CN204368297U - 工程机械驾驶室主体骨架、驾驶室及工程机械 - Google Patents

工程机械驾驶室主体骨架、驾驶室及工程机械 Download PDF

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Abstract

一种工程机械驾驶室主体骨架、驾驶室及工程机械,所述主体骨架包括钢结构框架,所述钢结构框架包括立柱和顶部边纵梁,其中,至少一根所述立柱的上部与对应的所述顶部边纵梁之间形成可拆卸连接。本实用新型由于立柱与顶部边纵梁之间形成可拆卸连接,因此只需根据骨架强度和刚度的需要计算选择相应立柱和顶部边纵梁即可,从而实现主体骨架需要的强度和刚度,并使得顶部边纵梁管件具有通用性。

Description

工程机械驾驶室主体骨架、驾驶室及工程机械
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种工程机械驾驶室组成部件,具体地,涉及一种工程机械驾驶 室主体骨架。此外,本实用新型还涉及一种工程机械和工程机械驾驶室。
背景技术
[0002] 工程机械,例如流动式起重机、混凝土泵车、压路机等,因其工作环境复杂、行驶路 况恶劣,整车行驶稳定性较差,尤其是承载运行时整车稳定性更是不够,这常常导致翻倾事 故发生,严重威胁着司机的生命安全。为了保护司机在翻倾事故中的生命安全,现有工程机 械的驾驶室上一般需要加装翻车保护结构。
[0003] 目前翻车保护结构的性能评价主要是依据ISO 3471:2008《土方机械翻车保护结 构实验室试验和性能要求》等国际、国内标准,这些标准要求翻车保护结构必须达到规定的 承载作用力,并能够吸收能量。
[0004] 但是,现有技术在设计工程机械驾驶室的阶段,为了使得驾驶室符合标准,通常采 用的技术措施是增加驾驶室主体骨架型材的板厚、增加主体骨架型材截面面积、加大驾驶 室设计空间等,这些措施导致驾驶室过于笨重,且增加了材料和制造成本。
[0005] 例如,如图1至图3所示,传统工程机械驾驶室的主体骨架一般为钢结构框架,其 通常采用钢材Q235或Q345焊接而成,其中,该钢结构框架包括间隔布置的左前立柱9a和 右前立柱9b以及间隔布置的左后立柱Ia和右后立柱lb,左前立柱9a与左后立柱Ia的上 端之间连接有顶部左侧纵梁l〇a,右前立柱9b与右后立柱Ib的上端之间连接有顶部右侧纵 梁10b。尽管图中未显示,左后立柱Ia和右后立柱Ib的下端之间可以连接有底部前横梁, 左后立柱Ia和右后立柱Ib的下端之间可以连接有底部后横梁。左前立柱9a与左后立柱 Ia的下端之间连接有底部左侧纵梁8a,右前立柱9b与右后立柱Ib的下端之间连接有底部 右侧纵梁8b,底部左侧纵梁8a和底部右侧纵梁8b-般根据驾驶室的形状形成为曲折形状, 其可以为分段式,也可以为整体式。顶部左侧纵梁IOa与顶部右侧纵梁IOb之间连接有顶 部横向连接杆3。
[0006] 此外,为了增强上述作为驾驶室主体骨架的钢结构框架的结构刚度,可以根据需 要增加一些边梁或中间连接梁,例如,顶部左侧纵梁IOa与底部左侧纵梁8a之间连接有中 间立柱2,中间立柱2的中部与左后立柱Ia的中部连接有左加强纵梁4,左后立柱Ia的中部 和右后立柱Ib的中部连接有后加强横梁7,右前立柱9b的中部与右后立柱Ib的中部连接 有右加强纵梁6,左前立柱9a的中下部和右前立柱9b的中下部连接有前加强横梁5。根据 驾驶室的结构刚度的需要,还可以进一步增加其它的加强梁。这种现有技术的驾驶室主体 骨架的前立柱、后立柱和顶部左、右侧纵梁通常采用异形截面,加工困难,成本较高。此外, 其它一些现有技术(例如CN202492884U、CN202767149U等)公开的驾驶室的结构基本与上 述类似。
[0007] 上述现有技术的缺点在于:为了提高驾驶室的强度和刚度,对于主要承力的驾驶 室立柱等管材结构,经常会采用异型截面管。尤其是,为了提高驾驶室的强度和刚度而加厚 管件时,一般需要对各个立柱管件以及立柱管件的连接管件重新设计,零构件的通用性不 强,显著增加了制造成本和加工难度。
[0008] 有鉴于此,需要提供一种能够克服或缓解现有技术的上述缺陷的工程机械驾驶室 主体骨架。 实用新型内容
