一種農(nóng)業(yè)機(jī)械安全駕駛室靜壓強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

卞兆娟 李和清 劉勇

0 前言

車(chē)輛駕駛室翻車(chē)防護(hù)裝置（Rollover Protective Structures ROPS）是一種在車(chē)輛發(fā)生翻車(chē)事故時(shí)，能有效吸收車(chē)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(guò)提供一定間隙空間來(lái)保護(hù)駕駛員在駕駛室內(nèi)安全，從而降低人員嚴(yán)重受傷的可能性。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械現(xiàn)代化的不斷推進(jìn)，農(nóng)林類(lèi)機(jī)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(jī)是一種至少有兩根軸的自走式的輪式（或履帶式）車(chē)輛，主要用作牽引拖車(chē)或用于攜帶、推動(dòng)農(nóng)業(yè)和林業(yè)機(jī)械及機(jī)具，也可根據(jù)需要，為配備機(jī)具（如旋耕機(jī)、播種機(jī)等）提供動(dòng)力[2]。

農(nóng)林拖拉機(jī)翻車(chē)防護(hù)裝置的使用大大降低了駕駛員由于翻車(chē)事故造成受傷的風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)外一些研究調(diào)查表明，增加了防護(hù)裝置后，拖拉機(jī)在發(fā)生翻車(chē)事故時(shí)，可以將其造成的傷亡事故大大降低[3]。我國(guó)在農(nóng)林拖拉機(jī)防護(hù)裝置上的研究相對(duì)國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)較晚，技術(shù)研究深度和廣度有限，目前所公開(kāi)的研究和報(bào)道文獻(xiàn)數(shù)量也較少?；贕B/T 19498-2017《農(nóng)林拖拉機(jī)防護(hù)裝置 靜態(tài)試驗(yàn)方法和驗(yàn)收技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)一種農(nóng)業(yè)機(jī)械安全駕駛室靜壓強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的生產(chǎn)、試驗(yàn)、使用及維護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)GB/T 19498-2017《農(nóng)林拖拉機(jī)防護(hù)裝置 靜態(tài)試驗(yàn)方法和驗(yàn)收技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)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(yàn)和垂直壓垮（后壓垮、前壓垮）試驗(yàn)。因此，該試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)能完成兩大試驗(yàn)的所有內(nèi)容。

1.1 水平加載試驗(yàn)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(dòng)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(guò)螺栓進(jìn)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(jì)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(jì)了一個(gè)沿垂直加載梁方向的絲杠螺母機(jī)構(gòu)，絲杠螺母與電機(jī)連接，通過(guò)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)傳動(dòng)控制及絲杠螺母機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)水平液壓加載油缸上下位置的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同高度的被試驗(yàn)拖拉機(jī)防護(hù)裝置進(jìn)行水平加載試驗(yàn)。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(jì)了水平方向絲杠螺母，絲杠螺母與電機(jī)連接，通過(guò)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)傳動(dòng)控制及水平絲杠螺母機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)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(yàn)時(shí)水平加載裝置對(duì)其加載位置的精確控制。鋼絲繩電動(dòng)葫蘆安裝于垂直加載在橫梁的末端，并平行于地面，電動(dòng)葫蘆的鋼絲繩與水平液壓加載油缸垂直連接，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)葫蘆，根據(jù)傾角位移傳感器所采集到的信號(hào)，精確地實(shí)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(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水平加載試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 壓垮試驗(yàn)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(guò)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(jī)的型號(hào)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(duì)不同型號(hào)的農(nóng)林拖拉機(jī)進(jìn)行靜壓強(qiáng)度試驗(yàn)。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(gè)。兩個(gè)液壓加載油缸與水平加載實(shí)驗(yàn)中的液壓站連接，兩個(gè)拉力傳感器均連接至電氣控制系統(tǒng)，用于完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和控制。壓垮加載試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 壓垮加載試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)加載順序及方法

