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工程车辆翻车安全技术研究进展

文档作者：魏秀玲1 2 王国强1 王新阁2 张显余2 文档来源： 1．吉林大学机械科学与工程学院；2．空军航空大学		点击数：	更新时间： 2021年04月27日
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工程车辆翻车安全技术研究进展
魏秀玲1I2，王国强 ，王新阁 ，张显余
(1．吉林大学机械科学与工程学院；2．空军航空大学)
摘要：工程车辆由于自重大、工作环境复杂、行驶路况恶劣和承载运行时整车稳定性下降等原因，致使
车事故经常发生，致命伤害率极高。工程车辆翻车事故中驾驶员安全问题日益引起人们的重视。为了减少翻车
j故的发生，保障司驾人员的生命安全，必须对工程车辆的翻车安全技术进行研究。介绍了国外工程车辆翻车安
技术的研究现状，与国内发展现状进行简要对比分析，并对翻车安全技术研究的发展趋势进行分析预测。
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关键词：工程车辆：翻车保护结构；计算机仿真；驾驶员约束系统
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工程车辆属于非公路车辆，由于其工作环境复
杂、行驶路况恶劣和承载运行时整车稳定性下降等
原因，翻车事故时有发生。为了降低工程车辆翻车事
故率，保障驾驶员生命安全，目前采用的方法主要是
在工程车辆上加装翻车保护结构(Roll—over protec—
tive structure，简称ROPS)。文献[1】规定了ROPS实验
室试验的性能要求，但只是静态加载试验，没有考虑
翻车过程中驾驶员身体运动及其加速度造成的冲
击。满足国际标准要求的ROPS并不能避免驾驶员
在翻车过程中与驾驶室碰撞造成的损伤。因此翻车
安全l生能研究除研究翻车保护结构性能外，还应研
究驾驶员约束系统以及驾驶室内部设计等内容。
本文论述了国外翻车安全技术的研究现状，与
国内发展现状进行简要对比分析，并对翻车安全技
术的发展趋势进行分析预测。
1 翻车安全技术的研究现状
1．1 翻车保护结构性能研究
翻车保护结构具有一系列的结构件，它的作用
是当工程车辆翻车时，减小对系安全带坐在驾驶室
内驾驶员挤伤的可能性，如图1所示。其中图1(a)是
未安装ROPS的翻车情形：翻车后驾驶室严重变形，
致使驾驶员的生命安全受到严重威胁；图1(b)是加
装ROPS后的翻车情形：ROPS可有效避免驾驶员被
(a)驾驶室严重变形
(b)ROPS示意图
图1 ROPS对驾驶员的保护作用
轧伤，提高了驾驶员生命安全的保障水平。
翻车保护结构性能主要研究ROPS的试验方
法、设计方法以及新型结构的研制等。
1．1．1 试验方法研究
为了测试ROPS的性能，早期的做法是实车翻
车试验。美国、日本等国家在这方面做了许多工作。
日本还利用坡道对液压挖掘机翻车保护结构进行
过现场试验(如图2)。现场试验可以获得翻车过程
国家自然科学基金项目(50775095)
作者简介：魏秀玲(1973一)，女，黑龙江鹤岗人，讲师，博士生，研究方向：工程车辆翻车安全技术。
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图2 液压挖掘机ROPS现场翻车试验
中的动态数据，但费用昂贵、可重复性差，一般只用
作研究性试验或实验室静态加载试验的验证性试
验。为了克服现场试验的上述缺点，Busatti等开发
了对各种工程车辆ROPS进行试验的试验台和测试
系统【2】。该试验台在水平和垂直方向可施加的力均
超过2 000 kN。
1．1．2 设计方法的研究
为了使ROPS通过永久变形吸收侧向翻车时的
冲击能量，工程车辆翻车保护结构工作时，通常使用
