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工程車輛翻車安全技術(shù)研究進(jìn)展

文檔作者：魏秀玲1 2 王國強(qiáng)1 王新閣2 張顯余2 文檔來源： 1．吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院；2．空軍航空大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年04月27日
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工程車輛翻車安全技術(shù)研究進(jìn)展
魏秀玲1I2，王國強(qiáng) ，王新閣 ，張顯余
(1．吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院；2．空軍航空大學(xué))
摘要：工程車輛由于自重大、工作環(huán)境復(fù)雜、行駛路況惡劣和承載運(yùn)行時整車穩(wěn)定性下降等原因，致使
車事故經(jīng)常發(fā)生，致命傷害率極高。工程車輛翻車事故中駕駛員安全問題日益引起人們的重視。為了減少翻車
j故的發(fā)生，保障司駕人員的生命安全，必須對工程車輛的翻車安全技術(shù)進(jìn)行研究。介紹了國外工程車輛翻車安
技術(shù)的研究現(xiàn)狀，與國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行簡要對比分析，并對翻車安全技術(shù)研究的發(fā)展趨勢進(jìn)行分析預(yù)測。
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關(guān)鍵詞：工程車輛：翻車保護(hù)結(jié)構(gòu)；計算機(jī)仿真；駕駛員約束系統(tǒng)
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工程車輛屬于非公路車輛，由于其工作環(huán)境復(fù)
雜、行駛路況惡劣和承載運(yùn)行時整車穩(wěn)定性下降等
原因，翻車事故時有發(fā)生。為了降低工程車輛翻車事
故率，保障駕駛員生命安全，目前采用的方法主要是
在工程車輛上加裝翻車保護(hù)結(jié)構(gòu)(Roll—over protec—
tive structure，簡稱ROPS)。文獻(xiàn)[1】規(guī)定了ROPS實(shí)驗(yàn)
室試驗(yàn)的性能要求，但只是靜態(tài)加載試驗(yàn)，沒有考慮
翻車過程中駕駛員身體運(yùn)動及其加速度造成的沖
擊。滿足國際標(biāo)準(zhǔn)要求的ROPS并不能避免駕駛員
在翻車過程中與駕駛室碰撞造成的損傷。因此翻車
安全l生能研究除研究翻車保護(hù)結(jié)構(gòu)性能外，還應(yīng)研
究駕駛員約束系統(tǒng)以及駕駛室內(nèi)部設(shè)計等內(nèi)容。
本文論述了國外翻車安全技術(shù)的研究現(xiàn)狀，與
國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行簡要對比分析，并對翻車安全技
術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行分析預(yù)測。
1 翻車安全技術(shù)的研究現(xiàn)狀
1．1 翻車保護(hù)結(jié)構(gòu)性能研究
翻車保護(hù)結(jié)構(gòu)具有一系列的結(jié)構(gòu)件，它的作用
是當(dāng)工程車輛翻車時，減小對系安全帶坐在駕駛室
內(nèi)駕駛員擠傷的可能性，如圖1所示。其中圖1(a)是
未安裝ROPS的翻車情形：翻車后駕駛室嚴(yán)重變形，
致使駕駛員的生命安全受到嚴(yán)重威脅；圖1(b)是加
裝ROPS后的翻車情形：ROPS可有效避免駕駛員被
(a)駕駛室嚴(yán)重變形
(b)ROPS示意圖
圖1 ROPS對駕駛員的保護(hù)作用
軋傷，提高了駕駛員生命安全的保障水平。
翻車保護(hù)結(jié)構(gòu)性能主要研究ROPS的試驗(yàn)方
法、設(shè)計方法以及新型結(jié)構(gòu)的研制等。
1．1．1 試驗(yàn)方法研究
為了測試ROPS的性能，早期的做法是實(shí)車翻
車試驗(yàn)。美國、日本等國家在這方面做了許多工作。
日本還利用坡道對液壓挖掘機(jī)翻車保護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行
過現(xiàn)場試驗(yàn)(如圖2)?，F(xiàn)場試驗(yàn)可以獲得翻車過程
國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50775095)