該試驗(yàn)臺(tái)的翻車(chē)防護(hù)裝置靜壓強(qiáng)度試驗(yàn)系統(tǒng)包括機(jī)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(guò)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(guò)對(duì)液壓閥的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)所有加載載荷大小的自動(dòng)控制，通過(guò)對(duì)流量閥的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)時(shí)加載速度的調(diào)節(jié)，確保試驗(yàn)時(shí)的加載速度符合加載標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)據(jù)采集及電氣控制系統(tǒng)控制液壓泵站工作，進(jìn)而對(duì)被試驗(yàn)拖拉機(jī)的防護(hù)裝置施加載荷，同時(shí)利用傳感器來(lái)測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中載荷和位移的變化量，然后用高速采集卡對(duì)傳感器所獲得的測(cè)量值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)交給計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示等處理，并對(duì)比所設(shè)定的值來(lái)分析試驗(yàn)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(dá)到對(duì)整個(gè)拖拉機(jī)防護(hù)裝置強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程閉環(huán)控制的目的。

2.1 試驗(yàn)順序

根據(jù)GB/T 19498-2017《農(nóng)林拖拉機(jī)防護(hù)裝置靜態(tài)試驗(yàn)方法和驗(yàn)收技術(shù)條件》規(guī)范的試驗(yàn)加載內(nèi)容所進(jìn)行的試驗(yàn)須嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)依次進(jìn)行，且全部試驗(yàn)必須在同一防護(hù)裝置上進(jìn)行，試驗(yàn)期間不得進(jìn)行維修和加固[4]。試驗(yàn)加載順序見(jiàn)圖3。

2.2 試驗(yàn)方法

該試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)方法嚴(yán)格遵循GB/T 19498-2017《農(nóng)林拖拉機(jī)防護(hù)裝置 靜態(tài)試驗(yàn)方法和驗(yàn)收技術(shù)條件》中8.4（試驗(yàn)順序）、8.5（水平加載驗(yàn)）、8.6（壓垮試驗(yàn)）、8.7（第二次縱向加載試驗(yàn)）幾部分所給出的試驗(yàn)條件和方法進(jìn)行試驗(yàn)。

圖3 試驗(yàn)加載順序圖

2.2.1 縱向加載試驗(yàn)

對(duì)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(jī)，施加的載荷應(yīng)該作用在后面；其余拖拉機(jī)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(diǎn)）均正確，縱向加載試驗(yàn)才可進(jìn)行。

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

2.2.2 第一次壓垮試驗(yàn)

試驗(yàn)2（第一次壓垮試驗(yàn)）也稱(chēng)為后壓垮試驗(yàn)，是在試驗(yàn)1順利完成的前提下進(jìn)行的。載荷施加方向應(yīng)在防護(hù)裝置加載的同一端，使壓垮合力作用在垂直基準(zhǔn)面內(nèi)。載荷大小設(shè)定為20M（M為拖拉機(jī)質(zhì)量）。當(dāng)壓垮合力等于設(shè)定值時(shí)，防護(hù)裝置不再產(chǎn)生任何可見(jiàn)的變形后，再維持5秒，該試驗(yàn)即結(jié)束。需要注意的是，如果防護(hù)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(chē)時(shí)能支撐拖拉機(jī)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(jī)翻車(chē)時(shí)能支撐拖拉機(jī)的部位，然后施加全部載荷，壓垮加載試驗(yàn)如圖5所示[2]。

圖4 縱向加載示意圖

圖5 壓垮加載試驗(yàn)示意圖

2.2.3 側(cè)向加載試驗(yàn)

