劉德營 李和清 卞兆娟 閆一哲 張華希 於海明

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 南京 210031； 2.江蘇省農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定站， 南京 210017)

0 引言

翻車防護裝置(Roll-over protective structures， ROPS)是指車輛發(fā)生傾翻事故時，避免或減輕駕駛員受到傷害的一種保護性裝置，主要有駕駛室和安全架兩種結(jié)構(gòu)形式[1]。ROPS能有效防止車輛發(fā)生翻車后的連續(xù)翻滾，并可吸收一定的沖擊載荷，從而降低事故對駕駛員的傷害[2-3]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，研究人員利用AutoCAD、CAE軟件仿真模擬車輛發(fā)生翻車事故，進而改進設(shè)計和縮短開發(fā)周期，降低了研發(fā)成本[4-7]。根據(jù)OECD規(guī)則、ISO標準以及我國行業(yè)標準，對安裝ROPS的拖拉機，必須通過相關(guān)檢測部門對防護裝置的強度考核[8]。防護裝置靜載試驗方法比動載試驗方法復(fù)現(xiàn)性好、適用范圍大，可精確測定駕駛室或安全架受載時的變形，尤其適用于新設(shè)計機型的試驗考核[9]。因此，國內(nèi)農(nóng)機試驗鑒定部門多采用靜載試驗方法對拖拉機的防護裝置進行測試。

目前，國外已有針對裝載機、拖拉機的專用防護裝置檢測裝備，其主要代表有德國農(nóng)協(xié)和西班牙農(nóng)業(yè)部研發(fā)的拖拉機靜載試驗臺[10-12]。國內(nèi)在引進和吸收國外研究成果的基礎(chǔ)上，也有這方面的嘗試。在拖拉機防護裝置靜態(tài)試驗臺機械加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，王永建等[13]研究了試驗臺的工作原理、結(jié)構(gòu)和特點，確定了技術(shù)參數(shù)；文獻[14-15]研究了拖拉機安全防翻架試驗臺機械支撐系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及測量系統(tǒng)。其中，機械支撐系統(tǒng)采用4根垂直支架組成框架結(jié)構(gòu)，以滿足不同工況的試驗加載需求，但存在試驗裝置調(diào)節(jié)繁瑣、占地面積大、無法實現(xiàn)縱向前加載試驗等問題。在測控系統(tǒng)方面，關(guān)曉梅等[9]設(shè)計了一種輪式拖拉機駕駛室靜載試驗臺計算機測試系統(tǒng)，但試驗數(shù)據(jù)采集和處理效率低，無法滿足大型拖拉機防護裝置的測試要求；楊洋等[16]利用LabWindows/CVI軟件，使用多線程技術(shù)進行了試驗臺測試系統(tǒng)研發(fā)，提出一種提升能量計算精度的算法和一種檢測標準評價方法，但在變形載荷試驗采集過程中依賴于原始的手動操控方式，且無法實現(xiàn)超載試驗判斷，試驗效率低。綜上，國內(nèi)針對拖拉機防護裝置靜態(tài)試驗系統(tǒng)的研究成果不多，現(xiàn)有試驗檢測裝備均采用框架固定式加載結(jié)構(gòu)，造成裝置調(diào)節(jié)繁瑣、試驗場地利用率低等問題，測控系統(tǒng)采用人工記錄和手動控制方式，試驗效率和測試精度均有待進一步提高。

本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)和機電一體化技術(shù)，設(shè)計一套拖拉機防護裝置自動靜載試驗系統(tǒng)，以期達到較高的試驗測控精度，滿足拖拉機防護裝置試驗檢測鑒定要求。

1 自動靜載試驗系統(tǒng)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

拖拉機防護裝置自動靜載試驗系統(tǒng)如圖1所示，包括機械及輔助系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和測控系統(tǒng)。機械系統(tǒng)主要由水平加載裝置、垂直壓垮裝置及固定工裝夾具組成，包括加載立柱及其底座、壓垮橫梁、液壓缸及其調(diào)節(jié)裝置、液壓泵站、傾角傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、拉力傳感器、測控柜、外部顯示大屏等部分。采用模塊化結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)對拖拉機四柱、六柱式的駕駛室和折疊、非折疊式的安全架進行水平加載試驗和垂直壓垮試驗。

