工程機械ROPS的材料研究

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歐美等發(fā)達國家很早就對工程機械的安全性頒布了標準，要求使用翻車保護結構（rops）來避免工作過程中因翻車造成的人身傷亡。1999年我國頒布并實施了GB/T17922-1999《土方機械翻車保護結構試驗室試驗和性能要求》，大部分企業(yè)開發(fā)了符合國家標準要求的產品。也有的企業(yè)未能正確理解翻車保護結構（ROPS）的要求，使用的材料不能滿足標準要求，一旦發(fā)生翻車意外而造成人身傷亡，不僅要承擔經濟賠償，還會造成企業(yè)信譽損失。因此，生產帶有翻車保護結構（ROPS）的工程機械產品應當按照標準要求正確選用合格的材料。

1GB/T17922-1999標準簡介

該標準等效采用ISO3471-1994，該標準符合美國SAEJ1040C及歐洲有關安全標準規(guī)定。標準規(guī)定了在靜載荷作用下統(tǒng)一的、可重復的評價翻車保護結構（ROPS）載荷承受性能的方法，并規(guī)定了對典型的試件在這樣載荷作用下的性能要求。翻車保護結構（ROPS）有一系列的結構件，它的作用是機器翻車時使系安全帶的司機減少被擠傷的可能性。結構件包括:各種輔助支架、支撐、安裝件、支座、螺栓、銷釘、懸掛或彈性吸振器，這些結構件用來將保護結構系統(tǒng)固定在機器的機架上，結構件不包括與機器機架一體的安裝裝置。翻車保護結構在側向、垂直方向和縱向載荷作用下有撓度限制。在側向載荷作用下，規(guī)定了能量要求和撓度限制，以保證ROPS與沒有顯著變形的地面(凍土、混凝土、巖石)沖撞時發(fā)生撓曲，同時保持足夠的性能抵御翻車帶來的進一步沖擊。例如履帶式推土機及裝載機ROPS的所需側向、垂直、縱向作用力按表1公式進行計算。實際翻車造成的結構變形不需要進行重復的評價，然而特殊的要求要通過對ROPS的多次驗證來得到，即在各種實際翻車中完成所需要的功能，也可以在ROPS及其安裝機架的互換基礎上進行分析研究。因此，系安全帶的司機在下面的情況下，即在硬粘土路面上，最大坡度為30°，初始前進速度0～16km/h，繞機器的縱向軸翻轉360°時，可以不被壓傷。為了滿足ROPS安全方面要求，標準規(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明的試件材料、規(guī)格應當一致，并在－18℃及其以下的溫度下進行靜態(tài)加載時，ROPS對脆性斷裂有足夠的抵抗力。ROPS和裝在機架上的安裝件應是鋼制品，并應符合表2規(guī)定的在－30℃時V形缺口擺錘沖擊（CVN）的韌度（V形缺口擺錘試驗主要是質量控制的驗證，所表示的溫度與工作條件沒有直接關系)。

2翻車保護結構所用材料分析及選擇

翻車保護結構（ROPS）的支架一般為四柱式，通過對推土機的質量、側向作用力、側向載荷能量、垂直作用力及縱向作用力進行計算或應用計算機有限元分析，確定支架所用材料的強度、截面尺寸。支架用方鋼管或矩形鋼管。美國卡特公司用1E680，另國外某公司選用材料及我國選用的Q345D、Q345E的化學成分和拉伸性能見表3、表4，夏比（V型）沖擊試驗的試驗溫度和沖擊吸收能量見表2。從表中可以看到，其化學成分、屈服強度、拉伸強度的指標與Q345鋼材相當，但低溫沖擊功要求很嚴，若用Q235級別的材料制作翻車保護結構（ROPS）將會使其重量增加50%，增加材料和制作成本。應用比Q345級別更高的材料，生產無縫鋼管要符合翻車保護結構（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標準研制開發(fā)了適合D6、D7型履帶式推土機翻車保護結構（ROPS）的支架專用無縫鋼管（100×100×10)，其化學成分、拉伸性能和夏比（V型，-30℃）低溫沖擊功符合標準要求，滿足產品性能要求。國外公司對履帶式推土機翻車保護結構（ROPS）支架所用無縫鋼管型號為：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。支架用無縫方鋼管可國內解決，采用Q345E級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行正火處理、去應力、細化組織，以確保性能。支架的焊接應采用二氧化碳氣體保護焊以確保質量，焊絲要具有耐低溫沖擊功，焊后要進行探傷檢驗，焊縫內在質量符合表2中的國家標準要求。與支架焊接的底座一般是鑄鋼件，該底座的化學成分和拉伸強度與支架相當，一定要符合表2低溫沖擊功要求。

3結束語

設計工程機械翻車保護結構（ROPS）時，選用材料不僅要考慮材料的化學成分、強度，更要符合國家標準要求的夏比（V型，-30℃）低溫沖擊功。材料選擇可借鑒國外公司的標準，使用專用無縫方鋼管，從而使設計生產的翻車保護結構（ROPS）符合國家標準的要求，滿足用戶安全性的需求。