1、试验 研究Test and Research2 0 2 3 41引言在工程机械领域，驾驶室安全性能主要是指驾驶室滚翻保护结构（ROPS）的性能，本文对驾驶室的优化，也主要是针对其承载结构的优化，即 ROPS 承载结构优化。在欧美等发达地区和国家，驾驶室安全属于强制性认证。国产工程机械若想占据海外高端市场，必须重视驾驶室安全问题，不能只追求驾驶室轻量化，而舍弃安全性能。2021 年，全国土方机械标准化技术委员会组织召开了“土方机械安全技术规范 强制性国家标准工作组”会议，拟强推驾驶室安全标准。可见，我国工程机械行业已经意识到驾驶室安全的重要性，在驾驶室安全方面，不断与国际高端市场接轨。然而，国内
2、多数工程机械产品的驾驶室存在安全性能不足或冗余的问题，一定意义上制约了我国工程机械产品的发展，不利于进军海外高端市场。因此，优化驾驶室结构，提高材料利用率，保证安全性能，是驾驶室优化设计的关键。2R O P S 结构工程机械的作业环境恶劣，驾驶员的操作水平也各不相同，且机器技术性能存在差异，易导致翻车事故的发生1。驾驶室滚翻保护结构（Roll Over Protective Structure，ROPS）是一种被动保护装置，当作业车辆发生翻车事故时，能减少驾驶室内的司机被挤伤，为驾驶人员提供有效保护2。ROPS 结构形式可分为单立柱式、双立柱式和多立柱式结构3，图 1 所示为 ROPS 结构形
3、式简图。单立柱式ROPS 结构带有一个或多个悬臂承载结构件，采用焊接或成型方式的单柱 ROPS。双立柱式 ROPS 结构采用焊工程机械驾驶室优化方法研究*赵健，马洪锋，孙亮江苏徐工国重实验室科技有限公司摘要|针对工程机械行业存在的驾驶室安全性能不足或冗余的问题，分析工程机械驾驶室 R O P S 承载结构的形式和特点，指出在不牺牲驾驶室安全性能的前提下，设计出布局合理、材料利用率高的驾驶室尤为关键，同时提出减薄壁厚、改变矩形管截面尺寸、更换高强度材料、局部加强及采用异形截面管等优化设计方法。以某工程机械产品为例，对其驾驶室进行了优化匹配。优化后的驾驶室不仅降低了结构质量，防滚翻性能也得到了明显
4、提升。关键词：工程机械；驾驶室；保护结构；优化设计*基金项目：江苏省自然科学基金（BK20211049）作者简介：赵健（1992），男，山西大同人，工程师，硕士，研究方向：工程机械结构优化、疲劳及健康监测。382 0 2 3 4第卷总第期5459第期44接或成型方式的双柱 ROPS，带有一个或多个悬臂承载结构件。多柱式 ROPS 结构连接悬臂承载结构件，采用焊接或成型方式的多于双立柱式 ROPS。3驾驶室优化方法由于工程机械整机的尺寸很大意义上决定了其驾驶室的外形尺寸，因此对工程机械驾驶室的优化，多为对其ROPS 立柱的优化。ROPS 的立柱为管材结构，对其优化的方法主要有：（1）减薄壁厚。减
5、薄壁厚顾名思义就是通过减薄ROPS 管件及板材的厚度来减轻部件的质量，从而达到轻量化驾驶室的目的。该方法易削弱驾驶室的防滚翻能力，一般针对驾驶室防滚翻性能设计冗余的情况。（2）改变矩形管截面尺寸。当驾驶室受到侧向或纵向载荷时，ROPS 的立柱会发生弯曲变形。图 2 所示为驾驶室受侧载示意图。驾驶室抵抗侧向或纵向载荷的能力，直接受到 ROPS 立柱抗弯性能的影响。因此，提高 ROPS 立柱抗弯性能，对驾驶室结构设计至关重要。材料力学中，将 EI 定义为梁的抗弯刚度4，其值越高，梁的抗弯性能越强。其中：E 为弹性模量，与材料自身的特性有关；I 为惯性矩，与截面形状和尺寸参数有关。由此可知，在材料不
6、变的情况下，通过改变截面形状，提高立柱截面惯性矩，可以达到提升抗弯性能的目的。工程机械驾驶室 ROPS 立柱多为矩形管，矩形截面示意图如图 3 所示，其截面惯性矩公式为4：Ix=BH3-bh312（1）式中：Ix为矩形截面 X 轴（中性轴）的惯性矩；B 为矩形截面外宽；H 为矩形截面外高；b 为矩形截面内宽；h 为矩形截面内高。由式（1）可知，如果矩形截面高且宽，则 Ix越大，其与截面高度成立方关系。因此，对 ROPS 立柱的优化过程中，单位材料距离中性轴越远，对惯性矩的贡献越大5，越能够提升立柱抗弯性能。一般情况下，方法（2）与方法（1）配合使用，通过增大ROPS 立柱截面惯性矩，提升抗弯能
7、力，减小立柱截面壁厚，从而达到减轻驾驶室质量、提升材料利用率的目的。（3）更换高强度材料。工程机械驾驶室 ROPS 所用材料多为钢材，其中牌号为 Q345 的钢材使用较为广泛，部分结构件会用 Q235。为减轻驾驶室质量，保障 ROPS性能，越来越多的高强度钢材被引入来代替 Q345，如Q460、Q550 等。通过对驾驶室 ROPS 进行高强度材料替换，可以适当减薄结构壁厚，从而达到轻量化的目的。（4）局部加强。局部加强多针对 ROPS 本身性能稍弱或在优化过程中性能减弱的情况，其加强方式有：局部焊接加强板、立柱与横梁之间焊接加强筋等。其中，局部焊接加强板的方式，能够改变局部板材或管件的厚度，增
8、图 1ROPS 结构形式简图图 2驾驶室结构侧载示意图图 3矩形截面示意图39试验 研究Test and Research2 0 2 3 4图 4局部加强板示意图强局部抗变形能力，多用于局部易发生塑性变形处。图 4所示为局部加强板示意图。除局部焊接加强板外，立柱与横梁之间焊接加强筋也是常用的局部加强方式。这种方式可使 ROPS 整体结构抵抗变形能力增强，有利于提高驾驶室防滚翻性能。图5 所示为驾驶室局部加强筋示意图。局部加强的方式一般与前 3 种方式配合使用，通过变换 ROPS 部件形状及尺寸，使用高强度材料，优化结构布局，达到驾驶室质量轻、材料利用率高的效果。（5）异形截面管。采用异形截面是
9、有效提升管件抗弯性能的方式，多用于 ROPS 立柱截面的优化，图 6 所示为部分异形截面示意图。异形截面的形状不同于矩形、圆环等常规截面形状，因此，异形截面能够在截面积不变或减小的情况下，有效增大立柱截面惯性矩，从而减轻立柱质量，提高抗弯能力，达到驾驶室轻量化的目的。4实例验证本文以某工程机械驾驶室为例，利用上述 5 种优化方法相结合的方式，对该驾驶室进行优化匹配，提升该驾驶室安全性能，提高材料利用率。该驾驶室优化前后相关参数见表 1。图 5局部加强筋示意图驾驶室材料立柱形状立柱壁厚/mm其他横梁厚/mm质量/kg降重率优化前Q345矩形44586优化后Q460图 6 中的截面3349615.
