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WJ-3地下铲运机驾驶室落物保护装置分析

发表时间：2021/5/19 来源：《基层建设》2020年第35期作者：马玉华孟海滨

[导读] 摘要：地下铲运机作为大型工程机械，它是集液压技术、微电子技术、传感检测技术、计算机控制及现代控制等多技术于一体，具有显著的机、电、液一体化特征。

        徐州徐工基础机械工程有限公司江苏徐州 221000
        摘要：地下铲运机作为大型工程机械，它是集液压技术、微电子技术、传感检测技术、计算机控制及现代控制等多技术于一体，具有显著的机、电、液一体化特征。工程机械所处工作环境通常都很恶劣，具有高速、重载、能耗大、维护条件差等特点，并且受到环境保护、自重和安装空间限制，所以对驾驶室在工况下的适应性和工作可靠性、安全性等多方面有了更高的要求。
        引言
        在工程机械及农业生产领域，为了确保司机在车辆出现翻车事故中的安全，国际上发达国家做了大量的工作，瑞典1959年就建立了相关保护规定；许多国际知名公司1977年开始使用各种不同类型的翻车保护装置；国际标准化组织1981年制定了相关的标准ISO3471和ISO3164，并在以后的十年间进行了几次修订。
        我国在1986年制定了国标GB7121《农用轮式拖拉机防护装置强度试验方法和验收条件》；在1994年又制定了机械部标准JB7325《农林窄轮距轮式拖拉机防护装置强度试验方法和验收条件》；在1999年国家质量技术监督局发布了国标GB17771《土方机械-落物保护结构实验室试验和性能要求》、GB17772《土方机械-保护结构实验室鉴定挠曲限量的规定》和GB17922《土方机械-翻车保护结构实验室试验和性能要求》等相关标准，等效采用了国际标准，但对标准的执行方式上与国际上存在不同程度的差异。本文的模拟是在GB17771和GB17772基础上进行的。
        1.1 WJ-3落物保护装置（FOPS）有限元分析
        落物保护结构FOPS（Falling Object Protective Structures）是泛指工程车辆驾驶室外的一种加强钢框架结构系统，其主要功能是驾驶室遭遇落物冲击时能有效抵抗冲击引起的过变形，保障操作人员生命安全，最大限度地降低事故造成的损失。与驾驶室做成一体，与ROPS（Roll-over Protective Structures翻车保护装置）一般是一整体的钢架结构系统，合称为ROPS&FOPS 系统。不同类型的工程机械可有不同形式的驾驶室，但FOPS 结构基本都是由框架和覆盖板构成。FOPS 装在车辆机架上，其框架底部固定，覆盖板焊接于框架顶部。研究中使用的WJ-3落物保护结构模型如图1-1所示。

        图1-1 ROPS&FOPS模型
        1.1.1 国际标准中对FOPS 的抗冲击性能及试验规则要求
        车辆在实际工作中遇到落物的情况千变万化，无论是落物的种类还是落下时产生的冲击能量，均难以用统一的方法再现和表示。为了FOPS 的抗冲击性能要求有统一的衡量方法，在ISO3449：1992 中规定了具体实施落物试验时应遵守的规定：即用能产生11600J的标准落锤自由落下冲击FOPS，标准落锤尺寸如图1-2所示；落锤重心应落在覆盖板内相对薄弱的部位，冲击中心选在DLV在覆盖板的垂直投影区域且尽可能靠近覆盖板的中心位置，如图1-3所示；落锤的下落高度决定于落锤的质量大小，要保证产生不小于11.600J的能量；评定FOPS 抗冲击性能的标准是在落锤的初次和以后的撞击下 ROPS&FOPS 的任何部分变形不得进入DLV，且FOPS 不应被落锤击穿，否则认为该FOPS 不合格。