圖1 拖拉機防護裝置自動靜載試驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of automatic static load test system for tractor ROPS1.測控柜 2.外部顯示大屏 3.壓垮橫梁 4.防護裝置 5.拉力傳感器 6.壓力傳感器 7.位移傳感器 8.傾角傳感器 9.液壓缸調(diào)節(jié)裝置 10.加載立柱 11.液壓泵站 12.液壓缸 13.固定工裝夾具 14.底座

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計

由于拖拉機防護裝置靜載考核時需分別進行縱向加載、垂直后壓垮、側(cè)向加載和垂直前壓垮等試驗[1]，各試驗加載位置不同。因此，試驗臺采用一次性夾持固定防護裝置于鑄鐵地平導(dǎo)軌上，通過三維移動可手動/遙控調(diào)節(jié)加載裝置的加載立柱和壓垮橫梁，從而實現(xiàn)對防護裝置在不同加載位置的水平縱向、側(cè)向加載和垂直壓垮等試驗，如圖2所示。該試驗系統(tǒng)較現(xiàn)有的框架固定式加載結(jié)構(gòu)方案，裝置調(diào)節(jié)靈活，操作方便，避免了試驗中多次移動拖拉機防護裝置帶來的誤差，能有效提高試驗精度和場地利用率，同時減少試驗勞動強度。

圖2 拖拉機防護裝置試驗加載方案示意圖Fig.2 Schematic of test loading scheme of tractor ROPS1.鑄鐵地平導(dǎo)軌 2.加載立柱 3.防護裝置 4.壓垮橫梁

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

試驗系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 拖拉機防護裝置自動靜載試驗系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of automatic static load test system for tractor ROPS

2 液壓系統(tǒng)

系統(tǒng)采用液力加載，液壓系統(tǒng)由油箱、油表、過濾器、電機、油泵、溢流閥、調(diào)速閥、電磁換向閥、水平加載液壓缸、壓垮加載液壓缸及連接油管等組成，如圖3所示。

圖3 液壓加載系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic of hydraulic loading system1.油箱 2.液位計 3.空氣濾清器 4.吸油過濾器 5.油泵 6.油泵電機 7.電磁溢流閥 8.回油濾油器 9.壓力表 10.壓力表開關(guān) 11.單向閥 12、13.兩位三通電磁閥 14、15.調(diào)速閥 16、17.三位四通電磁閥 18、19.液壓鎖 20.水平加載液壓缸 21、22.壓垮加載液壓缸

根據(jù)壓力和流量需求[16]，并綜合考慮功能要求和成本，選用PFE-31016型柱銷式葉片泵，排量為16.5 mL/r，額定壓力為20 MPa、驅(qū)動功率為10 kW，轉(zhuǎn)速為800～2 800 r/min。電機帶動油泵，產(chǎn)生液壓油，液壓油通過管路、溢流閥、調(diào)速閥、電磁換向閥等其他液壓組件傳送至水平加載液壓缸或壓垮加載液壓缸，以實現(xiàn)有效加載。

3 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集處理和控制系統(tǒng)2個模塊，主要由PC工控機、測控軟件、PLC、模擬量采集卡、傾角傳感器、位移傳感器、壓力傳感器和拉力傳感器等組成，測控系統(tǒng)實現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 測控系統(tǒng)流程框圖Fig.4 Flow chart of measurement and control system

數(shù)據(jù)采集處理模塊主要實現(xiàn)對傾角、位移、壓力、拉力傳感器數(shù)據(jù)的實時采集，試驗系統(tǒng)共有1個傾角傳感器(SCA110T型，量程±60°)、1個位移傳感器(KTC拉桿式，量程0～800 mm)、1個壓力傳感器(BK-1B型，量程0～250 kN)和2個拉力傳感器(BK-1B型，量程0～250 kN)，其分別用于檢測水平加載油缸角度、水平加載變形量、水平加載壓力以及垂直壓垮力。模擬量采集卡選用研華公司生產(chǎn)的16位PCI-1716L型多功能數(shù)據(jù)采集卡，采樣頻率可達20 kHz。由于傳感器的輸出信號微弱，同時測試現(xiàn)場存在干擾，因此傳感器信號須經(jīng)隔離放大器后進行濾波，處理后的信號送入采集卡實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)PCI總線傳輸至PC工控機。

