摘 要：文章對(duì)挖掘機(jī)駕駛室防傾翻結(jié)構(gòu)（ROPS）進(jìn)行了有限元力學(xué)分析。首先建立了挖掘機(jī)駕駛室的有限元模型，然后分別對(duì)該模型進(jìn)行了側(cè)向力、縱向力和垂直方向力的仿真分析，得到了該模型的位移、應(yīng)力云圖，從而判斷挖掘機(jī)駕駛室是否滿足安全性能要求。

關(guān)鍵詞：挖掘機(jī)駕駛室；翻傾；有限元；仿真

引言

挖掘機(jī)在工程施工中有著極其廣泛的應(yīng)用，但挖掘機(jī)在惡劣條件下作業(yè)，發(fā)生翻傾事故較多，嚴(yán)重威脅駕駛員的生命安全，所以對(duì)挖掘機(jī)駕駛室進(jìn)行安全性能分析具有重要的意義。文章對(duì)挖掘機(jī)的防傾翻結(jié)構(gòu)（ROPS）進(jìn)行了有限元建模，并分別對(duì)該模型進(jìn)行了側(cè)向力、縱向力和垂直方向力的有限元分析，得到了該模型的位移、應(yīng)力云圖的分析結(jié)果。

1 挖掘機(jī)駕駛室安全性能要求

駕駛室安全性能判斷的標(biāo)準(zhǔn)：駕駛室ROPS的變形不得超過材料的斷裂極限，同時(shí)駕駛室ROPS結(jié)構(gòu)不得侵入撓曲極限量DLV。

1.1 翻傾保護(hù)結(jié)構(gòu)ROPS

翻傾保護(hù)結(jié)構(gòu)（Roll-Over Protective Structures）是安裝在工程機(jī)械上或者駕駛室本身的骨架結(jié)構(gòu)，其作用是在挖掘機(jī)發(fā)生傾翻時(shí)可以保護(hù)駕駛員的生命安全。

1.2 撓曲極限量DLV

撓曲極限量（Deflection-Limiting Volume）是根據(jù)駕駛員的尺寸和坐姿而定義的位置，它不允許駕駛室結(jié)構(gòu)發(fā)生傾翻或落物沖擊事故時(shí)，駕駛室變形侵入了人體位置，是衡量駕駛室是否安全的一個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)。駕駛員DLV與駕駛室的相對(duì)位置如圖1所示。

圖1 DLV與駕駛室的相對(duì)位置

1.3 翻車保護(hù)的性能要求

翻傾保護(hù)結(jié)構(gòu)的安全標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)判是由駕駛室或者保護(hù)結(jié)構(gòu)的承載特性所決定的。加載包括側(cè)向加載、縱向加載和垂直方向力加載，它們的性能要求如表1所示，文章所分析的挖掘機(jī)質(zhì)量為8000kg。

表1 駕駛室加載力的公式

2 挖掘機(jī)駕駛室有限元分析

2.1 駕駛室有限元建模

對(duì)于駕駛室ROPS采用梁?jiǎn)卧狟eam189來建模，對(duì)于截面復(fù)雜的型鋼，可以采用自定義截面來設(shè)定。文章劃分的挖掘機(jī)駕駛室ROPS的單元模型如圖2所示。

2.2 駕駛室承載性能有限元分析

文章分析挖掘機(jī)駕駛室ROPS模型的受力，來仿真模擬分析局部受力屈服情況，包括：側(cè)向承載力分析、縱向承載力分析、垂直承載力分析。

2.2.1 側(cè)向承載能力分析

最小側(cè)向承載力：

（1）約束和加載位置

由于在實(shí)際模型中，駕駛室的底端的支柱是連接在駕駛室的底板上，所以在模擬仿真約束時(shí)，約束駕駛室支柱下端的全部自由度。約束加載后的模型如圖3所示。