材料的塑性变形阶段，有时ROPS整体会形成塑性
机构。从上述对ROPS的性能要求和工作时构件应
力、应变及其整体变形量来看，ROPS设计和性能计
算属于塑性大变形的非线性问题。若使用材料的弹
性极限设计ROPS，则材料未充分发挥其潜在塑性部
分的承载能力，增加ROPS的自重和制造成本，所以
应该把材料屈服以后的塑性变形阶段考虑进来。若
假设ROPS材料服从理想塑性，则ROPS变成几何
可变的机构，ROPS丧失承载能力，不能继续增加抵
抗翻车载荷的能力，这种状态称为塑性极限状态，相
应载荷称为极限载荷。但在外力作用下ROPS仍可
持续转动，而且这种转动可以使塑性区域的应变能
持续增加，ROPS大量吸收翻车冲击动能。
上述ROPS在外载荷作用下的物理过程，用理
论解析法很难表达。塑性极限定理方法虽然可以方
便地计算出ROPS的极限承载力，但其中的假设过
MSC／NASTRAN大型非线性有限元软件分析了铲运
机翻车保护结构的性能和变形特点，为应用非线性
有限元方法进行ROPS性能计算打下基础131。T．H．Kim
等推导了基于梁单元理论的ROPS计算方法，并与
ABAQUS软件获得的结果进行对比嗍。他提出的塑性
铰简化计算方法为ROPS早期设计提供了实用的工
具。
由于工程车辆不断向大型化方向发展，质量达
到数百吨，对这类车辆的翻车保护机构进行破坏性
试验，费用高，对试验装备要求也高。针对这一问题，
澳大利亚Queensland科技大学的Clark等人用非线
性有限元软件对ROPS模型进行了侧向、纵向和垂
直方向加载的分析，并用比例模型代替实物样机进
行试验验证[51。结果表明：侧向和垂向加载分析结果
与试验结果具有较好的一致性；纵向分析结果与试
验结果有一定差距，原因可能是纵向加载为最后进
行的加载试验，前面加载试验存在残余应力以及累
积误差。
综上所述，应用非线性有限元软件进行ROPS
设计和性能仿真，从设计阶段对ROPS进行优化，提
高和改善ROPS性能，是当前研究的重点。
1．1．3 新型ROPS的研制
在对传统ROPS结构进行改进和优化的同时，
人们还在进行新型ROPS的研究探索。美国西弗吉
尼亚大学机械航空工程系和国家职业安全与健康研
究所(Nation Institute of Occupation Safety and Health
简称NIOSH)合作，着重开发了中小型拖拉机的可展
开式AutoROPS。
AutoROPS包括两个子系统：一是可收缩式
ROPS，安装于拖拉机的后轴，正常工作时处于最低
位置；一是传感器，用于监控车辆的运行姿态。一旦
传感器探测到发生翻车事故，可收缩式ROPS展开
并锁止在最高位置。图3所示为侧向翻车试验。
虽然ROPS是避免翻车事故造成伤亡的一种有
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(a)AutoROPS处于最低位置
(b)翻车中AutoPOPS展开
图3 侧向翻车试验
效装置，但它只是提供被动的防护。减小翻车引起的
伤亡最有效的方法是避免翻车事故的发生，即提高
车辆的主动安全性。文献[6]对SIL(Sensor—in—the—
Loop)车辆姿态模拟器进行研究和外场试验，这种模
拟器通过预测拖拉机前方姿态和运动状态，提供翻
车危险警告，防止翻车事故的发生。随着新型复合材
料的不断出现，人们开始探讨它们在ROPS设计中
的应用。美国NIOSH的John R．Etherton等人研究用
玻璃纤维加强塑料(Fiberglass Reinforced Plastic，简
称FRP)~iIJ造农用拖拉机ROPSn。
1．2 驾驶员约束系统及安全驾驶室内部设计
ROPS为驾驶员提供了一定的生存空间，但是只
考虑在翻车事故中驾驶员坐在座位上的情况，并没
有考虑在低速翻车过程中，人员上躯体未被约束而
离开座椅的情况，并且没有考虑工程车辆翻车过程
中驾驶员身体运动及其加速度造成的冲击等。这些
