关于拖拉机安全驾驶室的分析

专业文献综述

题目: 关于拖拉机安全驾驶室的分析

姓名:

学院: 工学院

专业: 农业机械化及其自动化

班级: 农机91

学号:

指导教师: 职称: 教授

2013 年3 月2 日

南京农业大学教务处制

关于拖拉机安全驾驶室的分析

摘要：拖拉机驾驶室是拖拉机工作的一个关键位置，也是拖拉机驾驶员工作和操作拖拉机的核心位置。因此保证拖拉机驾驶室的安全既保证了驾驶员的人身安全也能保证拖拉机的正常行驶和工作。拖拉机在行驶和作业时，经常会遇到一些意外情况，危及驾驶员的人身安全。这种危险有两种，一种可能是外来的飞溅物由于受力击穿驾驶室而伤害驾驶员，另一种是由于行驶或作业路况的不平整，或斜坡、坑洼等路况所造成的侧翻或翻车。这时将有可能威胁到驾驶员的安全。本文对拖拉机驾驶室的安全性能进行研究分析。

关键词：拖拉机；驾驶室；安全

Analysis on the tractor safety cab

Abstract：The tractor cab is a key position in the tractor work, and also a tractor driver working and operating tractors core position. Therefore, to ensure the safety of tractor cab ensures the driver's personal safety can ensure the normal running of tractor and work. Tractor driving and operating, often encountered some unforeseen circumstances, endanger the personal safety of the driver. The risk has two kinds, one is external splash because of stress breakdown cab driver and hurt, another is due to travel or work road unevenness, or slope, potholes, traffic caused by rollover or overturned. This will potentially threaten the safety of the driver. Research and analysis on the safety performance of tractor cab.

Key words: tractor；the tractor cab；safety

引言：安全驾驶室设计的核心是确保安全空间,其强度特性是在保证安全空间的基础上,保证结构完整性的同时,允许结构塑性变形。当车辆发生翻车等意外事故时,冲击能量通过驾驶室结构的变形吸能和耗散,在一定的变形模式下,车辆应能承受较大的撞击载荷,最大限度地吸收能量,使结构变形向有利于保护驾驶员空间的方向发展,把传递给驾驶员的碰撞能量降低到最小。若变形侵入驾驶员容身空间,则必危及到驾驶员生命[1]。

正文：拖拉机是一种用来拖拉，牵引其他不能自行移动设备的装备。一般来说，它是一种用来拖拽其他车辆或设备的车辆。用于牵引和驱动作业机械完成各项移动式作业的自走式动力机。也可做固定作业动力。由发动机、传动、行走、转向、液压悬挂、动力输出、电器仪表、驾驶操纵及牵引等系统或装置组成。发动机动力经传动系统传给驱动轮，使拖拉机行驶。

拖拉机属于工程车辆，由于工程车辆属于非公路车辆，其工作环境复杂、行驶路况恶劣、承载运行时整车的稳定性下降等原因，致使翻车事故经常发生，尤其是采用铰接式车架的工程车辆稳定性较差，更容易导致翻车事故[2]，严重威胁着司机的生命安全；再者，工程车辆本身的车体质量较大，翻车事故造成的致命伤害率极高。当前,我国用中、小型轮式拖拉机完成农业作业有较快的发展趋势,而农业作业的工作环境十分恶劣。国外大量统计资料表明,在农业作业中,由于拖拉机翻车而造成的人身伤亡事故约占农机总伤亡事故的70%。由翻车引起伤亡的主要原因,一是没有牢固的安全架装置,受到撞击后,驾驶员必需的容身空间受到侵犯,引起窒息性伤亡;二是没有吸收冲击能量的装置,使翻车后往往产生连续滚翻,人员受到冲撞使伤害严重[3]。轮式拖拉机驾驶室在发生翻车事故时，受到巨大的冲击载荷，结构往往产生很大的变形，对驾驶员的生命安全构成威胁，为此，驾驶室的安全强

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度引起人们的极大关注。国际、国内都制定了一些轮式拖拉机驾驶室安全强度的试验标准和验收条件，一些欧洲国家还立法规定:新的拖拉机必须安装经过批准的安全驾驶室[4]。

驾驶室保护装置起到保护驾驶员的基本机理是:在发生落物事故时，保护驾驶员不被下落物体击中;在发生翻车事故时，遇到较软的地面保护结构能够扎入地面并支撑机器的自重、遇到硬地面时保护结构能发生塑性变形吸收冲击能量，并能承受一定的载荷，同时能留给驾驶员一定的生存空间[5]。