[0009] 本实用新型首先所要解决的技术问题是提供一种工程机械驾驶室主体骨架,其能 够根据需要方便地调节主体骨架的强度和刚度,并且改善零部件的通用性,降低生产成本。 [0010] 进一步地,本实用新型还要提供一种工程机械及其驾驶室,该工程机械驾驶室能 够根据需要方便地调节主体骨架的强度和刚度,并且改善零部件的通用性,降低生产成本。 [0011] 为了解决上述技术问题,本实用新型提供一种工程机械驾驶室主体骨架,包括钢 结构框架,所述钢结构框架包括立柱和顶部边纵梁,其特征在于,至少一根所述立柱的上部 与对应的所述顶部边纵梁之间形成可拆卸连接。
[0012] 优选地,所述顶部边纵梁具有连接部,所述连接部延伸到对应的所述立柱的上部 以与对应的所述立柱的上部形成可拆卸连接。
[0013] 优选地,所述立柱至少包括左前立柱、左后立柱、右前立柱和右后立柱,所述顶部 边纵梁包括顶部左侧纵梁和顶部右侧纵梁其中,所述顶部左侧纵梁与所述左前立柱和所述 左后立柱中的至少一者的上端可拆卸地连接;和/或所述顶部右侧纵梁与所述右前立柱和 所述右后立柱中的至少一者的上端可拆卸地连接。
[0014] 更具体地,所述顶部左侧纵梁与顶部右侧纵梁分别形成为U形顶部边纵梁件,所 述顶部左侧纵梁的U形开口侧的两端端部作为所述连接部分别与所述左前立柱和所述左 后立柱的上端可拆卸地连接;并且所述顶部右侧纵梁的U形开口侧的两端端部作为所述连 接部分别与所述右前立柱和所述右后立柱的上端可拆卸地连接。
[0015] 更优选地,所述左前立柱和右前立柱分别为前立柱管件,所述右前立柱和右后立 柱分别为后立柱管件,所述顶部左侧纵梁与顶部右侧纵梁分别为U形顶部边纵梁管件,所 述顶部左侧纵梁的U形开口侧的两端端部分别与所述左前立柱和所述左后立柱的上端可 拆卸地插装连接;并且所述顶部右侧纵梁的U形开口侧的两端端部分别与所述右前立柱和 所述右后立柱的上端可拆卸地插装连接。
[0016] 进一步地,所述顶部左侧纵梁的U形开口侧的两端端部分别对应地插装到所述左 前立柱和所述左后立柱的上端端部内;并且所述顶部右侧纵梁的U形开口侧的两端端部分 别对应地插装到所述右前立柱和所述右后立柱的上端端部内。
[0017] 尤其优选地,至少一根所述立柱的外表面上铺设连接有纤维复合材料加强部,各 个所述纤维复合材料加强部包括纤维复合材料层,所述纤维复合材料加强部中至少部分纤 维方向沿着对应的所述立柱的长度方向。
[0018] 更优选地,在所述纤维复合材料加强部的同一层所述纤维复合材料层中,所述纤 维复合材料层的部分纤维方向沿着所述立柱的长度方向,另一部分纤维方向与所述立柱的 长度方向具有夹角;或者所述纤维复合材料加强部包括依次叠置的至少两层所述纤维复合 材料层,该至少两层所述纤维复合材料层中的部分所述纤维复合材料层中的纤维方向沿着 所述立柱的长度方向,另一部分所述纤维复合材料层中的纤维方向与所述立柱的长度方向 具有夹角。
[0019] 在本实用新型的上述工程机械驾驶室主体骨架的技术方案的基础上,本实用新型 提供一种工程机械驾驶室,其中,该工程机械驾驶室包括上述任一工程机械驾驶室骨架。
[0020] 进一步地,本实用新型还提供一种工程机械,其中,该工程机械包括上述的工程机 械驾驶室。
[0021] 通过上述技术方案,本实用新型的工程机械驾驶室主体骨架由于独创性地使得立 柱与顶部边纵梁之间形成可拆卸连接,因此只需根据骨架强度和刚度的需要计算选择相应 立柱和顶部边纵梁即可,从而既能够实现主体骨架需要的强度和刚度,并使得顶部边纵梁 管件和立柱具有一定的通用性。
[0022] 在优选技术方案中,本实用新型将同一侧(例如驾驶室主体骨架的左侧或右侧) 的前立柱、顶部纵梁、后立柱形成为独特设计的三段,其中前立柱管件和后立柱管件可以是 常规的直管件,用作厚度可调节段,U形顶部边纵梁管件是固定厚度段。这样,在设计驾驶 室时根据受力分析结果选择合适的前立柱管件、后立柱管件和顶部边纵梁管件的壁厚。在 设计同类产品驾驶室时,前立柱管件、后立柱管件可不用重新设计,只需根据计算选择相应 的壁厚即可,顶部边纵梁管件不变,通过改变前立柱管件和后立柱管件的壁厚,即前立柱管 件和后立柱管件的壁厚外径的大小而改变壁厚,就可以实现顶部边纵梁管件的通用性。从 而,本实用新型能够根据需要方便地调节主体骨架的强度和刚度,并且改善零部件的通用 性,降低生产成本。
