礦用無軌膠輪車FOPS&ROPS實驗系統設計

王爍，楊巖，王淵

（1.河北煤炭科學研究院有限公司，河北 邢臺 054000；2.河北邁安檢測服務有限公司，河北 邢臺 054000）

1 概況

近年來隨著煤礦輔助運輸行業的迅速發展，無軌膠輪車以其靈活可靠、運輸效率高、無需前期投入等特點得到了各大礦山企業的廣泛認可，在煤炭開采中，無軌膠輪車已經成為常用的運輸工具。但由于礦山作業環境復雜，加之自重及工作載重量較大，礦用無軌膠輪車易產生較大的慣性，翻車事故頻繁發生；而且頂幫落物致使機頂刺穿駕駛室，也常常威脅駕乘人員的生命安全。本實驗是基于GB/T17922-2014 和GB/T17771-2010 的要求，搭建礦用無軌膠輪車滾翻保護結構（Roll-over protective structures，ROPS） 和落物保護結構（Falling-object protective structures，FOPS） 實驗系統，并對無軌膠輪車駕駛室翻滾與落物沖擊兩種工況下的變形、吸能與承載的參數進行測量。

2 國家標準要求

GB/T17922-2014《土方機械滾翻保護結構實驗室試驗和性能要求》要求對典型試件采用垂向、縱向、橫向靜載荷作用，引入撓曲極限量（deflection-limiting volume，DLV） 概念，當試驗處于側向、垂直方向或縱向加載時，ROPS 要滿足吸能、承載要求，其任何零件均不應進入DLV，同時不會受到大的瞬間沖擊作用。加載作用力的大小取決于車輛類型及質量。

GB/T17771-2010《土方機械落物保護結構試驗室性能試驗與要求》中規定了評價保護司機免受局部沖擊穿透結構特性和支承結構抗沖擊載荷承載能力的方法，確保在不同尺寸和質量的落物情況下，司機能得到合理的保護。礦用無軌膠輪車應滿足GB/T 17771 中驗收基準Ⅱ的性能要求。試驗體高度和質量關系曲線如圖1所示。

圖1 滿足能量要求的試驗體高度和質量關系曲線Fig.1 Relationship curve between height and mass of test body meeting energy requirement

3 實驗系統的搭建

3.1 翻滾保護結構試驗搭建

此次實驗系統中的車輛翻滾加載模擬系統用于模擬礦用無軌膠輪車的滾翻加載試驗，根據ROPS不同的結構形式，對其進行垂直、側向、縱向的加載，同時控制和測量各方向指定位置的變形量。系統通過試件及加載信息采集、數據轉化與傳輸、信號處理與管理，實現加載載荷大小和變形量實時測試和控制。

3.1.1 實驗平臺結構部件

駕駛室滾翻保護結構試驗臺如圖2所示，此次實驗系統采用大龍門四立柱設備主體框架，受力梁采用Q235 鋼板焊接組合為空心方梁，截面通過有限元分析和優化設計，在保證極小的變形量的前提下具有更小的重量。

圖2 駕駛室滾翻保護結構試驗臺Fig.2 Cab rollover protection structure test bench

實驗系統主加載采用垂直單作動器，提高主加載框架的承載能力和較大范圍的加載力的準確性，提高加載速度，實現模擬滾翻或者側翻一瞬間接觸地面受力的情況。在作動器及其液壓系統控制下，實現滾翻試驗的仿真實時性，更進一步了解材料或試件在事故瞬間的真實變化情況。

實驗系統的側載作動器安裝磁滯位移傳感器，磁滯位移傳感器可實現絕對距離的檢測，利用計算脈沖運行時間來檢測永磁鐵的位置進而計算一個絕對值的位置讀數，并解決了定期重標或斷電歸零的問題。作動器采用了高質量的非金屬材質軸承，具有耐磨、低摩擦、抗咬合性等特點，提高了材料的使用壽命。

實驗平臺在滿足國際標準要求的基礎上吸收了液壓伺服控制系統的優點，完善了車輛側翻和滾翻模擬實驗的檢測技術。

（1） 實驗平臺采用大框架，滿足多類型礦用無軌膠輪車駕駛室的安裝固定。

（2） 實驗平臺機架變形總變形量小于2 mm，減小系統偏斜量造成的ROPS 的測量誤差。

（3） 采用激光位移傳感技術測量變形LAP 點的變形，定位方便、測試準確、故障率低，使用壽命長。

（4） 實驗平臺采用動態液壓站，具有低噪音、低脈動等特點，不間斷提供恒溫、恒壓、低脈動滿足伺服閥過濾要求的液壓油。

3.1.2 駕駛室滾翻保護結構試驗操作步驟

待檢試件固定到平臺上以后，確定好加載點（LAP），做好標記。調整作動器、側載作動器的空間位置，使作動器中心內的激光束對準LAP。根據LAP 與作動器的距離調節活動油缸座，各位置調節后，點擊試驗開始按鈕，按照設定程序依次進行主缸加載、側缸加載，每次加載需要按下確認鍵，如果主缸加載后變形較大需要重新調定側缸加載位置及試件。試驗過程中自動繪制位移、試驗力、變形、時間的組合曲線。試驗結束自動分析并保存試驗結果。

3.2 落物保護結構試驗臺搭建

試驗系統中的落物保護結構試驗臺基于GB/T1 7771-2010 標準，用于檢測礦用無軌膠輪車落物防護裝置承受落物沖擊性能，評價FOPS 在承受墜落物體時對司機提供保護的能力。根據性能要求，通過設計實現試件固定、落錘升降和安全防護。