都可能导致驾驶员与驾驶室发生碰撞，造成驾驶员
受伤或死亡。近年来国外一些研究机构以碰撞生物
力学为基础，以人体损伤值为评价标准，对各种驾驶
员保护系统的效能进行评估和试验，提高工程车辆
的翻车安全水平。
1．2．1 安全带
目前工程车辆驾驶员约束系统的最低要求是两
点式腰带，没有标准规定要安装更加复杂的约束系
统。但国外一些机构已开始对各种安全带及其安装
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固定器在不同车型、不同翻车事故中的约束效能进
行了评估。目的是寻找能够在翻车事故中给驾驶员
提供最佳保护的约束方式，为工程车辆翻车安全设
计提供参考。
Appel等通过实验室试验的方法研究约束系统
的效能罔。发现两点式腰带与肩部支撑一同使用，可
以达到最佳效果。随着计算机模拟技术的发展，人们
开始应用软件进行工程车辆翻车驾驶员约束系统的
仿真。Tomas等应用MADYMO软件构造了一个安装
ROPS的推土机模型，进行侧向翻车试验[91。结果表
明：没有约束的驾驶员很可能从驾驶室中被抛出，在
推土机翻滚过程中被碾压在下面；当驾驶员佩戴两
点式安全带进行翻车试验时，驾驶员不会被抛出。三
点式安全带及肩带也可以获得同样的结果。
2005年英国健康和安全执行局(Health and
Safety Executive简称HSE)发表了采石场车辆翻车
事故中安全带性能评估报告㈣。对采石场中的4种车
型：刚性自卸车、铰接式自卸车、轮式装载机和推土
机，应用MADYMO软件构造模型进行数值仿真，评
估了不同约束系统在不同翻车事故中的效能(如图4
所示)。结果表明：对于采石场车辆来说，佩戴全背带
式安全带在翻车事故中可以更好地保障驾驶员的安
全。
轮式装裁机 推十机
图4 90。动态翻车全背带式安全带对驾驶员的约束
1．2．2 安全驾驶室内部设计
ROPS为驾驶员提供了一定的生存空间，安全带
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将驾驶员限制在座椅上，减小了驾驶人员与驾驶室 时，随着计算机技术的发展，以及有限元及多体动力
内部结构碰撞的几率，但是仍避免不了在翻车过程
中人员与车内结构发生二次碰撞。因此在驾驶室内
部设计时要考虑加大人体与室内构件的接触面积，
避免产生点接触，减少碰撞造成的单位面积挤压力
或使碰撞力转移到人体非要害部位。这就涉及到室
内部件的布置、吸能材料的选取、室内表面的软饰
化、内饰件的软化、仪表板的软化和车内凸出物的限
制等问题。
对现有驾驶室进行风险评估，找出对驾驶员最
容易造成伤害的部位，加以改进，也是提高驾驶室安
全性的有效手段。
1．3 其它翻车安全技术
以上论述的只是常规的翻车安全技术。目前在
汽车主动安全和被动安全方面发展出的一些新兴技
术，正在应用到相应的工程车辆翻车安全技术上来。
如在被动安全方面，车辆座椅安全防护装置能在车
辆遭受撞击或翻滚时，迅速移动及倾斜，产生反作用
力来增加车舱内设施的空间，以减缓或抵消撞击发
生时所产生的惯性力，同时也可避免驾驶员身体因
剧烈甩动、撞击车舱内设施导致的伤亡。随着IT行
业的迅猛发展，在汽车被动安全领域，驾驶员约束系
统继安全带、安全气囊之后，已开始向智能安全约束
系统发展。其基本思想是尽可能多地收集和利用有
关驾驶员形体位置、撞车类型和撞车速度的数据，建
立数据库；对某一碰撞中获得的驾驶员和车辆的有
关信息进行判断识别，使人体获得最佳的保护等。在
主动安全方面，电子稳定性控制系统(ESP)是～个实
时监控系统，通过监控驾驶员的操控、路面反应和汽
车运动状态，不断向发动机和制动系统发出指令，调
控发动机的转速并调整每个车轮的制动力(四通道
系统)，以修正汽车的过度转向或转向不足，避免翻
车事故的发生；并且在主动干预的同时用警告灯警
示驾驶员。随着科学技术的发展，主动与被动安全技