一个安全的驾驶室结构要求当拖拉机发生翻车等意外事故时，能够抵抗撞击和压力载荷，保证驾驶员的容身空间不受侵犯，同时应允许结构有一定的屈服变形，以吸收外部的撞击能量，这就是其安全强度准则。为了在翻车事故中保障司机的生命安全，当前最有效的方法是在工程车辆上加装翻车保护结构（Roll-over protective structure，简称ROPS [6]）。翻车保护结构具有一系列的结构件，它的作用是当工程车辆翻车时，减小挤伤系安全带坐着的司机的可能性。翻车保护结构工作时处于弹塑性变形阶段，甚至其整体会进入塑性机构变形阶段，而且使用一次就必须报废。这就使工程车辆翻车保护结构的设计方法与传统的弹性范围内的结构设计方法还有着本质的区别：第一，ROPS的设计计算属于塑性大变形设计，塑性大变形设计理论还不成熟，至今仍是结构力学和现代机械设计方法领域着力研究的课题之一；第二，ROPS 的设计同时包含刚度设计、强度设计和能量设计，三者之间还存在相互制约的问题。再者，工程车辆的整机质量、整车稳定性、驾驶室结构、工作环境、翻车工况等使其ROPS 的设计与汽车的碰撞控制结构设计的理论、方法[7,8]也有很大差别，尤其是大型工程车辆的ROPS[9]。

国内外研究

在国际上，工程车辆驾驶室保护结构的出现可以追溯到1976年，当时工程车辆己相当普遍地使用在各类大型施工中。由于工程车辆属非路面车辆，工作环境恶劣，落物和翻车事故难以避免。为了保障驾驶员的生命安全，降低财产损失，1967年11月美国工程与工业机械技术协会(Construction and Industrial Machinery Technical Committee简称CIMTC)首先提出了在工作环境恶劣、易出事故的铲土运输机械(Earth Moving Machinery)上安装适当的保护结构。1969年7月，该组织正式将发生落物事故时保护驾驶员安全的结构称为落物保护结构(Falling object protective Structures，简称为FOPS)。1972年CIMTC提出了评价FOPS性能的实验室静态检测方法和挠曲极限量(简称DLV [10])的定义，从而使FOPS 有了统一的试验规范。1974年，美国汽车工程协会根据CIMTC提出的翻车保护结构(Roll—over Protective structures，简称ROPS)检测规定制定了SAEJIO4O、SAEJ1043。国际标准化组织引用上述两个标准制定了1503449《土方机械落物保护结构实验室试验和性能要求》、1503164《土方机械一落物和翻车保护结构实验室鉴定一挠曲极限量的规定》和150347l((土方机械翻车保护结构实验室试验和性能要求》，1984一1994年，国际标准化组织又对此标准做了几次修改。2005年，国际土方机械年会上，根据当前工程车辆的发展趋势和旧标准在实践中暴露的问题，对ROPS实验室试验标准提出了一些修改意见。同年，国际标准化组织—“土方机械”技术委员会制定了最新的工程车辆落物保护结构实验室标准1503449一2005，取代了原来的1503449一1992，该标准中说明了FOPS&ROPS一体化的驾驶室保护结构的试验方法，而且明确规定了FOPS实验室试验方法。从1985年开始，美国SAE正式要求作业环境危险的工程车辆必须配备FOPS&ROPS;联邦德国、日本等国制定并实施了有关FOPS&ROPS的安全法规，加拿大、英国、法国等一些国家相继提出这一要求，近年来，许多国家通过立法来强制要求进入市场的挖掘机安装达到标准要求的保护结构[5]。

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我国在翻车保护结构标准制定方面起步较晚，1999 年国家质量技术监督局发布了GB17922[11]和GB17772[12]规定了土方机械翻车保护结构实验室性能检测要求和鉴定标准—挠曲极限量，这些标准等同或等效地采用了对应的国际标准。2001 年发布的JB6030-2001[13]中增加了关于ROPS 的内容。近几年，逐渐完善了具体机型的翻车保护结构实验室标准。