（2）側(cè)向力仿真結(jié)果

駕駛室ROPS的側(cè)向力加載仿真分析的位移、應(yīng)力結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知發(fā)生的最大位移為17.902mm，最大應(yīng)力為410MPa，發(fā)生位移最大的位置在加載力的中心，應(yīng)力最大位置在支架與橫梁交接處。材料Q235的屈服極限為235MPa，斷裂極限為460MPa，駕駛室ROPS結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生屈服且也沒有侵入人體撓曲極限D(zhuǎn)LV，所以該駕駛室ROPS結(jié)構(gòu)縱向力承載滿足性能要求。

圖4側(cè)力加載位移圖

圖5側(cè)力加載應(yīng)力圖

2.2.2 縱向承載能力分析

最小縱向承載力：

（1）約束和加載位置

駕駛室受到縱向載荷作用時(shí)，約束的情況和側(cè)向加載一樣。約束加載后的模型如圖6所示。

（2）縱向力仿真結(jié)果

駕駛室ROPS的縱向力加載仿真分析的位移、應(yīng)力結(jié)果分別如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8所示，可知發(fā)生的最大位移為9.459mm，最大應(yīng)力為257MPa，發(fā)生位移最大的位置在加載力的中心，應(yīng)力最大位置在支架與橫梁交接處。駕駛室ROPS結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生屈服且也沒有侵入人體撓曲極限D(zhuǎn)LV，所以該駕駛室ROPS結(jié)構(gòu)縱向力承載滿足性能要求。

圖7縱向力加載位移圖

圖8 縱向力加載應(yīng)力圖

2.2.3 垂直方向承載能力分析

F垂直=19.61M=19.61×8000=156800N

（1）約束和加載位置

駕駛室受到垂直方向載荷作用時(shí)，約束的情況和側(cè)向加載一樣。約束加載后的模型如圖9所示。

（2）垂直方向力仿真結(jié)果

駕駛室ROPS的垂直方向力加載仿真分析的位移、應(yīng)力結(jié)果分別如圖10、圖11所示。

由圖10、圖11所示，可知發(fā)生的最大位移為2.95mm，最大應(yīng)力為204MPa，發(fā)生位移最大的位置在加載力的中心，應(yīng)力最大位置在支架與橫梁交接處。駕駛室ROPS結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生斷裂且也沒有侵入人體撓曲極限D(zhuǎn)LV，所以該駕駛室ROPS結(jié)構(gòu)垂直方向承載力滿足性能要求。

圖10 垂直方向力加載位移圖

圖11垂直方向力加載應(yīng)力圖

3 結(jié)束語

采用有限元方法對(duì)挖掘機(jī)駕駛室分別進(jìn)行了側(cè)向力、縱向力和垂直方向力的仿真分析，分析結(jié)果表明該挖掘機(jī)駕駛室都沒有發(fā)生斷裂且也沒有侵入人體撓曲極限D(zhuǎn)LV，滿足了安全性能要求。

參考文獻(xiàn)

[1]宋明龍.挖掘機(jī)駕駛室安全性能分析及機(jī)構(gòu)改進(jìn)[C].中南大學(xué)，2009.

[2]黃芬，張招春，高建峰，等.挖掘機(jī)駕駛室防護(hù)裝置強(qiáng)度有限元分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程長(zhǎng)沙，2011

[3]王繼新，李國(guó)忠，王國(guó)強(qiáng).工程機(jī)械駕駛室設(shè)計(jì)與安全技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社北京，2010endprint

[4]于向軍，王繼新，楊永海，等.壓路機(jī)安全駕駛室ROPS非線性數(shù)值模擬與試驗(yàn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2008，38（S2）：134-138.

[5]Clark B J，Thambiratnam D P，Perera N J. Analytical and experimental Investigation of the behaviour of a rollover protective structure[J].Institution of Structural Engineers， 2006，84（1）：29-34.

[6]Keniehi Yamagata， Daisuke Tsumura. Introducing a Simulation of a Cab Protecting Operator during Rolling over of a Hydraulic Excavator [JJ.Komatsu Tech Rep，2007，52（2）：2-7.

