工程机械驾驶室优化方法研究

工程机械驾驶室优化方法研究

张成龙

临沂临工金利机械有限公司   山东 临沂 276000

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和密封性能差的问题，分析工程机械驾驶室ROPS承载结构的形式和特点以及各密封结构形式，指出安全驾驶室的设计方法及相应的优化方向，设计出舒适性、安全性高的驾驶室尤为关键，同时提出从骨架设计、密封结构设计和焊接制造定位夹紧结构等方面的优化设计方法。

关键词：工程机械；驾驶室；保护结构；密封；优化设计

引言

伴随着我国工程机械的崛起，国产品牌工程机械已经占到我国工程机械市场的80%以上。与此同时我国的工程机械产品也在走向国外和其它地区。随着国内政策以及从业人员对于工程机械驾驶室的安全性和舒适性越来越重视以及欧美市场要求工程必须配备安全驾驶室的要求，研究如何设计工程机械安全舒适的驾驶室，进而探讨如何优化现行设计具有重要意义。

1、翻滚防护装置（ROPS）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。驾驶室滚翻保护结构（Roll Over Protective Structure，ROPS）是一种被动保护装置，其主要由一系列型材通过焊接或者装配组合成一个足够大的空间作为容身区。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。ROPS结构形式可分为单立柱式、双立柱式和多立柱式结构，图1所示为ROPS结构形式简图。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。

图1  ROPS结构形式简图

ROPS在机器发生翻滚时能为驾驶员提供三种有效的防护：组织车辆连续翻滚，减小翻滚角度；保证操作者有必要的容身空间；吸收能量防止倾翻对于驾驶员的冲击。

2驾驶室优化方法

2.1安全驾驶室的设计方法

安全驾驶室的结构设计应包含机器在发生倾翻事故时所期望承受冲击和吸收能量的任何部件。主要包括以下几个部分：ROPS框架、车架、减震器、连接紧固件。

安全驾驶室骨架的设计是在驾驶室造型设计已经完成的前提下进行，骨架必须在已限定的空间内确定承载杆件和相应的辅助加强筋板的设计布置方案，布置方案一旦王城即可进行骨架的结构设计，主要包含骨架空间尺寸、形状、杆件截面尺寸及厚度、接头形式、焊缝类型等。通过FEA分析计算，只有强度和能量吸收两个要求全部满足后，方可制作样品进行试验室试验并取得相应证书。

2.2定位机构设计

目前工程机械安全驾驶室不论是框架焊接结构还是薄板冲压焊接结构，都大量使用了焊接工艺。因此焊接质量的好坏直接影响了安全驾驶室能否满足设计和使用要求。定位机构是焊接夹具中最重要的部分，它的精度直接决定了产品焊接的精度，所以在夹具设计时要充分考虑定位机构的定位可靠性以及它的加工可达到的精度。型材驾驶室焊接夹具的定位组件一般根据其型材驾驶室的产量来确定类型，主要分为固定式和可调整式两大类。（1）固定式，即定位机构是固定不动的，所有定位面、定位销的位置都是通过先焊接钢板再用数控铣床一次性加工出来的。这种方式的优点是：初始定位精度较高、夹具制造速度较快。其缺点是：在夹具经过长时间的使用后，其定位受到磨损、变形，将导致定位精度变差，而其定位机构是固定不变的，不方便及时进行调整，需要重新送至数控机床进行加工，比较费时费力。这种固定式的定位机构适用于产量较少、焊接尺寸精度要求偏低、夹具需求时间较短的型材驾驶室类型。固定式定位机构见图2。（2）可调整式，即定位面、定位销的位置可通过增减垫片来进行调整，这种定位机构是通过先加工出各个定位块、L连接块等然后再一件件装配上去。这种方式的优点是：定位可进行调整，其精度可调整到非常高；由于需要先加工出各个定位元件再装配上去，定位元件本身可进行热处理而达到较高的硬度与耐磨度，因此其精度长期性较好，后期维修也较方便，随时可通过增减垫片来调整定位的位置。其缺点是：制造成本较高，制造周期非常长。这种可调整式的定位机构适用于产量较大、焊接尺寸精度要求高、夹具需求周期比较长的型材驾驶室类型。可调整式定位机构见图3。