我国在1984 年曾对ROPS 模型试验进行过初步的探讨，但研究工作未深入开展[14]。此后，科研人员在ROPS 计算方法和实验室试验方面做了大量的工作。经历了由塑性极限分析[15]，弹性极限分析[16]；考虑能量吸收性能的增量变刚度法计算的研究[17]；到推导了弹性、弹塑性阶段ROPS/FOPS 变形的计算公式[18,19]；提出采用非对称弯曲梁的弹性和塑性极限强度理论分析方法[20]的发展过程。随着非线性理论研究的不断深入和计算机仿真技术的日趋成熟，应用非线性有限元方法对ROPS 性能进行模拟分析，已经成为ROPS 设计计算的主流。其中王继新在工程车辆倾翻保护结构设计方法与试验研究通过进行多种工程车辆不同类型翻车保护结构的实验室试验，获得了翻车保护结构在各种加载方式下的变形模式和失效机理。提出了基于能量吸收控制的翻车保护结构设计方法，解决了ROPS 的能量吸收设计问题。陈龙, 王锦雯, 周孔亢在农林车辆安全驾驶室碰撞的数值模拟对农用拖拉机ROPS 应用非线性有限元方法，进行动态碰撞过程数值模拟，并通过摆锤试验进行了验证。

工程车辆的翻车保护结构有两种类型：第一种类型的翻车保护结构与驾驶室是一体的，也可称为安全驾驶室式ROPS；第二种类型的翻车保护结构安装在驾驶室外，通过螺栓或者销轴与车架联接，称为独立式ROPS。安全驾驶室式ROPS 在结构形式、安装方式和允许的变形空间等方面都与独立式ROPS 不同。它的特点是以驾驶室的骨架作为ROPS，然后在ROPS 外侧配装薄板覆盖件，在ROPS 内部布置通常驾驶室的附件，并在驾驶室与车架间安装减震装置。这种驾驶室既能在翻车时起到保护司机的作用，也能提供通常驾驶室对司机的主动安全防护功能，因而对司机有更好的保护作用。以往的研究忽视了此类驾驶室装备翻车保护结构后增加的质量所带来的平顺性变差问题。当前需要针对这种翻车保护结构开发新型减震装置，使减震装置既能在整车工程中起到衰减振动、提高操纵舒适性的作用；又能在翻车过程中使翻车保护结构与车架牢固联接，以保证ROPS 的承载能力和能量吸收能力的发挥。

翻车保护结构性能要求与试验方法

ISO3471 规定的翻车保护结构适用于以下有司机操作座位的工程车辆[5]，包括履带式拖拉机和装载机；平地机；轮式装载机和轮式拖拉机、轮式推土机、滑移转向装载机和挖掘装载机；工业用轮式拖拉机；自行式铲运机、运水车、铰接转向自卸车、底卸车、侧卸车、后卸车；压路机和夯实机；整体车架自卸车等。

四项性能要求

在最新的国际标准[5]中对工程车辆翻车保护结构的四项性能要求如下：①最小侧向承载能力（FL），以保证工程车辆翻车时ROPS 能穿入未冻土壤，阻止车辆的进一步翻滚；

②最小能量吸收能力，以保证翻车后ROPS 碰撞变形不大的地面（冻土、混凝土、岩石）时，会产生挠曲，但却有相当大的抗连续冲击的能力，同时减少对司机的冲击伤害；③垂直承载能力（FV），以保证当车辆处于颠覆状态时，已经变形的ROPS 能支撑住整个车辆，避免轧伤司机；④纵向承载能力（FZ），以保证当车辆横向翻车时，ROPS 能穿入未冻土壤而防止车辆进一步翻滚。

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若ROPS 满足ISO3471 规定的上述性能指标时，可以保护一个系安全带坐着的司机可以在以下情况不被压伤：在硬粘土路面上，最大坡度30°，初始前进速度（0~16）km/h，绕车辆的纵向轴翻转360°，车辆始终与坡度没有失去接触。上述ROPS 四项性能要求的具体指标值与车辆类型和整车质量有关。随着质量更小和质量更大工程车辆的开发，最新标准ISO3471 对ROPS 保护性能的计算公式进行了修正：对于质量较小的小型车辆和质量非常大的大型车辆，指数函数公式是不适用的，所以采用了质量的线性函数。随车辆质量的增加承载能力和能量吸收值随规律变化。

试验方法

根据ISO3471 的规定，加载试验之前，必须在ROPS 上标定出各个方向的载荷作用点。加载顺序是侧向、垂直方向、然后纵向。在加载过程中，不得校正或修理ROPS 的安装。为防止加载处的局部穿透，可以使用载荷分配器传递载荷到ROPS构件上，但载荷分配器不能限制ROPS的转动。

