拖拉機(jī)防護(hù)裝置靜態(tài)試驗(yàn)的典型失效形式及分析

吳孟，王勇，王欽祥，李先鵬

（250100 山東省 濟(jì)南市 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院）

0 引言

國(guó)家惠農(nóng)、支農(nóng)政策層出不窮，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部出臺(tái)了農(nóng)機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼政策，極大促進(jìn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，拖拉機(jī)作為重要的動(dòng)力機(jī)械，其市場(chǎng)保有量持續(xù)增高，廣泛應(yīng)用于農(nóng)機(jī)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)。

納入補(bǔ)貼范圍的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品應(yīng)按照農(nóng)業(yè)機(jī)械推廣鑒定大綱進(jìn)行試驗(yàn)鑒定，其中輪式拖拉機(jī)應(yīng)滿足DG/T 001-2019 《農(nóng)業(yè)輪式和履帶拖拉機(jī)》。為確保拖拉機(jī)駕駛員的人身安全，大綱規(guī)定了輪式拖拉機(jī)應(yīng)安裝翻傾防護(hù)裝置（駕駛室或安全框架），且防護(hù)裝置的強(qiáng)度應(yīng)符合標(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》或GB/T 21956.3-2015《農(nóng)林用窄輪距輪式拖拉機(jī)防護(hù)裝置強(qiáng)度 試驗(yàn)方法和驗(yàn)收條件 第3 部分：后置式靜態(tài)試驗(yàn)方法》的要求[1]。

1 防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)過(guò)程

1.1 拖拉機(jī)防護(hù)裝置簡(jiǎn)述

拖拉機(jī)防護(hù)裝置是用于避免或減少在正常使用中因車(chē)輛翻滾對(duì)駕駛員造成傷害的結(jié)構(gòu)，主要由安全駕駛室或安全框架構(gòu)成。其特征是具有一個(gè)足夠大的空間作為容身區(qū)，當(dāng)駕駛員坐在其中時(shí)，能對(duì)駕駛員起到保護(hù)作用，并且在發(fā)生翻倒時(shí)使拖拉機(jī)保持在翻倒后的位置不動(dòng)[2]。

安全駕駛室結(jié)構(gòu)一般是頂部框架、立柱、下部框架、地板與擋泥板的焊合體，通過(guò)安裝支架裝配在拖拉機(jī)底盤(pán)上。目前主流的駕駛室結(jié)構(gòu)形式有兩種：一種是六柱式駕駛室(如圖1 所示)，一種是四柱式駕駛室(如圖2 所示)。

圖1 六柱式拖拉機(jī)駕駛室Fig.1 Tractor cab of six-column type

圖2 四柱式拖拉機(jī)駕駛室Fig.2 Tractor cab of four-column type

安全框架結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，目前主流的安全框架結(jié)構(gòu)形式有兩種：一種是簡(jiǎn)易兩柱式安全框架(如圖3 所示)，一種是平地板式安全框架(如圖4 所示)。簡(jiǎn)易兩柱式安全框架通常由上部框架和下部立柱構(gòu)成，通過(guò)下部立柱裝配在拖拉機(jī)后橋殼體上；平地板式安全框架通常由上部框架、中部立柱及下部框架組成，通過(guò)安裝支架裝配在拖拉機(jī)底盤(pán)上。

圖3 簡(jiǎn)易兩柱式安全框架Fig.3 Safe frame of simple two-column type

圖4 平地板安全框架Fig.4 Safe frame of flat floor type

2.2 靜態(tài)試驗(yàn)過(guò)程

GB/T 19498-2017 規(guī)定了普通輪距拖拉機(jī)(后輪最小輪距大于1 150 mm)防護(hù)裝置的靜態(tài)試驗(yàn)方法，其試驗(yàn)順序見(jiàn)表1[2]。

表1 靜態(tài)試驗(yàn)加載順序（普通輪距）Tab.1 Loading order in static test (Normal track)

GB/T 21956.3-2015 規(guī)定了窄輪距拖拉機(jī)(前、后輪最小輪距均小于等于1 150 mm)防護(hù)裝置的后置式靜態(tài)試驗(yàn)方法，其試驗(yàn)順序見(jiàn)表2[3]。

表2 靜態(tài)試驗(yàn)加載順序（窄輪距）Tab.2 Loading order in static test (Narrow track)

3 靜態(tài)試驗(yàn)失效案例與分析

防護(hù)裝置靜態(tài)試驗(yàn)的目的是考核駕駛室或安全框架的強(qiáng)度，在發(fā)生事故時(shí)是否能對(duì)駕駛員起到規(guī)定的保護(hù)作用。在對(duì)防護(hù)裝置進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，防護(hù)裝置失效的情況時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗的因素多種多樣。通過(guò)試驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)際失效案例，對(duì)樣品失效的形式進(jìn)行總結(jié)并分析失效原因。

3.1 結(jié)構(gòu)件發(fā)生斷裂

防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)常用的型材有矩形鋼管、菱形鋼管、異型鋼管、鋼板、槽鋼等，在試驗(yàn)過(guò)程中常出現(xiàn)型材斷裂的情況，失效案例見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 型材斷裂案例Fig.5 The case of section bar fracture

圖6 連接座斷裂案例Fig.6 The case of connecting support fracture

發(fā)生結(jié)構(gòu)件斷裂的原因主要有以下幾點(diǎn)：

（1）型材規(guī)格選取不當(dāng)，型材規(guī)格與拖拉機(jī)的參考質(zhì)量不匹配導(dǎo)致強(qiáng)度不足，必要時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大型材截面或厚度。