图2固定式定位机构示意图

图3可调式定位机构示意图

2.3夹紧机构设计

焊接过程是一个热胀冷缩的过程，因此在驾驶室的焊接过程中必须使用夹紧机构用于矫正变形的工件、缩小工件间的搭接间隙，将工件夹紧固定在正确的位置上（基准面），避免焊接作业时工件错位或变形，确保工件焊接精度的稳定性。型材驾驶室的夹紧机构一般分为手动式夹紧和气动夹紧。手动式夹紧即采用手动快速夹钳进行夹紧，而气动夹紧则采用气缸的推动用气路进行夹紧。一般根据型材驾驶室的产量以及工件要求的精度来进行选用，对于产量小需考虑成本因素、精度要求不是很高的情况下选用手动夹紧，对于产量大、精度要求高的情况下需采用气动夹紧。手动夹紧结构简单，只需将快速夹钳根据夹紧的位置直接焊或装配至支撑板上即可。其优点是成本低、安装及维修简单方便，快速夹钳为标准件，可以根据需要的型号直接采购，从而可以随时配装、随时维修更换。其缺点是作业效率低，需一个个地进行手动夹紧，稳定性差，需要经常更换。气动夹紧则较为复杂，为实现气动夹紧需配置一套完全的气路控制系统。其优点是作业效率高、精度稳定性高；缺点是成本高，需要采购相应的控制元件、气路、气缸、接头等，维修更换也比较麻烦。

在夹紧机构设计时，要考虑到为方便装卸工件，必须保证夹紧臂有一定的开启角度。一般而言，夹紧臂打开以后，其与工件间隙沿搬运方向的投影不小于30mm。

2.4驾驶室的密封

驾驶室的密封是为了保证驾驶员的操作空间尽可能的舒适，进而降低劳动疲劳，提高生产效率。为了减轻驾驶室重量，增大驾驶员视野面积，玻璃件在现代驾驶室中被广泛应用，车窗玻璃的密封性对增压驾驶室密封性有直接的影响。在增压驾驶室中，车窗玻璃的密封方式主要有两种，分别是密封胶黏接密封和镶嵌式装配密封。密封胶黏接密封是通过密封胶直接将玻璃与窗户框相连接，此时密封胶承担密封与连接两个责任。密封胶常用聚氨酯密封胶，主要成分为聚氨酯橡胶及聚氨酯预聚体，特点为拉伸强度高，弹性好，耐磨性、耐寒性和耐油性良好，使用寿命可长达20年，价格适中。工艺步骤一般为：打磨、清洗、上底胶、施胶、玻璃黏接、填缝、密封，汽车的挡风玻璃常采用此类安装方式。镶嵌式装配密封安装是指橡胶密封条等密封元件受到玻璃与玻璃窗框的挤压，压缩后形成密封。橡胶密封条常使用热塑性三元乙丙橡胶密封条，这种密封条伸缩强度大，不会吸水，耐腐蚀性好，使用寿命长。采用这种安装方式时，可选用与钣金件重叠面积大的密封条，并增大密封条的压缩量，以增加密封条的密封效果。

工程机械的驾驶室中操纵件较多，例如挡位变换和液压控制装置等，这些操纵装置会与驾驶室外部相关设施相连产生缝隙，影响密封性，而且操纵机构的使用又很频繁，所以常选用波纹密封套进行封堵。在操纵杆摆动时，可以利用密封套的波纹来满足密封套跟随操纵杆摆动时的位移，减少波纹密封套与地板连接处的位移，增强其密封效果，同时也可以通过加大密封套与地板重叠的面积来提高密封性。

结语

本文总结了驾驶室ROPS的优化设计方法，并对各优化方向给与了一定的参考性意见和方向，通过上述各项优化不仅可以保证新设计的驾驶室满足防滚翻性能还能提高其舒适性。在国内外推行驾驶室安全和舒适标准的大趋势下，从设计和制造多方向优化匹配使用，对于解决驾驶室安全性能不足或冗余和舒适性差的问题尤为重要。

参考文献

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[3]纪淑霞,曹刚,常杰.焊接夹具在驾驶室制作过程中的作用及设计原则[J].内燃机与配件,2019(06):88-89.