作者簡介：魏秀玲(1973一)，女，黑龍江鶴崗人，講師，博士生，研究方向：工程車輛翻車安全技術(shù)。
一5O一
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圖2 液壓挖掘機(jī)ROPS現(xiàn)場翻車試驗(yàn)
中的動態(tài)數(shù)據(jù)，但費(fèi)用昂貴、可重復(fù)性差，一般只用
作研究性試驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)室靜態(tài)加載試驗(yàn)的驗(yàn)證性試
驗(yàn)。為了克服現(xiàn)場試驗(yàn)的上述缺點(diǎn)，Busatti等開發(fā)
了對各種工程車輛ROPS進(jìn)行試驗(yàn)的試驗(yàn)臺和測試
系統(tǒng)【2】。該試驗(yàn)臺在水平和垂直方向可施加的力均
超過2 000 kN。
1．1．2 設(shè)計方法的研究
為了使ROPS通過永久變形吸收側(cè)向翻車時的
沖擊能量，工程車輛翻車保護(hù)結(jié)構(gòu)工作時，通常使用
材料的塑性變形階段，有時ROPS整體會形成塑性
機(jī)構(gòu)。從上述對ROPS的性能要求和工作時構(gòu)件應(yīng)
力、應(yīng)變及其整體變形量來看，ROPS設(shè)計和性能計
算屬于塑性大變形的非線性問題。若使用材料的彈
性極限設(shè)計ROPS，則材料未充分發(fā)揮其潛在塑性部
分的承載能力，增加ROPS的自重和制造成本，所以
應(yīng)該把材料屈服以后的塑性變形階段考慮進(jìn)來。若
假設(shè)ROPS材料服從理想塑性，則ROPS變成幾何
可變的機(jī)構(gòu)，ROPS喪失承載能力，不能繼續(xù)增加抵
抗翻車載荷的能力，這種狀態(tài)稱為塑性極限狀態(tài)，相
應(yīng)載荷稱為極限載荷。但在外力作用下ROPS仍可
持續(xù)轉(zhuǎn)動，而且這種轉(zhuǎn)動可以使塑性區(qū)域的應(yīng)變能
持續(xù)增加，ROPS大量吸收翻車沖擊動能。
上述ROPS在外載荷作用下的物理過程，用理
論解析法很難表達(dá)。塑性極限定理方法雖然可以方
便地計算出ROPS的極限承載力，但其中的假設(shè)過
MSC／NASTRAN大型非線性有限元軟件分析了鏟運(yùn)
機(jī)翻車保護(hù)結(jié)構(gòu)的性能和變形特點(diǎn)，為應(yīng)用非線性
有限元方法進(jìn)行ROPS性能計算打下基礎(chǔ)131。T．H．Kim
等推導(dǎo)了基于梁單元理論的ROPS計算方法，并與
ABAQUS軟件獲得的結(jié)果進(jìn)行對比嗍。他提出的塑性
鉸簡化計算方法為ROPS早期設(shè)計提供了實(shí)用的工
具。
由于工程車輛不斷向大型化方向發(fā)展，質(zhì)量達(dá)
到數(shù)百噸，對這類車輛的翻車保護(hù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行破壞性
試驗(yàn)，費(fèi)用高，對試驗(yàn)裝備要求也高。針對這一問題，
澳大利亞Queensland科技大學(xué)的Clark等人用非線
性有限元軟件對ROPS模型進(jìn)行了側(cè)向、縱向和垂
直方向加載的分析，并用比例模型代替實(shí)物樣機(jī)進(jìn)
行試驗(yàn)驗(yàn)證[51。結(jié)果表明：側(cè)向和垂向加載分析結(jié)果
與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性；縱向分析結(jié)果與試
驗(yàn)結(jié)果有一定差距，原因可能是縱向加載為最后進(jìn)
行的加載試驗(yàn)，前面加載試驗(yàn)存在殘余應(yīng)力以及累
積誤差。
綜上所述，應(yīng)用非線性有限元軟件進(jìn)行ROPS
設(shè)計和性能仿真，從設(shè)計階段對ROPS進(jìn)行優(yōu)化，提
高和改善ROPS性能，是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。
1．1．3 新型ROPS的研制
在對傳統(tǒng)ROPS結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化的同時，
人們還在進(jìn)行新型ROPS的研究探索。美國西弗吉
尼亞大學(xué)機(jī)械航空工程系和國家職業(yè)安全與健康研
究所(Nation Institute of Occupation Safety and Health
簡稱NIOSH)合作，著重開發(fā)了中小型拖拉機(jī)的可展
開式AutoROPS。
AutoROPS包括兩個子系統(tǒng)：一是可收縮式
ROPS，安裝于拖拉機(jī)的后軸，正常工作時處于最低
