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。

　　摘 要：文章對挖掘機(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：機(jī)械期刊投稿論文,挖掘機(jī)駕駛室,翻傾,有限元,仿真

　　引言

　　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，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參考標(biāo)準(zhǔn)。駕駛員DLV與駕駛室的相對位置如圖1所示。

　　圖1 DLV與駕駛室的相對位置

　　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

　　對于駕駛室ROPS采用梁單元Beam189來建模，對于截面復(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，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，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，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)與工程長沙，2011

　　[3]王繼新，李國忠，王國強(qiáng).工程機(jī)械駕駛室設(shè)計與安全技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社北京，2010 　　[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(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.