10、4%表 1驾驶室优化前后相关参数由表 1 可知，优化后的驾驶室将材料更换为 Q460，采用异形截面立柱，有效减少了驾驶室结构质量，降重率达 15.4%。图 7 为优化前后侧向载荷及吸能对比。通过对比该驾驶室优化前后侧向载荷及吸能值可知，优化后的驾驶室能够满足安全要求，表明通过优化，该驾驶室不仅减轻了结构质量，还提升了防滚翻性能（侧向载荷及吸能要求可参见 GB/T 179222014）。5结论本文总结了 5 种驾驶室 ROPS 的优化设计方法，并利用 5 种优化方法相结合的方式对某工程机械驾驶室结构进行了优化匹配，提高材料利用率。优化后的驾驶室不仅降低了结构质量，还提升了防滚翻性能。在国内外推行
11、驾驶室安全标准的大趋势下，多种优化方法匹配使用，对于解决驾驶室安全性能不足或冗余的问题尤为重要。参考文献1 张俊训.工程车驾驶室 FOPSROPS 装置安全性能研究与结构优化D.扬州：扬州大学，2014.2 唐华平，曾理，王胜泽，等.基于拓扑优化的重型矿用自卸车翻车保护结构设计 J.工程设计学报，2018，25（3）：图 6异形管截面示意图402 0 2 3 4第卷总第期5459第期44295-301.3 GB/T 179222014土方机械 滚翻保护结构 实验室试验和性能要求S.4 刘鸿文.材料力学M.北京：高等教育出版社，2011：137-142.5 赵健，陶元芳，刘亚倩，等.桥式起重机主
12、梁优化设计的本质问题J.起重运输机械，2017（6）：11-15.6 孙靖民，梁迎春.机械优化设计M.北京：机械工业出版社，2006.通信地址：江苏省徐州市经济技术开发区驮蓝山路 26 号徐工研究院（221004）（收稿日期：2022-11-11）图 7优化前后驾驶室侧向载荷及吸能对比多种典型因素对汽车起重机工作稳定性的影响研究李厚旭，杨培源，刘文一中国人民解放军 91550 部队 41 分队摘要针对汽车起重机倾翻事故频发的现状，研究影响汽车起重机工作稳定性的主要因素。建立某 300 t级全路面汽车起重机最大允许起重量与主臂长度、转台回转角、起重臂仰角关系的数学模型，基于该模型对影响汽车起重机
13、工作稳定性的多种典型因素，如工作幅度、稳定系数、场地坡度、风载荷、惯性力、离心力进行分析，并进一步研究各因素的变化情况对汽车起重机工作稳定性的影响程度。关键词：汽车起重机；最大起重量；工作稳定性作者简介：李厚旭（1988），男，黑龙江大庆人，工程师，硕士，研究方向：工程机械领域的科技与研发。近年来，随着汽车起重机在工程建设领域的广泛应用，其面临的作业环境越来越复杂，由于超载起吊、斜坡起吊、风载荷、操作不规范引起过大惯性力和离心力等原因导致的起重机失稳、倾翻事故频繁发生1-4。据统计，41Research on Optimization Method for Cab of Constructio
14、n MachineryIn view of the problem of inadequate or redundant safety performance of the cab in the construction machinery in-dustry,the forms and characteristics of the ROPS load-bearing structure in the cab of construction machinery are ana-lyzed.It is pointed out that it is par-ticularly crucial to
15、 design a cab with a reasonable layout and a high material utilization rate without sacrificing the safety performance of the cab.At the same time,the optimization design methods such as reducing the wall thickness,changing the cross-sectional size of rectangular tubes,replacing high-strength materi
16、als,local strength-ening and adopting profiledcross-section tubes are proposed.Taking a construction machine as an example,its cab is optimized.The optimized cab not only reduces the structural mass,but also significantly improves the anti-rollover performance.Keywords:Construction machinery;Cab;Protective structure;Optimization designResearch on Influence of Various Typi-cal Factors on Working Stability of Truck CraneIn view of the current situation of fre-quent rollover accidents of truck cran