位置；一是傳感器，用于監(jiān)控車輛的運(yùn)行姿態(tài)。一旦
傳感器探測到發(fā)生翻車事故，可收縮式ROPS展開
并鎖止在最高位置。圖3所示為側(cè)向翻車試驗(yàn)。
雖然ROPS是避免翻車事故造成傷亡的一種有
一51—
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(a)AutoROPS處于最低位置
(b)翻車中AutoPOPS展開
圖3 側(cè)向翻車試驗(yàn)
效裝置，但它只是提供被動的防護(hù)。減小翻車引起的
傷亡最有效的方法是避免翻車事故的發(fā)生，即提高
車輛的主動安全性。文獻(xiàn)[6]對SIL(Sensor—in—the—
Loop)車輛姿態(tài)模擬器進(jìn)行研究和外場試驗(yàn)，這種模
擬器通過預(yù)測拖拉機(jī)前方姿態(tài)和運(yùn)動狀態(tài)，提供翻
車危險警告，防止翻車事故的發(fā)生。隨著新型復(fù)合材
料的不斷出現(xiàn)，人們開始探討它們在ROPS設(shè)計中
的應(yīng)用。美國NIOSH的John R．Etherton等人研究用
玻璃纖維加強(qiáng)塑料(Fiberglass Reinforced Plastic，簡
稱FRP)~iIJ造農(nóng)用拖拉機(jī)ROPSn。
1．2 駕駛員約束系統(tǒng)及安全駕駛室內(nèi)部設(shè)計
ROPS為駕駛員提供了一定的生存空間，但是只
考慮在翻車事故中駕駛員坐在座位上的情況，并沒
有考慮在低速翻車過程中，人員上軀體未被約束而
離開座椅的情況，并且沒有考慮工程車輛翻車過程
中駕駛員身體運(yùn)動及其加速度造成的沖擊等。這些
都可能導(dǎo)致駕駛員與駕駛室發(fā)生碰撞，造成駕駛員
受傷或死亡。近年來國外一些研究機(jī)構(gòu)以碰撞生物
力學(xué)為基礎(chǔ)，以人體損傷值為評價標(biāo)準(zhǔn)，對各種駕駛
員保護(hù)系統(tǒng)的效能進(jìn)行評估和試驗(yàn)，提高工程車輛
的翻車安全水平。
1．2．1 安全帶
目前工程車輛駕駛員約束系統(tǒng)的最低要求是兩
點(diǎn)式腰帶，沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要安裝更加復(fù)雜的約束系
統(tǒng)。但國外一些機(jī)構(gòu)已開始對各種安全帶及其安裝
一52一
固定器在不同車型、不同翻車事故中的約束效能進(jìn)
行了評估。目的是尋找能夠在翻車事故中給駕駛員
提供最佳保護(hù)的約束方式，為工程車輛翻車安全設(shè)
計提供參考。
Appel等通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的方法研究約束系統(tǒng)
的效能罔。發(fā)現(xiàn)兩點(diǎn)式腰帶與肩部支撐一同使用，可
以達(dá)到最佳效果。隨著計算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，人們
開始應(yīng)用軟件進(jìn)行工程車輛翻車駕駛員約束系統(tǒng)的
仿真。Tomas等應(yīng)用MADYMO軟件構(gòu)造了一個安裝
ROPS的推土機(jī)模型，進(jìn)行側(cè)向翻車試驗(yàn)[91。結(jié)果表
明：沒有約束的駕駛員很可能從駕駛室中被拋出，在
推土機(jī)翻滾過程中被碾壓在下面；當(dāng)駕駛員佩戴兩
點(diǎn)式安全帶進(jìn)行翻車試驗(yàn)時，駕駛員不會被拋出。三
點(diǎn)式安全帶及肩帶也可以獲得同樣的結(jié)果。
2005年英國健康和安全執(zhí)行局(Health and
Safety Executive簡稱HSE)發(fā)表了采石場車輛翻車
事故中安全帶性能評估報告㈣。對采石場中的4種車
型：剛性自卸車、鉸接式自卸車、輪式裝載機(jī)和推土
機(jī)，應(yīng)用MADYMO軟件構(gòu)造模型進(jìn)行數(shù)值仿真，評
估了不同約束系統(tǒng)在不同翻車事故中的效能(如圖4
所示)。結(jié)果表明：對于采石場車輛來說，佩戴全背帶
式安全帶在翻車事故中可以更好地保障駕駛員的安
全。
輪式裝裁機(jī) 推十機(jī)
圖4 90。動態(tài)翻車全背帶式安全帶對駕駛員的約束
1．2．2 安全駕駛室內(nèi)部設(shè)計
ROPS為駕駛員提供了一定的生存空間，安全帶
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將駕駛員限制在座椅上，減小了駕駛?cè)藛T與駕駛室 時，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及有限元及多體動力
內(nèi)部結(jié)構(gòu)碰撞的幾率，但是仍避免不了在翻車過程