控制系統(tǒng)模塊主要實現(xiàn)對液壓油缸的控制，主要由PLC、中間繼電器、開關(guān)電源、急停按鈕、無線遙控器和接收器等組成。系統(tǒng)選用西門子S7-200系列PLC(CPU226)作為主控制器，MY2NJ型中間繼電器為驅(qū)動元件，設(shè)計有手動、自動控制和緊急停止功能。自動模式用于油缸按規(guī)定速度(v≤5 mm/s)加載[1]，手動模式用于試驗前期對裝置的快速調(diào)節(jié)。電路中設(shè)計了無線接收器和遙控器，通過遙控準確調(diào)節(jié)油缸至加載點，以提高試驗效率和測試精度。 另外，系統(tǒng)還設(shè)計了急停按鈕，當發(fā)生緊急情況時，可快速按下以保障試驗人員和系統(tǒng)安全。

測控系統(tǒng)基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，進行了圖形化語言編程，系統(tǒng)主界面如圖5所示。軟件主界面包括傳感器標定校準、水平加載試驗和壓垮試驗。試驗前，首先運行主程序，進行傳感器標定校準，完成后選擇“水平加載試驗”或“壓垮試驗”，將所需要的試驗參數(shù)值輸入相應(yīng)文本框；然后選擇“文件存儲位置”并保存；最后點擊“開始采集”開始試驗。試驗過程中，系統(tǒng)會自動存儲試驗數(shù)據(jù)于Excel表格中。為了提高傳感器信號采集的準確性，程序采用滑動均值濾波算法對信號進行預(yù)處理，盡可能消除現(xiàn)場干擾對數(shù)據(jù)的影響[17]。此外，軟件還設(shè)計了外部大屏顯示界面，支持試驗數(shù)據(jù)內(nèi)外屏同步顯示，以便于試驗人員現(xiàn)場觀察和調(diào)節(jié)，如圖6所示。

圖5 測控系統(tǒng)軟件主界面Fig.5 Main interface of measurement and control system software

圖6 測控系統(tǒng)軟件大屏顯示界面Fig.6 Measurement and control system software screen display interface

當進行水平加載試驗時，系統(tǒng)會自動采集試驗臺油缸角度、壓力、位移信號，繪制力-變形量曲線，計算被測防護裝置實時吸收能量，采用文獻[9,18]中的矩形積分算法進行能量計算，計算式為

(1)

式中E——水平加載試驗時防護裝置所吸收的能量，J

F——試驗中所施加的靜載力，N

L′——能量到達設(shè)定值時防護裝置的水平變形量，mm

當防護裝置吸收能量達到初始設(shè)定基本能量值時，系統(tǒng)會自動判斷是否進行超載試驗，超載試驗判斷條件如圖7所示。

圖7 超載試驗判斷曲線Fig.7 Overload test judgment curve

參照文獻[1]，防護裝置吸收基本能量后，若最后5%變形時的加載力滿足條件：①Fa>1.03F′，進行第1次超載試驗，能量增加5%。②Fb<0.97F′，進行第2次超載試驗，能量增加10%。③Fc<0.97Fb，進行第3次超載試驗，能量增加15%。④Fd<0.97Fc，進行第4次超載試驗，能量增加20%，需進行超載試驗。反之，停止試驗。

當進行垂直壓垮試驗時，軟件操作步驟同水平加載試驗，系統(tǒng)實時采集拉力1、拉力2信號，繪制壓垮力-時間曲線并計算總壓垮力。當壓垮力達到初始設(shè)定值后，停止試驗。

4 系統(tǒng)試驗驗證

4.1 試驗條件與方法

以江蘇沃得農(nóng)業(yè)機械有限公司提供的WD1104型輪式拖拉機安全駕駛室為試驗對象，其用于計算駕駛室靜載試驗水平加載基本能量和垂直壓垮力的質(zhì)量為3 170 kg。將駕駛室固定在試驗臺上，將車門、天窗鎖和窗戶等拆下或全部打開，僅留下防護裝置，以便試驗時不增加防護裝置的強度，消除非結(jié)構(gòu)件對試驗結(jié)果的影響。全部試驗在同一駕駛室上進行，且試驗期間不得對駕駛室進行維修和加固[1,19]。試驗方法參照GB/T 19498—2017《農(nóng)林拖拉機防護裝置靜態(tài)試驗方法和驗收技術(shù)條件》和GB/T 6236—2008《農(nóng)林拖拉機和機械駕駛座標志點》的要求[1,20]。

