工程機(jī)械ROPS的材料研究

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歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家很早就對(duì)工程機(jī)械的安全性頒布了標(biāo)準(zhǔn)，要求使用翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)（rops）來(lái)避免工作過(guò)程中因翻車(chē)造成的人身傷亡。1999年我國(guó)頒布并實(shí)施了GB/T17922-1999《土方機(jī)械翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室試驗(yàn)和性能要求》，大部分企業(yè)開(kāi)發(fā)了符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的產(chǎn)品。也有的企業(yè)未能正確理解翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)（ROPS）的要求，使用的材料不能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，一旦發(fā)生翻車(chē)意外而造成人身傷亡，不僅要承擔(dān)經(jīng)濟(jì)賠償，還會(huì)造成企業(yè)信譽(yù)損失。因此，生產(chǎn)帶有翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)（ROPS）的工程機(jī)械產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)按照標(biāo)準(zhǔn)要求正確選用合格的材料。

1GB/T17922-1999標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

該標(biāo)準(zhǔn)等效采用ISO3471-1994，該標(biāo)準(zhǔn)符合美國(guó)SAEJ1040C及歐洲有關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在靜載荷作用下統(tǒng)一的、可重復(fù)的評(píng)價(jià)翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)（ROPS）載荷承受性能的方法，并規(guī)定了對(duì)典型的試件在這樣載荷作用下的性能要求。翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)（ROPS）有一系列的結(jié)構(gòu)件，它的作用是機(jī)器翻車(chē)時(shí)使系安全帶的司機(jī)減少被擠傷的可能性。結(jié)構(gòu)件包括:各種輔助支架、支撐、安裝件、支座、螺栓、銷(xiāo)釘、懸掛或彈性吸振器，這些結(jié)構(gòu)件用來(lái)將保護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)固定在機(jī)器的機(jī)架上，結(jié)構(gòu)件不包括與機(jī)器機(jī)架一體的安裝裝置。翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)在側(cè)向、垂直方向和縱向載荷作用下有撓度限制。在側(cè)向載荷作用下，規(guī)定了能量要求和撓度限制，以保證ROPS與沒(méi)有顯著變形的地面(凍土、混凝土、巖石)沖撞時(shí)發(fā)生撓曲，同時(shí)保持足夠的性能抵御翻車(chē)帶來(lái)的進(jìn)一步?jīng)_擊。例如履帶式推土機(jī)及裝載機(jī)ROPS的所需側(cè)向、垂直、縱向作用力按表1公式進(jìn)行計(jì)算。實(shí)際翻車(chē)造成的結(jié)構(gòu)變形不需要進(jìn)行重復(fù)的評(píng)價(jià)，然而特殊的要求要通過(guò)對(duì)ROPS的多次驗(yàn)證來(lái)得到，即在各種實(shí)際翻車(chē)中完成所需要的功能，也可以在ROPS及其安裝機(jī)架的互換基礎(chǔ)上進(jìn)行分析研究。因此，系安全帶的司機(jī)在下面的情況下，即在硬粘土路面上，最大坡度為30°，初始前進(jìn)速度0～16km/h，繞機(jī)器的縱向軸翻轉(zhuǎn)360°時(shí)，可以不被壓傷。為了滿(mǎn)足ROPS安全方面要求，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了材料的溫度和沖擊功要求。ROPS用的材料與合格證上所說(shuō)明的試件材料、規(guī)格應(yīng)當(dāng)一致，并在－18℃及其以下的溫度下進(jìn)行靜態(tài)加載時(shí)，ROPS對(duì)脆性斷裂有足夠的抵抗力。ROPS和裝在機(jī)架上的安裝件應(yīng)是鋼制品，并應(yīng)符合表2規(guī)定的在－30℃時(shí)V形缺口擺錘沖擊（CVN）的韌度（V形缺口擺錘試驗(yàn)主要是質(zhì)量控制的驗(yàn)證，所表示的溫度與工作條件沒(méi)有直接關(guān)系)。

2翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)所用材料分析及選擇

翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)（ROPS）的支架一般為四柱式，通過(guò)對(duì)推土機(jī)的質(zhì)量、側(cè)向作用力、側(cè)向載荷能量、垂直作用力及縱向作用力進(jìn)行計(jì)算或應(yīng)用計(jì)算機(jī)有限元分析，確定支架所用材料的強(qiáng)度、截面尺寸。支架用方鋼管或矩形鋼管。美國(guó)卡特公司用1E680，另國(guó)外某公司選用材料及我國(guó)選用的Q345D、Q345E的化學(xué)成分和拉伸性能見(jiàn)表3、表4，夏比（V型）沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度和沖擊吸收能量見(jiàn)表2。從表中可以看到，其化學(xué)成分、屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度的指標(biāo)與Q345鋼材相當(dāng)，但低溫沖擊功要求很?chē)?yán)，若用Q235級(jí)別的材料制作翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)（ROPS）將會(huì)使其重量增加50%，增加材料和制作成本。應(yīng)用比Q345級(jí)別更高的材料，生產(chǎn)無(wú)縫鋼管要符合翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)（ROPS）的低溫沖擊功的要求難度太大，成本很高。鞍鋼根據(jù)卡特1E680標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)了適合D6、D7型履帶式推土機(jī)翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)（ROPS）的支架專(zhuān)用無(wú)縫鋼管（100×100×10)，其化學(xué)成分、拉伸性能和夏比（V型，-30℃）低溫沖擊功符合標(biāo)準(zhǔn)要求，滿(mǎn)足產(chǎn)品性能要求。國(guó)外公司對(duì)履帶式推土機(jī)翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)（ROPS）支架所用無(wú)縫鋼管型號(hào)為：76.2×76.2×6.35、101.6×101.6×6.35、127×127×6.35、127×127×9.532、152.4×152.4×12.7。支架用無(wú)縫方鋼管可國(guó)內(nèi)解決，采用Q345E級(jí)別的鋼管再軋制而成，合同中一定要注明確保低溫沖擊功。重新軋制出的方鋼管要進(jìn)行正火處理、去應(yīng)力、細(xì)化組織，以確保性能。支架的焊接應(yīng)采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊以確保質(zhì)量，焊絲要具有耐低溫沖擊功，焊后要進(jìn)行探傷檢驗(yàn)，焊縫內(nèi)在質(zhì)量符合表2中的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。與支架焊接的底座一般是鑄鋼件，該底座的化學(xué)成分和拉伸強(qiáng)度與支架相當(dāng)，一定要符合表2低溫沖擊功要求。

3結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)工程機(jī)械翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)（ROPS）時(shí)，選用材料不僅要考慮材料的化學(xué)成分、強(qiáng)度，更要符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的夏比（V型，-30℃）低溫沖擊功。材料選擇可借鑒國(guó)外公司的標(biāo)準(zhǔn)，使用專(zhuān)用無(wú)縫方鋼管，從而使設(shè)計(jì)生產(chǎn)的翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)（ROPS）符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，滿(mǎn)足用戶(hù)安全性的需求。