中人員與車內(nèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生二次碰撞。因此在駕駛室內(nèi)
部設(shè)計時要考慮加大人體與室內(nèi)構(gòu)件的接觸面積，
避免產(chǎn)生點(diǎn)接觸，減少碰撞造成的單位面積擠壓力
或使碰撞力轉(zhuǎn)移到人體非要害部位。這就涉及到室
內(nèi)部件的布置、吸能材料的選取、室內(nèi)表面的軟飾
化、內(nèi)飾件的軟化、儀表板的軟化和車內(nèi)凸出物的限
制等問題。
對現(xiàn)有駕駛室進(jìn)行風(fēng)險評估，找出對駕駛員最
容易造成傷害的部位，加以改進(jìn)，也是提高駕駛室安
全性的有效手段。
1．3 其它翻車安全技術(shù)
以上論述的只是常規(guī)的翻車安全技術(shù)。目前在
汽車主動安全和被動安全方面發(fā)展出的一些新興技
術(shù)，正在應(yīng)用到相應(yīng)的工程車輛翻車安全技術(shù)上來。
如在被動安全方面，車輛座椅安全防護(hù)裝置能在車
輛遭受撞擊或翻滾時，迅速移動及傾斜，產(chǎn)生反作用
力來增加車艙內(nèi)設(shè)施的空間，以減緩或抵消撞擊發(fā)
生時所產(chǎn)生的慣性力，同時也可避免駕駛員身體因
劇烈甩動、撞擊車艙內(nèi)設(shè)施導(dǎo)致的傷亡。隨著IT行
業(yè)的迅猛發(fā)展，在汽車被動安全領(lǐng)域，駕駛員約束系
統(tǒng)繼安全帶、安全氣囊之后，已開始向智能安全約束
系統(tǒng)發(fā)展。其基本思想是盡可能多地收集和利用有
關(guān)駕駛員形體位置、撞車類型和撞車速度的數(shù)據(jù)，建
立數(shù)據(jù)庫；對某一碰撞中獲得的駕駛員和車輛的有
關(guān)信息進(jìn)行判斷識別，使人體獲得最佳的保護(hù)等。在
主動安全方面，電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)(ESP)是～個實(shí)
時監(jiān)控系統(tǒng)，通過監(jiān)控駕駛員的操控、路面反應(yīng)和汽
車運(yùn)動狀態(tài)，不斷向發(fā)動機(jī)和制動系統(tǒng)發(fā)出指令，調(diào)
控發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速并調(diào)整每個車輪的制動力(四通道
系統(tǒng))，以修正汽車的過度轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向不足，避免翻
車事故的發(fā)生；并且在主動干預(yù)的同時用警告燈警
示駕駛員。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，主動與被動安全技
術(shù)的融合是一種必然趨勢。對駕駛環(huán)境實(shí)施全面監(jiān)
控，集中比較、分析多方面的數(shù)據(jù)，在必要時自動地
或輔助駕駛員采取正確的防護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的安
全性能，最大程度地保護(hù)車輛和駕駛員的安全。
1．4 工程車輛翻車安全技術(shù)的研究方法
工程車輛翻車安全技術(shù)的研究最初是由試驗(yàn)來
完成的，主要包括實(shí)車試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。由于實(shí)車
試驗(yàn)價格昂貴、結(jié)果不穩(wěn)定、可重復(fù)性差并且十分費(fèi)
學(xué)理論的發(fā)展，人們越來越多地應(yīng)用計算機(jī)仿真方
法進(jìn)行工程車輛的翻車安全技術(shù)研究。計算機(jī)仿真
與試驗(yàn)相比具有費(fèi)用低、周期短、可重復(fù)性好和限制
條件少等優(yōu)點(diǎn)。但不是說計算機(jī)仿真可以完全脫離
試驗(yàn)或代替試驗(yàn)，計算機(jī)仿真結(jié)果的正確與否最終
需要經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證。
現(xiàn)階段采用計算機(jī)仿真的方法研究工程車輛翻
車安全技術(shù)，主要是利用非線性有限元分析軟件對
ROPS性能進(jìn)行預(yù)測和改進(jìn)；利用多剛體動力學(xué)分析
軟件在不考慮車身變形的前提下，研究翻車過程中
駕駛員的動態(tài)響應(yīng)。工程車輛發(fā)生翻車事故過程是
一個瞬態(tài)的、復(fù)雜的物理過程，為了準(zhǔn)確描述在翻車
過程中車身變形過程、系統(tǒng)中的變形部件以及人體
的動態(tài)響應(yīng)，可以采用顯式非線性有限元方法計算