术的融合是一种必然趋势。对驾驶环境实施全面监
控，集中比较、分析多方面的数据，在必要时自动地
或辅助驾驶员采取正确的防护措施，实现更强的安
全性能，最大程度地保护车辆和驾驶员的安全。
1．4 工程车辆翻车安全技术的研究方法
工程车辆翻车安全技术的研究最初是由试验来
完成的，主要包括实车试验和实验室试验。由于实车
试验价格昂贵、结果不稳定、可重复性差并且十分费
学理论的发展，人们越来越多地应用计算机仿真方
法进行工程车辆的翻车安全技术研究。计算机仿真
与试验相比具有费用低、周期短、可重复性好和限制
条件少等优点。但不是说计算机仿真可以完全脱离
试验或代替试验，计算机仿真结果的正确与否最终
需要经过试验验证。
现阶段采用计算机仿真的方法研究工程车辆翻
车安全技术，主要是利用非线性有限元分析软件对
ROPS性能进行预测和改进；利用多刚体动力学分析
软件在不考虑车身变形的前提下，研究翻车过程中
驾驶员的动态响应。工程车辆发生翻车事故过程是
一个瞬态的、复杂的物理过程，为了准确描述在翻车
过程中车身变形过程、系统中的变形部件以及人体
的动态响应，可以采用显式非线性有限元方法计算
车辆翻车碰撞中的变形情况和变形部件、速度和加
速度分布及应力与应变分布。这类软件以LS—DY—
NA3D和PAM—CRASH为代表，在此基础上采用多
体动力学方法计算人体在翻车过程中的动态响应。
2 翻车安全技术研究国内外差距
国外大型公司和相关研究机构在ROPS标准制
定、设计理论、设计方法和试验技术等方面都取得较
大成果，产品比较先进。我国1999年发布了关于土
方机械保护结构实验室鉴定挠曲极限量的国家标准
和翻车保护结构实验室试验国家标准，这些标准等
同采用了对应的国际标准。2001年发布的工程机械
通用安全技术要求中增加了关于ROPS的内容。河
北工业大学、吉林大学、大连理工大学和四川大学等
高校，在ROPS实验室试验、设计理论及设计方法等
方面开展了大量的工作，并取得了一定的成果。国内
相关大型企业也已经开始重视ROPS的研究，如柳
工机械股份有限公司、厦工工程机械股份有限公司
和上海彭浦机器厂有限公司等正在开展关于ROPS
设计和制造方面的研究。但总体上讲，由于起步较晚
与国外研究水平还有一定差距。
国外针对不同机型在不同翻车事故中，对于不
同约束方式的效能评估方面已经做了大量的试验研
究和仿真分析，而我国在这方面的研究还属于空白。
对于各种工程车辆驾驶室的风险评估方面的研究我
国还未见报道。
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由于在翻车事故中，驾驶员可能与驾驶室内部
结构发生二次碰撞而造成伤害，因此必须对约束系
统效能进行评估。总结国外经验，一般可采用整车试
验、实验室试验和计算机模拟相结合的方法，对不同
车型、不同翻车事故中，约束系统的效能进行评估。
依据人体损伤标准来评判各种约束系统的优缺点，
为工程车辆翻车安全设计提供参考。
3．5 借鉴汽车行业的先进经验
目前，汽车行业已经具有比较全面的翻车试验
法规，在结构防撞性、乘员约束性能分析及优化等方
面的理论和试验研究较为深入。随着科学技术的发
展，大量新兴技术应用于汽车安全技术方面，进一步
提高了汽车的安全性能。因此，在工程车辆翻车试验
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法规的制定、驾驶员约束系统性能分析及优化和新
兴技术的应用等方面，可以借鉴汽车行业的先进经
验，指导工程车辆安全性能的发展。
参考文献
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通信地址：吉林大学机械科学与工程学院(130022)
(收稿时间：2009—04—24)
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