（2）型材材料牌號(hào)選取不當(dāng)，如拖拉機(jī)參考質(zhì)量較大，加載能量較大時(shí)，選取低牌號(hào)材料會(huì)出現(xiàn)抗拉強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度不足的情況，必要時(shí)應(yīng)適當(dāng)選取較高牌號(hào)的材料。

（3）型材本身缺陷，型材本身內(nèi)部存在缺陷或型材加工過(guò)程中產(chǎn)生缺陷，如中折彎時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)。

3.2 安裝支架損壞

防護(hù)裝置與拖拉機(jī)底盤(pán)的連接完全依靠安裝支架，安裝支架結(jié)構(gòu)形式一般都是鋼板的焊合體，安裝支架的強(qiáng)度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響至關(guān)重要。在試驗(yàn)過(guò)程中因安裝支架的損壞導(dǎo)致試驗(yàn)失敗的情況占比最高，失效案例見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 安裝支架損壞案例1Fig.7 Case 1 of mounting bracket fracture

圖8 安裝支架損壞案例2Fig.8 Case 2 of mounting bracket fracture 2

發(fā)生安裝支架損壞的原因主要有以下幾點(diǎn)：

（1）安裝支架鋼板厚度選取不當(dāng)，如鋼板厚度過(guò)小會(huì)導(dǎo)致加載時(shí)出現(xiàn)斷裂，如鋼板厚度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致加載時(shí)安裝支架難以變形吸收能量。

（2）安裝支架焊接質(zhì)量差，導(dǎo)致加載過(guò)程中安裝支架焊縫開(kāi)裂。

（3）安裝支架螺栓孔尺寸設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致螺栓從裝配孔脫出的情況時(shí)有發(fā)生。

3.3 部件侵入容身區(qū)

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在各項(xiàng)試驗(yàn)期間不得有任何零部件侵入容身區(qū)。試驗(yàn)時(shí)不得有任何零件撞擊座椅，同時(shí)容身區(qū)不應(yīng)超出防護(hù)裝置的保護(hù)范圍。在試驗(yàn)過(guò)程中，侵入容身區(qū)導(dǎo)致試驗(yàn)失敗的情況時(shí)有發(fā)生，失效案例見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 縱向加載侵入容身區(qū)案例Fig.9 The case of invading clearance zone in longitudinal loading

圖10 側(cè)向加載侵入容身區(qū)案例Fig.10 The case of invading clearance zone in lateral loading

侵入容身區(qū)的原因主要有以下幾點(diǎn)：

（1）防護(hù)裝置選用型材不合理，導(dǎo)致框架整體剛度偏低，試驗(yàn)時(shí)加載力偏小且變形量偏大；

（2）防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，后部與座椅距離偏小容易導(dǎo)致縱向加載時(shí)侵入容身區(qū)，寬度偏小容易導(dǎo)致側(cè)向加載時(shí)侵入容身區(qū)。

3.4 焊接質(zhì)量差

防護(hù)裝置的主體結(jié)構(gòu)是一個(gè)焊合的整體，任何位置焊接存在缺陷都會(huì)導(dǎo)致加載過(guò)程中樣品的失效，因此焊接質(zhì)量是影響防護(hù)裝置強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。失效案例見(jiàn)圖11、圖12。

圖11 結(jié)構(gòu)件開(kāi)焊案例1Fig.11 Case 1 of structure welding fracture

圖12 結(jié)構(gòu)件開(kāi)焊案例2Fig.12 Case 2 of structure welding fracture

發(fā)生開(kāi)焊的情況主要有以下幾點(diǎn)：

（1）焊縫高度偏小，導(dǎo)致焊接強(qiáng)度不足；

（2）焊縫焊接不均勻，存在虛焊的位置，導(dǎo)致焊接強(qiáng)度不足；

（3）焊接材料選取不當(dāng)，導(dǎo)致焊縫容易開(kāi)裂。

3.5 其他因素

安裝支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致試驗(yàn)過(guò)程中橡膠減振墊損壞脫出，駕駛室與安裝支架失去連接，無(wú)法繼續(xù)承載。失效案例見(jiàn)圖13。

圖13 橡膠減振墊脫開(kāi)案例Fig.13 The case of damping pad falling off

加載過(guò)程中，出現(xiàn)螺栓拉斷的情況，產(chǎn)生原因是螺栓強(qiáng)度不足，應(yīng)根據(jù)拖拉機(jī)參考質(zhì)量的大小選取螺栓規(guī)格，必要時(shí)選用直徑較大的螺栓或機(jī)械性能等級(jí)較高的螺栓。

加載過(guò)程中，拖拉機(jī)底盤(pán)鑄造件斷裂導(dǎo)致無(wú)法繼續(xù)試驗(yàn)，產(chǎn)生原因有兩種：一是材料選取不當(dāng)導(dǎo)致強(qiáng)度不足，必要時(shí)可將HT200 提高至QT450；二是存在砂眼、氣孔等鑄造缺陷。

4 結(jié)論

拖拉機(jī)防護(hù)裝置靜態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)是考核其強(qiáng)度的重要手段，前期已經(jīng)進(jìn)行了不同結(jié)構(gòu)型式防護(hù)裝置樣品的靜態(tài)試驗(yàn)，包括典型機(jī)構(gòu)的駕駛室和安全框架。

在前期試驗(yàn)中收集了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)其中的典型失效型式進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)每種失效形式產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了分析。

典型失效案例的解析可以對(duì)拖拉機(jī)防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供技術(shù)支持，從結(jié)構(gòu)和工藝上避免容易出現(xiàn)的失效情況，也能夠提高防護(hù)裝置靜態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)的通過(guò)率。