工程车辆翻车保护装置加载试验解读

驾驶室上加装翻车保护装置的目的，是为了在翻车事故中保障驾驶员的生命安全和减少财产损失。1967年11月，美国工程与工业机械技术协会首先提出了在工作环境恶劣、易翻车的矿用自卸车上配装适当的保护装置。而现在配备性能合格的翻车保护装置，已成为发达国家对工程车辆的强制性要求。

1.主要结构

工程车辆翻车保护装置有2种：一种是安装在驾驶室外的独立式的翻车保护装置。其骨架与驾驶室底板通过螺栓连接在一起，驾驶室底板通过减振装置与支架连接，然后再通过螺栓与车架连接。另一种是翻车保护装置与驾驶室制做成一体，它以翻车保护装置作为驾驶室的骨架，驾驶室底部的加强筋则与车架通过螺栓连接，这种驾驶室被称为安全驾驶室。

图1为某矿用自卸车安全驾驶室结构，其翻车保护装置为四支柱框架焊接结构，由4根立柱、顶部4根横梁和盖板焊接而成。4根立柱下端向外侧倾斜一定角度，立柱上端与横梁焊接在一起，形成左、右面与前、后面均呈梯形的主体承载结构。安全驾驶室整体通过减振垫、螺栓与车架连接。

图1 某矿用自卸车安全驾驶室结构

2.性能要求

国际标准ISO3471：1994中，对工程车辆翻车保护装置的4项性能要求如下：

一是最小侧向承载能力。其作用是保证翻车时该装置能穿入未冻土壤，阻止车辆的进一步翻滚。

二是最小能量吸收能力。其作用是保证翻车后该装置会产生挠曲，有抵抗连续冲击的能力。

三是垂直承载能力。其作用是保证车辆处于颠覆状态时，已经变形的翻车保护装置能支撑住整个车辆，以避免司机被轧伤。

四是纵向承载能力。其作用是保证当车辆横向翻车时，该装置能穿入土壤，防止车辆进一步翻滚。

3.加载试验特点

加载试验是评价和改进翻车保护装置性能的一种十分有效的途径。根据 ISO3471的规定，翻车保护装置加载试验之前，必须在其相关部位标定出各个方向的载荷作用点，并按最恶劣的条件加载。加载顺序是侧向—垂直方向—纵向。在加载过程中，不得对翻车保护装置进行校正或维修。

其中的侧向加载是最苛刻的试验，多数不符合要求的翻车保护装置是因为侧向承载能力达不到要求，或者侧向能量吸收达不到要求。垂直加载不合格的原因多数情况是因为翻车保护装置顶部构件刚度太小，巨大的垂直载荷使被加载构件形成了塑性铰梁机构，从而导致翻车保护装置变形过大。纵向加载不合格的原因，是纵向承载构件局部刚度不连续或者纵梁刚度太小，导致塑性铰提前形成，无法继续提高承载能力。

此外，翻车保护装置变形过大，也会导致纵向加载不合格。减振垫在翻车保护装置和车架间传递较大载荷，若驾驶室采用没有经过改进的普通减振垫，将导致侧向或纵向加载工况中翻车保护装置无法继续承载。

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4. 加载试验后的损坏情况

翻车保护装置加载过程中产生的损坏主要有以下5种：

(1) 翻车保护装置本身损坏

表现在其主体结构强度不够，变形量过大，出现材料断裂、焊缝开裂现象，失去保护作用。

(2) 连接支架变形及开焊

翻车保护装置一般通过焊接在其底部的支架与车架连接，有些工程车辆通过螺栓将翻车保护装置的下纵梁与车架连接。若在加载过程中，支架承受较大弯矩，将使支架变形。当支架变形到一定程度后，翻车保护装置与支架之间的焊缝便会开裂，严重时可导致翻车保护装置脆性破坏，使翻车保护装置失去承载能力。

(3) 翻车保护装置面板损坏

如果翻车保护装置骨架的刚度较小，其在加载过程中将产生较大变形量，同时其外部焊接的面板（由薄钢板制作）也要抵抗一部分外力，由此可导致面板出现撕裂、打褶现象。

(4) 连接螺栓折弯拉断

翻车保护装置在侧向加载过程中，其与车架的连接螺栓承受的拉应力和剪应力很大，由此导致螺栓容易出现折弯和拉断现象。如果连接螺栓断裂，或者支架连接板螺栓孔处被撕裂，将使翻车保护装置与车架分离，从而导致翻车保护装置承载能力下降。

(5) 减振垫失效

橡胶减振垫会因受压而严重变形。当横向力太大时，橡胶减振垫局部会因受到剪切力作用而破裂。侧向加载时，减振垫承受较大拉力，此时若减振垫硬度不足，在拉力作用下产生断裂，将造成翻车保护装置与车架分离。

5.应用实例

图1所示矿用自卸车翻车保护装置的立柱与横梁材料均为Q235，该装置在垂直加载时出现立柱与横梁连接处焊缝断裂现象。

使用有限元分析软件ANSYS对其进行检测时，发现竖直加载结束后，其最大应力为480 MPa，最大应力点分布在各立柱与上横梁连接处。由于加载时最大应力已达Q235材料的极限，且连接处为焊接而成，存在着应力集中现象，从而导致焊缝开裂。图2所示为垂直加载后翻车保护装置（ROPS）的应力分布图，从蓝色到红色表示应力逐渐增加，红色为应力最大的部位。

图2 垂直加载后翻车保护装置应力图；图3垂直加载后ROPS与DLV的相对位置关系

图3所示为垂直加载后ROPS（翻车保护装置）与DLV（挠曲极限量）的相对位置关系。DLV是指高大男性司机穿普通衣服、戴安全帽、坐姿的垂直投影近似值，是人体的极限生存空间。在对ROPS进行实验室鉴定时，DLV用以规定与驾驶员安全有关的ROPS变形不得侵入空间的相对位置。

从图3可以看出，加载结束后翻车保护装置竖直方向的最大变形量为127 mm，侧向变形量为518 mm。驾驶室顶部与 DLV 的最小距离虽还有33 mm，但其侧面已侵入 DLV 的上部区域，这说明该驾驶室不能满足国际标准要求。

以上分析结果表明，强度不足和应力集中导致该翻车保护装置出现焊缝断裂，刚度不足导致该翻车保护装置变形太大而侵入DLV区域，这2个方面都不满足国际标准要求。

为此，我们对该车的翻车保护装置做了如下2项改进：一是将翻车保护装置骨架的方管钢材尺寸由60 mm×60 mm改为100 mm ×100 mm，以增加其强度和刚度。二是在立柱内侧加工出直径为20 mm的应力释放孔，将应力从焊缝转移至母材。

对改进后的翻车保护装置重新进行检测，其最大应力值为450 MPa，未超过材料强度极限，翻车保护装置的变形也没有侵入DLV区域，完全能满足国际标准的要求。

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责任编辑：Alley