        图1-2 标准落锤

        图1-3 落锤的落点位置
        1.1.2 落物保护装置有限元分析理论研究
        FOPS 在落物冲击下要经过弹性变形、流动屈服变形、塑性强化变形、甚至被击穿，整个变形过程包含了材料非线性、接触非线性和几何大变形。FOPS的冲击有限元数值计算的核心问题包括：整体数值解法、材料特性、结构单元的选择、接触问题的处理，对这些问题的理解和正确处理对于提高仿真结果的可靠性是非常重要的。
        本文应用LS—DYNA显式非线性动力分析有限元程序求解。该软件具有功能齐全的几何非线性（大位移、大转动和大应变）、材料非线性（100多种材料模型）和接触非线性（30多种）程序。以显式求解为主，兼有隐式求解的功能；以非线性动力学分析为主，兼有静力分析功能的通用结构分析非线性有限元程序。可以求解各种二维和三维非弹性结构的碰撞、爆炸和模压大变形动力响应。可充分解决冲击体系时间积分、材料特性、接触面等问题。
        1.1.3 FOPS动态冲击仿真分析模型
        WJ-3铲运机FOPS受落锤冲击响应的有限元模型如图1-4所示，该模型主要由FOPS 顶盖板与加强梁、ROPS支架（此铲运机驾驶室为FOPS&ROPS 一体式安全驾驶室）和落锤等构成。采用板壳单元划分FOPS&ROPS驾驶室，采用实体单元模拟落锤。根据驾驶室装配图纸利用焊接单元将FOPS、ROPS、加强梁、支架焊接装配成整体有限元模型，此模型中共有体单元49648 个、壳单元75625个、焊接单元566个、节点118299个。FOPS模型结构材料有Q345和Q235两种，通过材料屈服极限和剪切模量定义材料属性如表1-1所示，应力—应变关系均采用理想弹塑性模型描述。

        图1-4 FOPS有限元模型
        表1-1 材料属性

        1.1.4 边界条件与计算方法
        为模拟车架对驾驶室的固定作用，在驾驶室铰接孔中心线处施加全约束，即约束对应节点的所有自由度。根据驾驶室座椅位置确定DLV位置，为保证落锤完全落在DLV 投影面内，落锤冲击位置位于座椅中心正上方直径为200mm的顶平面区域内。
        落锤的形状和作用位置按照ISO3449 确定。根据形状体积计算设定其为密度8.6g/cm3，质量为338kg的刚性体，在冲击过程中相对FOPS结构不发生变形。落锤作用位置预先确定的直径为200mm 的圆内冲击FOPS 的顶平面。在冲击模拟过程中，为节省时间，将图1-4中落锤设在距FOPS20mm高度处，给予一初速度，忽略空气阻力、重力使其匀速下落，以保证落锤在冲击FOPS的瞬间能产生11600J冲击能量，根据能量守恒E=1/2mv2计算，落锤初速度为8.29 m/s，可以满足以上的要求。FOPS 顶平面与落锤的相互作用关系通过定义的面—面接触对传递，以准确模拟FOPS 的冲击响应。

        图1-5 FOPS位移分布云图
        1.1.5 驾驶室FOPS动态冲击有限元分析结果
        利用LS- DYNA 强大分析功能可以获得整个冲击过程中不同时刻的应力、应变分布和变形量分布图及曲线图。经过计算模拟，在t = 0. 011493s，FOPS覆盖板垂直Y方向变形量达到最大值40.37mm，由此可知施加冲击力后顶部横梁的下表面距座椅顶端634.786mm（675.156 -40.37=634.786）mm，远大于DLV顶面至距座椅顶端距离。因此在落锤的冲击下FOPS构件没有侵入DLV。FOPS覆盖板垂直Y方向变形量位移分布云图如图1-5所示，有图可知Y方向最大变形量位于加载冲击中心位置并向周围扩散成凹陷状。
        最大变形位移处的位移响应曲线如图1-6所示，由变形曲线可知落锤冲击后覆盖件发生接近10mm的回弹，弹性恢复后变形量为30mm即垂直Y方向发生30mm的塑性变形。

        图1-6 最大变形位移处的位移响应曲线
        在变形位移最大时刻冲击载荷引起的等效应力如图1-7所示，此时ROPS支架等效应力最大值达到屈服极限345MPa，FOPS构件冲击区域等效应力达到屈服极235MPa，即落物保护装置构件受冲击区域已经发生塑性变形，金属的塑性变形吸收了大部分冲击能量但未被击穿。

        图1-7 FOPS等效应力分布云图
        整个系统的能量变化曲线如图1-8所示，落锤在冲击过程中落锤动能迅速转化为覆盖件内能，覆盖件弹性变形部分发生完全回弹释放一小部分内能，塑性变形部分则吸收了大概10.2KJ的内能，系统总能量保持不变。

        图1-8   FOPS动态冲击仿真系统能量变化
        综上所述，驾驶室结构的强度是合理的，能够满足国标规定，并且应用于铲运机中，本文进对驾驶室落物保护装置进行了分析，以后将对驾驶室防倾翻进行方案优化及设计。