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挖掘机驾驶室安全性能分析及结构改进研究

宋明龙  
【摘要】: 挖掘机翻车和落物保护装置(ROPS)是安装或直接焊接在挖掘机驾驶室外的一刚架结构系统,其主要功能是当挖掘机发生翻滚和落物事故时,使驾驶员避免受到冲击和挤压的伤害,保障驾驶员的生命安全。近年来国内工程机械发展迅速,而出口一些国家的挖掘机必须配备合格的ROPS。在此背景下,本文针对SWE38型挖掘机驾驶室ROPS的性能进行了研究,并对其进行了优化。 在查阅了相关文献后,本文首先综述了ROPS研究的概况,介绍了国内外标准所要求的ROPS的性能指标和检测试验的规则。然后论述了ROPS变形过程为材料非线性和几何非线性过程,依此提出用非线性有限元方法对ROPS的性能进行计算机仿真。在考虑到仿真的耗时和精度等因素后,简化了实物结构、选取了合适的材料模型,首次建立基于梁单元的ROPS有限元模型,通过对梁单元模型的仿真,得到了模型的位移-载荷及能量吸收曲线,分析了其形变的三个过程即:弹性变形阶段—弹塑性变形阶段—塑性机构变形阶段。本文同时也建立了基于壳单元的ROPS有限元模型,通过对壳单元模型仿真,得到其受载时的应力应变状态,分析了SWE38挖掘机驾驶室形变时塑性铰的具体位置。接着,本文设计了试验方案、编写了试验软件,对驾驶室依照国家标准进行了试验研究,试验中首次使用虚拟仪器技术实时展现试验过程中ROPS的各项性能指标,得到了更为直观、准确的结果。将仿真结果与试验结果比对,分析了误差产生的原因。对比结果表明,有限元模型的精度是可以接受的。通过以上工作,本文建立了一套分析ROPS性能的计算机仿真方法和试验方法。 最后,本文针对ROPS在受载过程中能量吸收不好,以及在部分试验中发生焊缝开裂的情况,提出在通过驾驶室上设置塑性铰孔,形成可控的塑性区域来提高能量吸收性能,并保护焊缝。根据这个方案,我们又建立了梁—壳单元结合的有限元模型,并进行了优化,然后将仿真结果进行了对比,结果表明塑性区域方案取得了较好的效果。


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