在試驗(yàn)2（第一次壓垮試驗(yàn)）順利結(jié)束之后，進(jìn)行試驗(yàn)3（側(cè)向加載試驗(yàn)）。應(yīng)確定拖拉機(jī)座椅側(cè)置或防護(hù)裝置強(qiáng)度是否對(duì)稱(chēng)，若不對(duì)稱(chēng)，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(dāng)拖拉機(jī)發(fā)生翻車(chē)事故時(shí)，對(duì)操作員構(gòu)成最大危險(xiǎn)的一側(cè)），施加的載荷方向應(yīng)與拖拉機(jī)的中心面垂直。載荷的作用點(diǎn)應(yīng)在防護(hù)裝置最上端的橫向構(gòu)件上距離駕駛坐標(biāo)點(diǎn)（SIP）前（160-ah）mm處（拖拉機(jī)發(fā)生翻車(chē)事故時(shí)該位置首先觸地的可能性最大）[5]，對(duì)于雙向行駛的拖拉機(jī)，則載荷作用點(diǎn)應(yīng)在防護(hù)裝置最上端，且在兩駕駛坐標(biāo)點(diǎn)（SIP）間的中點(diǎn)處。施加載荷的大小，應(yīng)根據(jù)防護(hù)裝置所吸收的能量進(jìn)行判斷，當(dāng)出現(xiàn)防護(hù)裝置吸收能量大于或等于所設(shè)定能量值或防護(hù)裝置侵入容身區(qū)或容身區(qū)超出了防護(hù)裝置的保護(hù)范圍這類(lèi)情況時(shí)，應(yīng)停止側(cè)向加載試驗(yàn)。側(cè)向加載試驗(yàn)如圖6所示[2]。

圖6 側(cè)向加載試驗(yàn)示意圖

2.2.4 第二次壓垮試驗(yàn)

試驗(yàn)3（側(cè)向加載試驗(yàn)）順利完成后，將進(jìn)行試驗(yàn)4（第二次壓垮試驗(yàn)），試驗(yàn)4也稱(chēng)之為前壓垮試驗(yàn)。試驗(yàn)4與試驗(yàn)2（第一次壓垮試驗(yàn)）試驗(yàn)內(nèi)容基本相同，僅是第二次壓垮試驗(yàn)載荷加載點(diǎn)發(fā)生了變化（從后端對(duì)稱(chēng)平移到前端），其他條件均保持不變。試驗(yàn)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(yàn)

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

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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

4 結(jié)論

（1）該試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械加載裝置包括水平加載試驗(yàn)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(yàn)方法完成縱向加載試驗(yàn)、第一次壓垮試驗(yàn)、側(cè)向加載試驗(yàn)、第二次壓垮試驗(yàn)和第二次縱向加載試驗(yàn)。

圖7 縱向水平加載試驗(yàn)曲線

圖8 第一次壓垮試驗(yàn)曲線

（2）該試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械加載裝置可以通過(guò)拆卸底座與地面連接的螺栓，用行車(chē)吊起整個(gè)裝置，從而改變加載方向，實(shí)現(xiàn)“旋轉(zhuǎn)”操作；壓垮加載裝置可以靈活地移動(dòng)和固定液壓加載油缸的位置，以滿足不同類(lèi)型的加載試驗(yàn)[6-9]。

（3）該試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)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(biāo)均能精確、方便地實(shí)現(xiàn)測(cè)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(hào)的農(nóng)林拖拉機(jī)進(jìn)行防護(hù)裝置靜壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

隨著我國(guó)農(nóng)林、農(nóng)業(yè)機(jī)械化的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用量日益增多，一個(gè)合格的拖拉機(jī)翻車(chē)防護(hù)裝置能有效地保護(hù)駕駛員的人身安全。目前，我國(guó)在該領(lǐng)域的先進(jìn)研究成果不多，根據(jù)國(guó)家最新標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19498-2017《農(nóng)林拖拉機(jī)防護(hù)裝置靜態(tài)試驗(yàn)方法和驗(yàn)收技術(shù)條件》所規(guī)定的農(nóng)林拖拉機(jī)試驗(yàn)內(nèi)容，設(shè)計(jì)而成的此種安全駕駛室靜壓強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)，可為后續(xù)翻車(chē)防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)制造和研究提供可靠的參考價(jià)值。