一种农业机械安全驾驶室静压强度试验台的设计

卞兆娟 李和清 刘勇

0 前言

车辆驾驶室翻车防护装置（Rollover Protective Structures ROPS）是一种在车辆发生翻车事故时，能有效吸收车辆自身重量产生的一部分冲击能量的结构装置[1]。ROPS通过提供一定间隙空间来保护驾驶员在驾驶室内安全，从而降低人员严重受伤的可能性。随着我国农业机械现代化的不断推进，农林类机械的使用也愈加广泛，其安全可靠性倍受关注。农林拖拉机是一种至少有两根轴的自走式的轮式（或履带式）车辆，主要用作牵引拖车或用于携带、推动农业和林业机械及机具，也可根据需要，为配备机具（如旋耕机、播种机等）提供动力[2]。

农林拖拉机翻车防护装置的使用大大降低了驾驶员由于翻车事故造成受伤的风险。国外一些研究调查表明，增加了防护装置后，拖拉机在发生翻车事故时，可以将其造成的伤亡事故大大降低[3]。我国在农林拖拉机防护装置上的研究相对国外发达国家和地区较晚，技术研究深度和广度有限，目前所公开的研究和报道文献数量也较少。基于GB/T 19498-2017《农林拖拉机防护装置 静态试验方法和验收技术条件》标准，设计一种农业机械安全驾驶室静压强度试验台，对农业机械的生产、试验、使用及维护具有重要的现实意义。

1 试验台整体结构

根据GB/T 19498-2017《农林拖拉机防护装置 静态试验方法和验收技术条件》标准要求，试验由两大部分组成，分别为水平加载（纵向加载、侧向加载）试验和垂直压垮（后压垮、前压垮）试验。因此，该试验台的设计能完成两大试验的所有内容。

1.1 水平加载试验装置

水平加载装置主要包括底座、垂直加载梁、垂直方向调节装置、水平方向微调装置、液压站、水平液压加载油缸（包括活塞杠）、钢丝绳电动葫芦、位移传感器、压力传感器、倾角传感器。底座与地面的导轨通过螺栓进行固定和连接，垂直加载梁连接于底座上。在垂直加载梁的垂直方向上设计有垂直方向的调节装置，垂直方向调节装置设计了一个沿垂直加载梁方向的丝杠螺母机构，丝杠螺母与电机连接，通过电机的正反转传动控制及丝杠螺母机构来实现水平液压加载油缸上下位置的调节，从而实现对不同高度的被试验拖拉机防护装置进行水平加载试验。水平液压加载油缸水平设置于垂直加载梁上，平行于地面安装，其加载油缸连接至液压站。压力传感器安装于水平液压加载油缸的活塞端部，倾角和位移传感器安装于水平液压加载油缸的本体上。水平方向微调装置设计了水平方向丝杠螺母，丝杠螺母与电机连接，通过电机的正反转传动控制及水平丝杠螺母机构来实现水平液压加载油缸左、右位置水平的调节，从而保证试验时水平加载装置对其加载位置的精确控制。钢丝绳电动葫芦安装于垂直加载在横梁的末端，并平行于地面，电动葫芦的钢丝绳与水平液压加载油缸垂直连接，可以通过调节电动葫芦，根据倾角位移传感器所采集到的信号，精确地实现水平液压加载油缸的水平调节[3]。此处所述压力、位移、倾角传感器均连接至电气控制系统。水平加载试验装置结构如图1所示。

图1 水平加载试验装置结构示意图

1.2 压垮试验装置

压垮加载装置主要包括：底座、液压加载油缸（包括活塞杠）、拉力传感器、调节链条、压垮加载横梁等。底座通过螺栓与地面的导轨连接在一起，可以方便地根据拖拉机的型号调节液压缸的距离。底座上连有液压油缸及活塞杠，活塞缸的端部安装有拉力传感器。压垮横梁与拉力传感器之间用调节链条连接在一起，调节链条可以对不同型号的农林拖拉机进行静压强度试验。需要指出的是，此处所述液压加载油缸及活塞杠数量均为两个。两个液压加载油缸与水平加载实验中的液压站连接，两个拉力传感器均连接至电气控制系统，用于完成试验数据的采集和控制。压垮加载试验装置结构如图2所示。

