1. 引言
随着国内农业机械化的普及和发展,越来越多农户选择使用机械代替人工方式进行耕种和收割作业。但因国内地形复杂,机械的重量很大程度上影响的它的适用范围,于是轻量化设计是农业机械亟待解决的问题。为了满足目前农业机械对驾驶室配置的不同需求,本文介绍了一种新型分体驾驶室,具有重量轻,结构强,底板和驾驶室分离的特点;这样驾驶室就可以作为一种选配装置,当用户需要时,则安装驾驶室,当用户不需要时,则拆除驾驶室。驾驶室选配方案如图1所示。
驾驶室是一种驾驶员操纵机器的场所,具有提供便利工作条作,提供舒适工作环境,提供安全保护的功能;此外驾驶室还有造型和美观的需求 [1]。根据驾驶室的操作性、舒适性和安全性的功能要求,本文介绍新型分体驾驶室的结构组成,并结合Creo simulate工具对结构的受力分析结果,对驾驶室骨架进行优化改进,确保驾驶室的安全性能。
2. 驾驶室结构组成
分体驾驶室由驾驶仓1、操纵平台2、底板3、防水条4、连接螺栓5组成,安装方式如下:先将序号2操纵平台安装在序号3底板上面,再将序号1驾驶仓安装在序号3底板上面,通过使用序号5连接螺栓将序号1驾驶仓与序号4底板连接,再将序号4防水条焊接在序号3底板上,并在序号5防水条与序号3连接处涂上密封胶。结构组成如图2所示。
3. 驾驶室的设计思路
基本要求是根据人机工程设计手册数据,确定驾驶室的工作空间满足驾驶员操纵性、舒适性、安全性的要求。
3.1. 操纵性的设计
驾驶室操纵性指的是根据不同驾驶人员以不同驾乘体位工作时,对操纵可及范围的定义。首先参考人机工程设计手册数据,确定操纵最近距离、最远距离和最适距离,再根据驾驶室的实际空间进行调整,要求所有操纵尺寸在标准数值之内。操纵平台布置如图3所示。
3.2. 舒适性的设计
驾驶室舒适性指的是根据不同驾驶人员以不同驾乘体位工作时,对操纵姿势的定义。首先参考人机工程设计手册数据,确定标准操纵姿势的尺寸,再根据驾驶室提供的空间进行调整,确保所有司机姿势尺寸在标准数据范围之内,数据如表1所示。坐姿和手臂姿势是司机工作时长时间保持的动作,所以座椅布置关系到司机舒适性的重要步骤。司机座椅布置如图4所示。
Table 1. Driver’s posture space dimension
表1. 驾驶员坐姿空间尺寸
3.3. 安全性的设计
驾驶室安全性指的是当驾驶室受到撞击时,驾驶室能够承受外力,保护驾驶员安全。驾驶室的骨架是主要的受力结构,本驾驶室采用了笼式框架结构,在A、B、C、D柱、横梁E和纵梁F关键部位使用800 MPa高强度的方形钢管 [2],大大提高了驾驶室的承载能力和抗震性能。驾驶室骨架布置如图5所示。
方形钢管选用规格为50X50X5/Q235A,截面特征参数如表2所示,根据《商用车驾驶室乘员保护》碰撞要求正面拍击能量为55 KJ [2],矩形钢管受力验证方法如下:
Table 2. Steel tube section parameter
表2. 钢管截面参数
方管受压的临界压力计算为:P = (4 × n × Pi2 × E × I)/[(L/2)2],n方钢数量,Pi2是π的平方,E是弹性模型,I是惯性矩,L是方钢长度。
3.4. 外观设计
驾驶室外观主要指通过曲面造型和钣金造型,结合驾驶室骨架形状成形,外形要求线条流畅,自然美观。材料选型优先考虑易塑形的高屈服强度板材,如冷轧薄板Q235,冷轧优质碳素钢08F等,使用冲压和折弯工艺,达到加强和美观的目的。本驾驶室采用内部骨架1履盖薄板2结构,不须考虑使用厚板进行加强,而且省去过多的钣金中间拼接环节,具有工艺简单,重量轻的特点。外观造型如图6所示。
3.5. 观察窗口的设计
驾驶室观察窗口根据驾驶员视野范围定义,要求满足机器工作的观察要求。本驾驶室根据工作需要共设计了6个观察窗口,其中前窗1用于观察机器前进工况,左窗2和右窗3用于观察机器两侧工况,左后窗4和右后窗5用于观察机器后部工况,后视镜6用于观察轮胎行走时相对地面位置。观察窗口布置如图7所示。
3.6. 防水结构设计
驾驶室采用底板和驾驶仓分离方式,在两者结合面处密封不严,容易产生渗水漏气等问题,为了解决这个问题,本驾驶室设计的防水结构,能有效地防水堵漏。本结构使用薄钢条2焊在底板3和驾驶仓1结合处,然后沿薄钢条焊缝处涂上密封胶。防水结构如图8所示。
4. 驾驶室的优化设计
首先建立驾驶室骨架受力模型,再把材料属性统一分配为钢材,材料属性如表3所示,然后将Z向位移约束,重力加速度设置为9,810 mm/sec2,最后将驾驶室2倍重量400 kg做为预加载荷作用在指定受力参考面上,通过建立静态分析模拟受力状况。
4.1. 驾驶仓支耳的优化
通过Creo simulate工具对驾驶室骨架1的受力分析,分析结果如图9所示,发现驾驶仓螺栓连接处的支耳2是受力集中点,通过加长支耳尺寸A、B,延伸焊缝长度措施,加强支耳的受力结构。结构如图10所示。
Figure 9. Cab support static loading analysis
图9. 驾驶仓支耳静态受力分析
4.2. 底板安装座的优化
通过Creo simulate工具对底板1的受力分析,分析结果如图11所示,发现减震垫安装座2是受力集中点,通过增加筋板3方式形成箱体结构,对局部进行加强。结构如图12所示。
Figure 11. Platform bracket static loading analysis
图11. 底板安装座静态受力分析
4.3. 重量的优化
本驾驶室采用笼式骨架作为受力部件,外表使用薄板贴焊结构,具有板材用料少,板厚薄(T1.5)的优势,主要重量来自骨架材料方钢,对比同类采用厚板(T4)拼焊的驾驶室,重量可以减少一半。重量对比分析如图13所示。
5. 结论
本分体驾驶室采用笼式骨架结构,具有重量轻、强度好的特点;底板与驾驶仓使用螺栓连接结构,可以满足市场用户对不配置驾驶室的需求,降低农用收割机整体成本,提高市场竞争力;当不配置驾驶室时,可以降低整机重量,对地面松塌工况下有一定帮助,提高农用收割机的适用性能。在后续工作中我们将在使用高分子材料的驾驶室领域继续进行研究,实现轻量化高强度结构的目标。