Оценка безопасности усиленной системы ROPS бульдозера Б14

O.A. Grebenshchikova1, , I.P. Troyanovskaya1, , A.A. Abyzov2,

Вопросы безопасности и жизнедеятельности человека всегда имели приоритетное значение. Эти вопросы, как правило, регламентируются различными законами или ГОСТами [1, 2]. В настоящий момент (после вступления России в Таможенный союз), все защитные устройства тракторных агрегатов подлежат обязательной сертификации [3, 4] на основе технического регламента [5]. Одной из основных систем пассивной безопасности является защитная кабина ROPS (RollOver Protective Structure), предназначенная для снижения риска повреждений оператора тракторного агрегата при опрокидывании [6–8].

Бульдозер является одним из ярких представителей землеройных тракторных агрегатов, предназначенных для разработки грунта. Они широко используются при строительстве каналов и гидроэлектростанций, шоссейных и железных дорог, добыче полезных ископаемых, при сооружении различных промышленных и гражданских объектов, прокладке магистральных нефте- и газопроводов и других отраслях народного хозяйства.

Одним из ведущих производителей отечественных бульдозеров является Челябинский тракторный завод (ЧТЗ). Наиболее популярными моделями бульдозеров производства ЧТЗ являются бульдозеры Б11 и Б14, характеризуемые высокой степенью унификации. Для улучшения обзорности на обеих моделях бульдозеров используется шестигранная кабина.

Использование одинаковой кабины подразумевает возможность единой конструкции защитной системы ROPS. Однако бульдозеры Б11 и Б14 имеют разную массу и относятся к разным тяговым классам: Б11 – к 10-му тяговому классу, Б14 – к 15-му тяговому классу.

Цель исследования : модернизация защитной системы ROPS бульдозера Б11 для ее эксплуатации на бульдозере Б14.

Материалы и методы

В качестве объекта испытаний была взята защитная кабина ROPS бульдозера Б11, которая успешно прошла сертификационные испытания [9, 10]. Масса бульдозера Б14 составляет 25 тонн, что на 5 тонн больше массы бульдозера Б11. В связи с этим возникла необходимость в дополнительной проверке защитной кабины ROPS на соответствие требованиям безопасности для бульдозера большей массы.

Сегодня сертификация защитных кабин ROPS разрешена только на основе натурных испытаний [11]. Согласно ГОСТ [2] боковое опрокидывание бульдозера осуществляется на стенде [12–14] путем приложения боковой нагрузки F , практически равной весу тракторного агрегата. При этом обязательно должны выполняться три условия:

• 1)    величина бокового усилия должна быть не менее

  Fу = 70000 (m/10000)^1,2, Н,                                                         (1)

где m – масса тракторного агрегата (кг);

• 2)    величина поглощенной энергии удара U [15] равна

  U = 13000(m/10000)^1, 25 , Дж;                                                        (2)

• 3)    деформация Δ защитной конструкции ROPS не должна нарушать ограниченное пространство (DLV), имитирующее положение оператора. Для этого в процессе эксперимента внутри защитной кабины ROPS устанавливался манекен (рис. 1), размеры которого определяли необходимый объем DLV [16].

  

  Рис. 1. Испытания защитного устройства ROPS при боковом нагружении

  
  

  Fig. 1. Testing the protection system ROPS under lateral load

  
  

Для определения величины поглощенной энергии в процессе испытаний проводился постоянный контроль боковой нагрузки F и деформации Δ защитной конструкции ROPS . Нагрузка осуществлялась посредством силового гидроцилиндра со скоростью 4 мм/с. Экспериментально усилие F_y вычислялось как разница между усилиями в поршне и штоковой полости [17]

Fy =     - p ш ш ,

где Pn , ρ – давление в поршневой и штоковой полости силового гидроцилиндра; ^n , s _ш – площади поперечного сечения поршня и штока силового гидроцилиндра.

Деформация Δ замерялась непосредственно ходом гидроцилиндра с погрешностью ±0,5 мм. Фиксирование бокового усилия через каждые Δ =10 мм хода гидроцилиндра позволило получить зависимость F ( Δ ) в реальном времени. Поглощенная системой ROPS энергия U определялась как площадь под этой зависимостью F_y ( Δ ) [18, 19] и вычислялась

U =0,5 ^l^Fyl + 0,5(^1 ^- ^2) (F_y2 + ^Fy^ +⋯+0,5(A^- A-i) yi + ^Fyi-1) ,            (4)

где ^Fyi ,^ i – сила и деформация на i -м шаге нагружения.

Результаты и обсуждения

Согласно (1), (2) боковая нагрузка при опрокидывании бульдозера Б14 должна составлять не менее F_y = 210 кН. При этом энергия удара U = 40,9 кДж.

Усиление конструкции

В процессе бокового нагружения при перемещении Л = 460 мм боковая сила достигла значения F_y = 172 кН, что соответствовало требованиям для бульдозера Б11. Однако последующее увеличение нагрузки привело к появлению трещин в верхней части стоек конструкции (рис. 2).

Рис. 2. Зарождение трещин в конструкции ROPS при боковом нагружении

Fig. 2. Crack initiation in ROPS structure under lateral loading

Во избежание дальнейшего разрушения конструкции ROPS испытания были приостановлены. Наличие трещин показало слабое место в конструкции ROPS, где требуется усиление. Для усиления сварных швов в местах зарождения трещин в верхней части вертикальных стоек были приварены дополнительные усиливающие уголки [20, 21] (рис. 3).