图2 压垮加载试验装置结构示意图

2 试验台试验加载顺序及方法

该试验台的翻车防护装置静压强度试验系统包括机械加载装置、液压加载系统数据采集及电气控制系统。液压加载系统由液压泵、过滤器、油箱、溢流阀、单向阀、流量阀、若干电磁换向阀及其他液压元件组成。通过对液压阀的控制来实现对所有加载载荷大小的自动控制，通过对流量阀的控制来实现对试验时加载速度的调节，确保试验时的加载速度符合加载标准。

数据采集及电气控制系统控制液压泵站工作，进而对被试验拖拉机的防护装置施加载荷，同时利用传感器来测量试验过程中载荷和位移的变化量，然后用高速采集卡对传感器所获得的测量值进行A/D转换，最后将转换后的数据交给计算机来进行存储、显示等处理，并对比所设定的值来分析试验数据，然后据此发出相应的加载压力控制指令，从而达到对整个拖拉机防护装置强度试验过程闭环控制的目的。

2.1 试验顺序

根据GB/T 19498-2017《农林拖拉机防护装置静态试验方法和验收技术条件》规范的试验加载内容所进行的试验须严格遵循标准依次进行，且全部试验必须在同一防护装置上进行，试验期间不得进行维修和加固[4]。试验加载顺序见图3。

2.2 试验方法

该试验台的试验方法严格遵循GB/T 19498-2017《农林拖拉机防护装置 静态试验方法和验收技术条件》中8.4（试验顺序）、8.5（水平加载验）、8.6（压垮试验）、8.7（第二次纵向加载试验）几部分所给出的试验条件和方法进行试验。

图3 试验加载顺序图

2.2.1 纵向加载试验

对后桥重量大于或等于总重量的50%的轮式或履带式农林拖拉机，施加的载荷应该作用在后面；其余拖拉机施加的载荷则应该作用在前面[2]。只有确保载荷的三要素（大小、方向及作用点）均正确，纵向加载试验才可进行。

施加的载荷方向应与拖拉机的中心面平行。载荷的作用点应在防护装置最上端的横向构件上（即拖拉机发生翻车事故时该位置首先触地的可能性最大），且作用点应在防护装置从顶部侧边缘向里六分之一宽度处。防护装置的宽度应为平行于拖拉机中心面并同防护装置外侧端点相切的两条直线间的距离（如图4所示）。值得注意的是，防护装置的构件结构与载荷作用点也有关，如果是弯曲构件，则只需在纵向加载时考虑防护装置末端的宽度。因此，对于试验工程师来讲，了解拖拉机的基本构件是尤为重要的。施加载荷的大小应根据防护装置所吸收的能量进行判断，当出现防护装置吸收能量大于或等于所设定能量值或防护装置侵入容身区或容身区超出了防护装置的保护范围这类情况时，应停止纵向试验[1]。

2.2.2 第一次压垮试验

试验2（第一次压垮试验）也称为后压垮试验，是在试验1顺利完成的前提下进行的。载荷施加方向应在防护装置加载的同一端，使压垮合力作用在垂直基准面内。载荷大小设定为20M（M为拖拉机质量）。当压垮合力等于设定值时，防护装置不再产生任何可见的变形后，再维持5秒，该试验即结束。需要注意的是，如果防护装置的顶部不能完全承受全部压垮载荷，载荷应继续施加，直至其顶部变形到与翻车时能支撑拖拉机质量的后部部件相接触。然后卸载，改变载荷的加载位置，以便把刚性梁置于施拉机翻车时能支撑拖拉机的部位，然后施加全部载荷，压垮加载试验如图5所示[2]。