車輛翻車碰撞中的變形情況和變形部件、速度和加
速度分布及應(yīng)力與應(yīng)變分布。這類軟件以LS—DY—
NA3D和PAM—CRASH為代表，在此基礎(chǔ)上采用多
體動力學(xué)方法計算人體在翻車過程中的動態(tài)響應(yīng)。
2 翻車安全技術(shù)研究國內(nèi)外差距
國外大型公司和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)在ROPS標(biāo)準(zhǔn)制
定、設(shè)計理論、設(shè)計方法和試驗(yàn)技術(shù)等方面都取得較
大成果，產(chǎn)品比較先進(jìn)。我國1999年發(fā)布了關(guān)于土
方機(jī)械保護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室鑒定撓曲極限量的國家標(biāo)準(zhǔn)
和翻車保護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)國家標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)等
同采用了對應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)。2001年發(fā)布的工程機(jī)械
通用安全技術(shù)要求中增加了關(guān)于ROPS的內(nèi)容。河
北工業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)、大連理工大學(xué)和四川大學(xué)等
高校，在ROPS實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、設(shè)計理論及設(shè)計方法等
方面開展了大量的工作，并取得了一定的成果。國內(nèi)
相關(guān)大型企業(yè)也已經(jīng)開始重視ROPS的研究，如柳
工機(jī)械股份有限公司、廈工工程機(jī)械股份有限公司
和上海彭浦機(jī)器廠有限公司等正在開展關(guān)于ROPS
設(shè)計和制造方面的研究。但總體上講，由于起步較晚
與國外研究水平還有一定差距。
國外針對不同機(jī)型在不同翻車事故中，對于不
同約束方式的效能評估方面已經(jīng)做了大量的試驗(yàn)研
究和仿真分析，而我國在這方面的研究還屬于空白。
對于各種工程車輛駕駛室的風(fēng)險評估方面的研究我
國還未見報道。
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由于在翻車事故中，駕駛員可能與駕駛室內(nèi)部
結(jié)構(gòu)發(fā)生二次碰撞而造成傷害，因此必須對約束系
統(tǒng)效能進(jìn)行評估?？偨Y(jié)國外經(jīng)驗(yàn)，一般可采用整車試
驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和計算機(jī)模擬相結(jié)合的方法，對不同
車型、不同翻車事故中，約束系統(tǒng)的效能進(jìn)行評估。
依據(jù)人體損傷標(biāo)準(zhǔn)來評判各種約束系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，
為工程車輛翻車安全設(shè)計提供參考。
3．5 借鑒汽車行業(yè)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)
目前，汽車行業(yè)已經(jīng)具有比較全面的翻車試驗(yàn)
法規(guī)，在結(jié)構(gòu)防撞性、乘員約束性能分析及優(yōu)化等方
面的理論和試驗(yàn)研究較為深入。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)
展，大量新興技術(shù)應(yīng)用于汽車安全技術(shù)方面，進(jìn)一步
提高了汽車的安全性能。因此，在工程車輛翻車試驗(yàn)
·-- — — 54·--——
法規(guī)的制定、駕駛員約束系統(tǒng)性能分析及優(yōu)化和新
興技術(shù)的應(yīng)用等方面，可以借鑒汽車行業(yè)的先進(jìn)經(jīng)
驗(yàn)，指導(dǎo)工程車輛安全性能的發(fā)展。
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通信地址：吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院(130022)
(收稿時間：2009—04—24)
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