ROPS 性能试验是破坏性的试验，对试验台本身的各种性能指标要求也很高，尤其是ROPS 试验过程不允许对ROPS 的安装进行校正或修理。若对被试ROPS 需要的承载力及其固定处的支反力估计不足，很可能会导致试验失败，浪费大量人力、物力。为此根据项目的研究需要，并结合ROPS 的性能要求，建立了ROPS 测试试验台，指出了试验中需要注意的问题：①要能提供足够大的推力，加载装置除了满足ROPS 试验时最低承载能力的加载要求外，还应保留足够的安全储备系数，以便为满足侧向能量吸收要求而增加侧向载荷时使用。②加载装置要有足够的行程，以使ROPS 产生足够的变形。③试验台要有足够大的抵抗ROPS 加载时产生的巨大的支反力/弯矩的能力。④加载用的载荷分配器要有足够的刚度，试验中认为是不变形的，且载荷分配器的承窝要有足够的抗胀裂能力。⑤支撑ROPS 的车架必须固定在试验台的底板上，固定车架的联接件必须有足够的刚度和强度。联接件的刚度太低时，会导致加载过程车架接触到试验台的安装面，或者导致ROPS 试验出现虚假的变形。联接件的强度不够时，会导致加载试验时联接失效，从而导致试验失败，甚至引发事故。⑥测量仪器（压力传感器、位移传感器）的安装要牢固，而且必须符合国际标准规定的测试精度要求。

试验主要分为：侧向加载试验方法，侧向能量吸收试验方法，垂直加载试验方法，纵向加载试验方法。试验表明：在安全驾驶室式ROPS的性能试验中，减震器在ROPS 和车架间传递较大的载荷，没有经过改进的普通减震器常发生严重破坏，会导致侧向加载ROPS 无法继续承载。所以，同时考虑减振舒适性和翻车保护结构性能试验时的传力要求，因此改进安全驾驶室的减震器是非常必要的[9]。

陈龙,王锦雯,周孔亢等人也曾做了关于农林车辆关于安全驾驶室强度试验。试验包括后撞、后抗压、前撞、侧撞击、前抗压5种工况,它是模拟农林车辆向后面或向侧面翻车(悬空跌落除外)情况时作用在安全驾驶室上的载荷,以此检验驾驶室及其构件等的强度,并验证弹塑性理论计算的正确性。撞击力是由高悬的摆直接撞击驾驶室前、后和侧面上横梁,以模拟翻车事故时撞到地面的载荷。压跨力是用机械式或液力式装置在驾驶室顶棚前、后、横梁上加压,以模拟车辆翻倒事故时的压载荷。应力的测量采用应变片测量法,考虑到塑性变形,选用TA120-5AA-C应变片,布片方案从略。

试验结果表明,最大位移发生在侧撞工况驾驶室从上到下,变形梯度大,受载后,主要是上部变形或刚度小的部位吸功。由结点的变形随载荷变化关系可看出其非线性特性,但变形后没有侵入容身空间。而最大应力点发生在中下部,某些部位超过了屈服极限。因此,应改

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善其抗侧撞工况下的强度、刚度和弹性。驾驶室结构在受到冲击载荷后局部出现屈服,并不表示驾驶室已经是不安全的,正如前所述,只要结构未破坏,且未失去稳定性,允许局部出现塑性变形,以尽可能吸收变形能。由弹塑性理论知,结构受力变形时,随着载荷的增加,依次经过弹性、弹塑性及完全塑性三阶段。

驾驶室是安全性设计中的关键总成,在进行驾驶室设计时,应预先设置一处或几处具有高吸能性的“弱点区”,当发生翻车等意外事故时,该区以一种可预见的形式发生断裂或破坏,在一定程度内变形,吸收冲击能量,这样,一方面可以缓冲碰撞,另一方面有利于保证驾驶室主体空间。因此,根据前述驾强室强度特性,在进行驾驶室安全性结构设计时,薄壁梁设计应保证单根梁贯通,相邻梁构件要有重叠并焊牢,即所谓生根牢靠这样有利于使冲击负荷分散而不过分集中,同时尽可能增大封闭梁断面面积,对于门槛梁的外板设计,必要时在梁内增加衬板结构。为提高抗侧撞安全性,在驾驶室侧面偏上方易受撞击高度处(距顶梁300 mm处)布置一横梁,则抗侧撞能力和分散冲击负荷的能力会更加明显,这样,施加到驾驶室上的冲击能量均得到有效的分散,驾驶室本身即具有了较高的安全性[1]。

总结：安全驾驶室的强度特性是在保证安全空间的基础上，保证结构完整性的同时，允许结构塑性变形。目前在国内外对于拖拉机驾驶员的保护主要通过驾驶室保护装置即ROPS来实现。文章通过对ROPS的试验分析提出了驾驶室中减震器的重要性。通过对驾驶室安全强度的试验，分析了驾驶室安全性的设计。

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