图4 纵向加载示意图

图5 压垮加载试验示意图

2.2.3 侧向加载试验

在试验2（第一次压垮试验）顺利结束之后，进行试验3（侧向加载试验）。应确定拖拉机座椅侧置或防护装置强度是否对称，若不对称，应将侧向载荷加在最可能导致容身区遭到侵犯的那一侧（即当拖拉机发生翻车事故时，对操作员构成最大危险的一侧），施加的载荷方向应与拖拉机的中心面垂直。载荷的作用点应在防护装置最上端的横向构件上距离驾驶坐标点（SIP）前（160-ah）mm处（拖拉机发生翻车事故时该位置首先触地的可能性最大）[5]，对于双向行驶的拖拉机，则载荷作用点应在防护装置最上端，且在两驾驶坐标点（SIP）间的中点处。施加载荷的大小，应根据防护装置所吸收的能量进行判断，当出现防护装置吸收能量大于或等于所设定能量值或防护装置侵入容身区或容身区超出了防护装置的保护范围这类情况时，应停止侧向加载试验。侧向加载试验如图6所示[2]。

图6 侧向加载试验示意图

2.2.4 第二次压垮试验

试验3（侧向加载试验）顺利完成后，将进行试验4（第二次压垮试验），试验4也称之为前压垮试验。试验4与试验2（第一次压垮试验）试验内容基本相同，仅是第二次压垮试验载荷加载点发生了变化（从后端对称平移到前端），其他条件均保持不变。试验4（第二次压垮加载）如图5所示[2]。

2.2.5 第二次纵向加载试验

顺利完成试验1、2、3、4加载试验以后，应考虑是否进行试验5（第二次纵向加载试验），即试验5不一定必须完成。根据GB/T 19498-2017《农林拖拉机防护装置 静态试验方法和验收技术条件》中8.4（e）规定，对安装双柱式或非双柱式防护装置的拖拉机，若在特殊条件下使用的临时防护装置或倾翻机构与防护装置整体结构是分开的，则需要进行该试验；若对双柱式防护装置的第一次纵向加载试验在其折叠方向上，此种情况则不必进行该项试验[2]。若需进行试验5（第二次纵向加载试验），其加载方法应为：加载方向与试验1（纵向加载）相反；加载点位置位于距离试验1中加载点最远的那个角上；施加载荷的大小，应根据防护装置所吸收的能量进行判断，当出现防护装置吸收能量大于或等于所设定能量值或防护装置侵入容身区或容身区超出了防护装置的保护范围这类情况时，应停止纵向试验。试验5（第二次纵向加载试验）如图4所示[2]。

3 实验结果

依据GB/T 19498-2017《农林拖拉机防护装置静态试验方法和验收技术条件》中规定的试验加载顺序和试验方法，运用该试验台对一台M754拖拉机安全驾驶室进行了静压强度试验。已知拖拉机质量M为2 555 kg，则试验1加载能量设定值E1为1.4M，即3 577 J；试验2拉力设定值F1为20M，即51.1 kN；试验3加载能量设定值E2为1.75M，即4 471.25 J；试验4拉力设定值F2为20M，即51.1 kN；试验5加载能量设定值E3为0.35M，即894.25 J。试验1、2结果如图7、图8所示。

4 结论

（1）该试验台的机械加载装置包括水平加载试验装置和压垮加载装置两大部分，能根据GB/T 19498-2017所规定的试验方法完成纵向加载试验、第一次压垮试验、侧向加载试验、第二次压垮试验和第二次纵向加载试验。

图7 纵向水平加载试验曲线

图8 第一次压垮试验曲线

（2）该试验台的机械加载装置可以通过拆卸底座与地面连接的螺栓，用行车吊起整个装置，从而改变加载方向，实现“旋转”操作；压垮加载装置可以灵活地移动和固定液压加载油缸的位置，以满足不同类型的加载试验[6-9]。

（3）该试验台的机械加载装置上均安装有一套完整的传感器，位移、倾角、拉（压）力、能量等相应规定的指标均能精确、方便地实现测量。加载装置配备有不同量程的拉（压）力传感器，以满足不同型号的农林拖拉机进行防护装置静压强度试验。

随着我国农林、农业机械化的不断发展，农业机械的使用量日益增多，一个合格的拖拉机翻车防护装置能有效地保护驾驶员的人身安全。目前，我国在该领域的先进研究成果不多，根据国家最新标准GB/T 19498-2017《农林拖拉机防护装置静态试验方法和验收技术条件》所规定的农林拖拉机试验内容，设计而成的此种安全驾驶室静压强度试验台，可为后续翻车防护装置的设计制造和研究提供可靠的参考价值。