4.2 試驗結(jié)果與分析

按照GB/T 19498—2017《農(nóng)林拖拉機防護裝置靜態(tài)試驗方法和驗收技術(shù)條件》對WD1104型輪式拖拉機安全駕駛室依次進行了縱向加載、垂直后壓垮、側(cè)向加載和垂直前壓垮試驗，圖8為水平側(cè)向加載和垂直后壓垮試驗狀態(tài)圖，拖拉機駕駛室連接部位形變細節(jié)如圖9所示，各試驗結(jié)果如表2所示。

圖9 拖拉機駕駛室連接部位形變細節(jié)Fig.9 Deformation details of connection position of tractor cab

圖8 拖拉機駕駛室靜載強度試驗現(xiàn)場Fig.8 Tractor cab static load strength test site

表2 拖拉機駕駛室靜載試驗結(jié)果Tab.2 Test results of static load of tractor cab

由表2可知，能量和壓垮力控制誤差均不大于0.63%，準確率不低于99.37%，說明系統(tǒng)具有較高的測控精度，滿足拖拉機防護裝置靜載試驗要求。

通過拖拉機防護裝置自動靜載試驗臺測得拖拉機安全駕駛室水平側(cè)向、縱向加載和垂直后壓垮、前壓垮的靜載力曲線。由于測試軟件只能記錄單次試驗曲線，為了便于直觀分析，運用Excel軟件將同類型試驗結(jié)果繪制于同一圖中，如圖10、11所示。

圖10 水平靜載力-變形量曲線Fig.10 Horizontal load test force-deformation curve

圖11 壓垮靜載力-時間曲線Fig.11 Pressure-time curve of under compression test

由圖10、11及表2可知，當進行水平側(cè)向、縱向加載、第1次壓垮(后壓垮)和第2次壓垮(前壓垮)試驗時，拖拉機駕駛室均發(fā)生彈性變形和塑性變形；縱向和側(cè)向加載點最大位移分別為151.6、190.9 mm，最大靜載力為49.1、49.3 kN；卸載后，加載點分別發(fā)生65.6、75.5 mm的永久變形；第1次壓垮和第2次壓垮試驗加載點最大壓垮力分別為63.8、63.5 kN；另外，通過曲線可看出，試驗時駕駛室受到的靜載力與位移、壓垮力與時間是非線性變化，駕駛室的部分骨架承受的應(yīng)力超過了屈服極限，進入了塑性變形，這與文獻[13-16]中得到的結(jié)果一致。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計了拖拉機防護裝置自動靜載試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)一次性安裝固定防護裝置，通過三維移動可手動/遙控調(diào)節(jié)加載裝置的加載立柱和壓垮橫梁，實現(xiàn)不同加載點的靜載試驗。該系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈活、操作方便，能提高試驗場地利用率和試驗效率，降低試驗勞動強度。

(2)試驗臺測控系統(tǒng)由工控機、PLC、采集卡和控制軟件等組成，整個測控過程能實現(xiàn)手動/遙控調(diào)節(jié)、自動加載、大屏顯示和緊急停止等功能，既可采集油缸傾角、防護裝置形變、加載壓力、壓垮力等信號，還能自動進行數(shù)據(jù)處理和超載試驗判斷，提高了拖拉機防護裝置靜載試驗系統(tǒng)的自動化水平。

(3)對拖拉機防護裝置進行了水平縱向加載、側(cè)向加載和垂直第1次壓垮、第2次壓垮試驗，4次試驗中能量控制誤差和壓垮力控制誤差分別為0.55%、0.03%、0.63%和0.16%。試驗表明，該試驗系統(tǒng)能開展拖拉機防護裝置靜載試驗，滿足相關(guān)標準對試驗設(shè)備的要求。