3.2.1 實驗平臺結構部件

駕駛室落物保護試驗平臺如圖3所示。

圖3 駕駛室落物保護試驗平臺Fig.3 Cab fall protection test platform

該實驗平臺由框架、錘頭、防護罩，控制部分構成。框架由鋼制平臺、立柱構成，平臺由20 mm鋼板夾加強筋焊接而成，測試安裝面積10 m×10 m，立柱由型鋼焊接，舉架高約5 m，并留有高度擴展空間。舉升裝置由同步傳動系統、減速機、光電編碼器等組成。釋放裝置為電磁鐵。錘頭的形狀與標準一致。

安全罩由304 鋼管焊接，末端有橡膠防護筒。控制部分由PLC 控制變頻電機、計算機控制元件等構成。

本實驗平臺具有以下特點：①高度擴展空間，釋放裝置由機械控制、電子控制、程序控制等三重控制，更安全；②錘頭不淬火，無碎片飛濺并有導向機構防護，結構安全；③天車可在平臺范圍內移動，試件位置不受限制；④重錘落下高度自動調整，沖擊點位置自動調整。采用動態位移傳感器無接觸采集FOPS 主要的上部水平構件變形。

3.2.2 駕駛室落物保護試驗操作步驟

將試件固定安裝于試驗平臺，選定沖擊位置，沖擊位置應接近DLV 頂部水平面或位于DLV 頂部水平面的垂直投影范圍內。將試驗體小頭向下，放置于FOPS 上面的沖擊位置。根據試件FOPS 的形式，垂直提升試驗體到規定的高度，釋放試驗體，使之自由地落到FOPS 上。

4 駕駛室翻轉保護ROPS 側縱向垂直加載系統設計

該系統的基本組成結構如圖4所示。

圖4 駕駛室翻轉保護試驗系統基本組成Fig.4 Basic composition of cab rollover protection test system

實驗平臺采用的數據采集卡可以直接讀取DMA 數據，并為每個通道提供了相應的存儲器（RAM）。試驗時需要對駕駛室進行翻轉，因此要求力和位移的精度很高，本文選用的傳感器是先測量出模擬信號，并通過放大器等信號處理器進行電路處理，通過數據采集卡進行采集并傳輸到PC 端進行顯示和控制，保證精度滿足要求。

實驗系統劃分6 大模塊，分別為系統登陸界面、手動調試、報告設定、標定畫面、記錄查詢和測試報告。實驗操作系統操作界面如圖5所示。

圖5 實驗操作系統Fig.5 Experimental operating system

界面可直接顯示載荷數值、油缸位置、位置變形速度等重要參數，中間位置可以直接選擇實驗選項，包括側向加載、垂直加載、縱向加載，不同的加載有對應的加載杠進行控制，并在下方實時顯示位移與力之間的曲線變化圖，且可以保存記錄。用戶右上界面能夠顯示實際運行中的測試數據，并與設定值進行對比。用戶右下界面主要顯示預加載壓力值、實驗狀態等，可查詢數據記錄和報告，如圖6、圖7所示。

圖6 記錄查詢模塊Fig.6 Record query module

圖7 報告設定Fig.7 Report settings

如圖6所示，該模塊可直接顯示試驗編號，以及主要針對實驗對象的變形量、加載力值、載荷能量等重要參數的顯示。

如圖7所示，該模塊可直接編輯報告編號、項目等檢測報告中的重要參數，編輯完整之后可通過PC 端直接下載報告，減小檢測人員的工作量，最終報告如圖8所示。

圖8 報告模塊Fig.8 Report module

實驗基本通過PC 端自動控制，為了后期人工調試，添加了手動調試模塊，如圖9所示。該模塊可以手動對液壓泵站、垂向加載、側縱向加載進行控制以及對傳感器進行標定。

圖9 手動調試和標定模塊Fig.9 Manual debugging and calibration module

5 駕駛室翻轉保護FOPS 沖擊性能檢測系統設計

實驗系統包括系統登陸界面、系統控制界面、參數設定界面、實驗報告界面。實驗操作系統界面如圖10所示。

圖10 實驗操作界面Fig.10 Experimental operation interface

實驗操作界面主要控制電磁鐵釋放和回收，以及選擇兩種沖擊高度。界面中間顯示隨著高度的增加沖擊能量曲線變化程序。用戶右下界面為操作界面主要操作參數設定、實驗報告兩大模塊，參數設定模塊可以設定產品編號、型號及名稱等基本參數，為后期檢測報告提供基礎信息；實驗報告模塊可對檢測產品的沖擊高度和能量進行編輯，生成檢測報告，可用PC 端直接下載，如圖11、圖12所示。

圖11 參數設定模塊Fig.11 Parameter setting module

圖12 實驗報告模塊Fig.12 Experimental Report Module

6 安全設施

考慮到該實驗系統在實際運行過程中會出現的安全問題，如司機安全保護結構在加載的過程中嚴重變形，出現材料飛濺現象，危及周圍實驗人員安全，此次設計專門做了一個控制室，并安裝高強硬度鋼化玻璃，保護實驗人員安全；同時在目光的死角、暗角等位置安裝監控裝置。

7 結語

為了更好的解決煤礦安全生產的復雜環境導致的無軌膠輪車側翻和落石的墜落對無軌膠輪車駕駛員的安全隱患，建立了一套FOPS&ROPS 實驗平臺，該實驗平臺可以實現無軌膠輪車駕駛室在側翻與落物沖擊兩種工況下的變形、吸能與承載的參數進行測量，并建立了一套系統控制程序，為今后發展智能煤礦安全運輸方面提供了一定的參考。