[7]Thambiratnam D P， FASCE，Clark B J， et al. Performance of a rollover Protective structure for a bulldozer[J].Journal of Engineering Mechanies，2009，135（1）：31-40.

[8]Ahmad Z. Impact and Energy Absorption of Empty and Foam-filled Conical tubes[D].Brisbane； Queensland University of Technology， 2009.

[9]Matthew Veal，Steven Taylor，Robert Rummer .modeling the behavior of excavator-based forest machine rollovers[C].IniProeeedings of 2004 Council on Forest Engineering （COFE）.

Conference Proceedings： "Machines and PeoPle，The Interface，2004， 27-30.

作者簡(jiǎn)介：張政（1985-），男，湖北武漢市人，湖北省武漢市華中光電技術(shù)研究所，碩士，主要從事機(jī)械制造機(jī)械設(shè)計(jì)。endprint

[4]于向軍，王繼新，楊永海，等.壓路機(jī)安全駕駛室ROPS非線性數(shù)值模擬與試驗(yàn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2008，38（S2）：134-138.

[5]Clark B J，Thambiratnam D P，Perera N J. Analytical and experimental Investigation of the behaviour of a rollover protective structure[J].Institution of Structural Engineers， 2006，84（1）：29-34.

[6]Keniehi Yamagata， Daisuke Tsumura. Introducing a Simulation of a Cab Protecting Operator during Rolling over of a Hydraulic Excavator [JJ.Komatsu Tech Rep，2007，52（2）：2-7.

[7]Thambiratnam D P， FASCE，Clark B J， et al. Performance of a rollover Protective structure for a bulldozer[J].Journal of Engineering Mechanies，2009，135（1）：31-40.

[8]Ahmad Z. Impact and Energy Absorption of Empty and Foam-filled Conical tubes[D].Brisbane； Queensland University of Technology， 2009.

[9]Matthew Veal，Steven Taylor，Robert Rummer .modeling the behavior of excavator-based forest machine rollovers[C].IniProeeedings of 2004 Council on Forest Engineering （COFE）.

Conference Proceedings： "Machines and PeoPle，The Interface，2004， 27-30.

作者簡(jiǎn)介：張政（1985-），男，湖北武漢市人，湖北省武漢市華中光電技術(shù)研究所，碩士，主要從事機(jī)械制造機(jī)械設(shè)計(jì)。endprint

[4]于向軍，王繼新，楊永海，等.壓路機(jī)安全駕駛室ROPS非線性數(shù)值模擬與試驗(yàn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2008，38（S2）：134-138.

[5]Clark B J，Thambiratnam D P，Perera N J. Analytical and experimental Investigation of the behaviour of a rollover protective structure[J].Institution of Structural Engineers， 2006，84（1）：29-34.

[6]Keniehi Yamagata， Daisuke Tsumura. Introducing a Simulation of a Cab Protecting Operator during Rolling over of a Hydraulic Excavator [JJ.Komatsu Tech Rep，2007，52（2）：2-7.

[7]Thambiratnam D P， FASCE，Clark B J， et al. Performance of a rollover Protective structure for a bulldozer[J].Journal of Engineering Mechanies，2009，135（1）：31-40.

[8]Ahmad Z. Impact and Energy Absorption of Empty and Foam-filled Conical tubes[D].Brisbane； Queensland University of Technology， 2009.

[9]Matthew Veal，Steven Taylor，Robert Rummer .modeling the behavior of excavator-based forest machine rollovers[C].IniProeeedings of 2004 Council on Forest Engineering （COFE）.

Conference Proceedings： "Machines and PeoPle，The Interface，2004， 27-30.

作者簡(jiǎn)介：張政（1985-），男，湖北武漢市人，湖北省武漢市華中光電技術(shù)研究所，碩士，主要從事機(jī)械制造機(jī)械設(shè)計(jì)。endprint