Рис. 3. Зарождение трещин в конструкции ROPS при боковом нагружении

Fig. 3. Crack initiation in ROPS structure under lateral loading

Кроме того, большое влияние на деформацию ROPS оказывает ее закрепление. Поэтому было решено увеличить жесткость корпуса бортовых фрикционов дополнительной стяжкой и уголками (рис. 4).

a)

b)

Рис. 4. Увеличение жесткости крепления ROPS с помощью (а) стяжки и (b) уголков Fig. 4. Increasing the rigidity of the ROPS fastening using (a) tie rods and (b) angles

Результаты испытаний

На основе замеренных давлений в поршневой Pn и штоковой ρ полости по формуле (3) было рассчитано боковое усилие F_y на каждом шаге хода силового гидроцилиндра Δ . На рис. 5 представлены экспериментальные зависимости F_y ( Δ ) для исходной защитной системы ROPS бульдозера Б11 и усиленной конструкции ROPS .

• усиленный ROPS    о ROPS Б11

Рис. 5. Экспериментальные значения бокового усилия Fy для ROPS бульдозера Б11 и усиленного ROPS для Б14 в зависимости от их деформации Δ

Fig. 5. Experimental values of the lateral force F_y for the ROPS of the B11 bulldozer and the reinforced ROPS for the B14, depending on their deformationD

Экспериментальные данные подтвердили положительный эффект от усиления конструкции. У защитной конструкции ROPS бульдозера Б11 уже после деформации Δ = 300 мм наблюдалась пластическая стадия, характеризуемая большим ростом деформации при незначительном увеличении усилия. Поэтому предельное значение бокового усилия данной конструкция составило F =172 кН. Увеличение жесткости конструкции ROPS позволило обеспечить требуемое ГОСТ значение боковой нагрузки F_y =210 кН. Усиленная конструкция уже при деформации Δ = 390 мм выдержала боковое усилие F_y =217 кН.

Для оценки соответствия усиленной конструкции ROPS требованиям безопасности была рассчитана поглощенная энергия удара (4), определяемая как площадь под кривой F_y ( Δ ). Экспериментальные данные представлены в таблице.

Экспериментальные значения бокового усилия F_y и энергии деформации U на каждом шаге хода гидроцилиндра Δ Experimental values of lateral force F_y and deformation energy U at each step of the hydraulic cylinder stroke Δ

Δ	мм	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120	130
Fy	кН	6,1	12,4	17,1	26,5	39,1	51,6	65,8	70,5	86,3	94,2	101	108	108	109
U	кДж	–	0,1	0,24	0,46	0,78	1,24	1,83	2,51	3,29	4,19	5,17	6,21	7,30	8,38

Δ	мм	140	150	160	170	180	190	200	210	220	230	240	250	260	270
Fy	кН	116	124	124	124	132	134	138	142	145	145	145	149	149	153
U	кДж	9,50	10,7	11,9	13,2	14,4	15,8	17,2	18,6	20,0	21,5	22,9	24,4	25,9	27,3

Δ	мм	280	290	300	310	320	330	340	350	360	370	380	390	400	410
Fy	кН	160	160	160	168	170	170	178	186	194	202	209	217	217	217
U	кДж	28,9	30,5	32,1	33,8	35,5	37,2	38,9	40,8	42,6	44,6	46,6	48,8	50,9	53,1

По данным таблицы видно, что требуемое ГОСТ значение энергии деформации и = 40,9 кДж достигнуто уже при усилии F_y ≈190 кН при деформации Δ ≈ 355. Необходимая энергия удара U достигается раньше условия достижения боковой силой F_y требуемого значения.

Для проверки сохранности ограниченного объема DLV, имитирующего положение оператора бульдозера , после боковой нагрузки было приложено дополнительно вертикальное усилие. Усилие прикладывалось к деформируемой конструкции ROPS (рис. 6).

Нагрузка прикладывалась на конструкцию с остаточной деформацией (согласно ГОСТ исправление деформации не допускается). Усиленная защитная конструкция ROPS нагрузку выдержала, и проникновение в область DLV не наблюдалось [22].

Рис. 6. Нагружение вертикальной нагрузкой усиленного ROPS

Fig. 6. Loading the reinforced ROPS structure with a vertical load

Заключение

Согласно требованиям Таможенного союза все тракторные агрегаты должны быть оснащены защитными системами ROPS . Бульдозеры Б11 и Б14 имеют одинаковую конструкцию кабины, что позволяет использовать один ROPS на обе машины. Однако масса бульдозера Б14 на 20 % больше массы Б11, что требует усиления конструкции ROPS .

Экспериментально были определены слабые места и проведена модернизация защитной системы. Для усиления конструкции была увеличена жесткость корпуса бортовых фрикционов и усилены вертикальные стойки путем приварки дополнительных уголков.

Усиленная конструкция прошла испытания по оценке безопасности кабины при опрокидывании тракторного агрегата. В процессе бокового нагружения требуемое значение поглощенной энергии U = 40,9 кДж было достигнуто при деформации Δ ≈ 355 мм. Требуемое боковое усилие F_y =217 кН было достигнуто при деформации Δ = 390 мм. Конструкция ROPS обеспечивает поглощение необходимой энергии удара раньше, чем величину усилия.

После снятия боковой нагрузки деформированная система ROPS нагружалась дополнительной вертикальной силой. После нагружения разрушения конструкции не наблюдалось. Проникновение в область ограниченного объема DLV отсутствовало. Усиленная конструкция ROPS успешно прошла испытания, что подтверждает ее соответствие требованиям безопасности при эксплуатации ее на бульдозере Б14.