置開設(shè)應(yīng)力釋放孔，來避免局部凹陷情況。

3.1.2 ROPS失效形式

（1）ROPS側(cè)向、縱向承載力不足。根據(jù)實車試驗總結(jié)，有多種情況導(dǎo)致該類失效結(jié)果，可歸納為駕駛室與車架連接支撐減震結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理；加載過程中ROPS結(jié)構(gòu)件（駕駛室立柱、支撐結(jié)構(gòu)）斷裂；駕駛室立柱強(qiáng)度不夠?qū)е碌那粶p震器拉脫；連接螺栓剪切。

（2）ROPS側(cè)向加載能量吸收不夠。駕駛室ROPS側(cè)向加載試驗過程中，加載力早已超出最低限值，但能量尚未達(dá)到最低限值，且增長趨于停滯，這種情況下FOPS無法通過考核。

綜合以上兩種失效形式，建議駕駛室減震結(jié)構(gòu)避免采用彈簧式懸置，而液壓式減震器的支撐性相對較好；立柱等支撐、吸能構(gòu)件材料選用塑性和韌性較好的合金鋼等鎮(zhèn)靜鋼材料為宜；應(yīng)力集中的支撐構(gòu)件上開設(shè)應(yīng)力釋放孔以防止局部陷潰；駕駛室、車架的減震器安裝孔尺寸不宜過大，且應(yīng)適當(dāng)增加墊片厚度；駕駛室、車架連接螺栓采用高強(qiáng)度螺栓。

3.2 公路自卸車駕駛室的被動安全性試驗失效形式

3.2.1 正面撞擊失效形式

（1）駕駛室與車架脫離。這種失效情況原因有，在正面碰撞過程懸置斷裂；減震器螺栓剪切。

（2）駕駛室后圍與車廂擊擠壓侵入生存空間，且碰撞過程中車門開啟。

（3）儀表臺，方向盤擊潰后移，侵入生存空間。

3.2.2 頂部強(qiáng)度失效形式

（1）駕駛室立柱屈服導(dǎo)致的生存空間不足。

（2）車架支撐懸置屈服導(dǎo)致的頂部加載失效。

總結(jié)失效原因認(rèn)為，采用框架式結(jié)構(gòu)設(shè)計的駕駛室力學(xué)傳遞路徑部件一般都采用高強(qiáng)度鋼板，其強(qiáng)度較好，利于留存足夠的生存空間，但吸能性較差，可以通過在撞擊覆蓋面R點投影上下至少400mm區(qū)域內(nèi)增加吸能性結(jié)構(gòu)設(shè)計；內(nèi)部加鋼板空腔結(jié)構(gòu)的駕駛室吸能性較好，所以重點應(yīng)在力傳遞部件的強(qiáng)度上加以關(guān)注，如在駕駛室立柱中加強(qiáng)支撐。

另外合理的駕駛室與車架連接方式非常重要，在設(shè)計時既要考慮到具有一定的支撐強(qiáng)度，又要有效吸收一部分的撞擊能量，這里我們更傾向于彈簧懸置與液壓橡膠懸置結(jié)合的方式。此外，車架連接螺栓采用高強(qiáng)度螺栓，避免連接斷裂造成駕駛室與車架脫離。

4 結(jié)束語

文章對不同類型的自卸駕駛室的被動安全性能要求進(jìn)行了解析，并列舉了實車試驗中的一些典型失效案例，通過對失效原因的分析，提出了自己對改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計的一些見解，供相關(guān)技術(shù)人員參考。最終目的是希望所有自卸車產(chǎn)品的安全性能能夠通過考核，促進(jìn)質(zhì)量提升，減少事故造成的人員傷害。

參考文獻(xiàn)

[1]GB/T 17771-2010.土方機(jī)械 落物保護(hù)結(jié)構(gòu) 試驗室試驗和

性能要求[S].2010.

[2]GB/T 17922-2014.土方機(jī)械 翻車保護(hù)結(jié)構(gòu) 試驗室試驗和

性能要求[S].2014.

[3]GB 26512-2011.商用車駕駛室乘員保護(hù)[S].2011.