[0023] 尤其是,在本实用新型的优选技术方案中,本实用新型综合使用钢材和纤维复合 材料来形成工程机械驾驶室主体骨架,从而可以充分地将钢材的刚度和强度与纤维复合材 料的韧性和能量吸收性能有效地结合起来,使得形成的工程机械驾驶室既满足刚度、强度 要求,又满足变形吸能要求。尤其是,在本实用新型的这种优选技术方案中,本实用新型经 过大量的研宄计算和模拟分析,结合工程机械驾驶室的工况特点、应力分布和能量吸收特 点,独创性地对纤维复合材料层的布置形式进行了独特的布置,使得本实用新型的纤维复 合材料加强部具有超常的能量吸收吸能和强度加强效果,并且在反复测试过程中其能够有 效地适应工程机械驾驶室使用过程中的应力要求,性能可靠,具有实质性的性能提升和极 强的工况适应性。
[0024] 本实用新型的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0025] 下列附图用来提供对本实用新型的进一步理解,并且构成说明书的一部分,其与 下述的具体实施方式一起用于解释本实用新型,但本实用新型的保护范围并不局限于下述 附图及具体实施方式。在附图中:
[0026] 图1是现有技术中一种典型的驾驶室主体骨架的立体结构示意图。
[0027] 图2和图3分别是图1所示的驾驶室主体骨架的侧视图和主视图。
[0028] 图4是本实用新型具体实施具体方式的工程机械驾驶室主体骨架的立体结构示 意图。
[0029] 图5是本实用新型的一种优选实施方式的前立柱件、后立柱件以及两者之间的顶 部边纵梁件的结构示意图。
[0030] 图6是图5所示的前立柱件与顶部纵梁件之间连接结构剖视图,其中仅显示了顶 部边纵梁件的局部部分。
[0031] 图7是图4所示的中间立柱上的纤维复合材料层的结构示意图。
[0032] 图8是图4所示的具有纤维复合材料层的中间立柱的横截面示意图,其中省略了 中间立柱的剖面线。
[0033] 图9是本实用新型一种优选实施方式的纤维复合材料层的结构示意图,其中以中 间立柱处的结构示例性进行了显示。
[0034] 图10是本实用新型驾驶室主体骨架的制造过程框图。
[0035] 图11是玻璃纤维增强塑料相对于Q235钢材的压力-应变性能曲线图。
[0036] 附图标记说明:
[0037] Ia左后立柱; Ib右后立柱;
[0038] 2中间立柱; 3顶部横向连接杆;
[0039] 4左加强纵梁; 5前加强横梁;
[0040] 6右加强纵梁; 7后加强横梁;
[0041] 8a底部左侧纵梁; 8b底部右侧纵梁;
[0042] 9a左前立柱; 9b右后立柱;
[0043] IOa顶部左侧纵梁; IOb顶部右侧纵梁;
[0044] 11纤维复合材料加强部; 12纤维复合材料加强圈;
[0045] 13前立柱管件; 14后立柱管件;
[0046] 15顶部边纵梁管件。
具体实施方式
[0047] 以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明,应当理解的是,此处 所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型,本实用新型的保护范围并不局限于 下述的具体实施方式。
[0048] 以下首先描述本实用新型工程机械驾驶室主体骨架的具体实施方式和优选实施 方式。在此基础上,将进一步描述该工程机械驾驶室主体骨架的制造生产过程。最好,描述 本实用新型的工程机械及其驾驶室的具体实施方式。
[0049] 参见图4至图6所示,本实用新型基本实施方式的工程机械驾驶室主体骨架包括 钢结构框架,所述钢结构框架包括立柱和顶部边纵梁,其中,至少一根所述立柱的上部与对 应的所述顶部边纵梁之间形成可拆卸连接。在此基本技术构思中,由于独创性地使得至少 一根立柱与顶部边纵梁之间形成可拆卸连接,因此只需根据骨架强度和刚度的需要计算选 择相应立柱和顶部边纵梁即可,从而能够根据需要选择相应的立柱和顶部边纵梁,以实现 主体骨架需要的强度和刚度,并使得顶部边纵梁管件和立柱具有通用性。
[0050] 在上述技术方案的基础上,为了便于顶部边纵梁与相应的立柱之间的连接,优选 地,所述顶部边纵梁具有连接部,所述连接部延伸到对应的所述立柱的上部以与对应的所 述立柱的上部形成可拆卸连接。
[0051] 典型地,上述立柱至少包括左前立柱9a、左后立柱la、右前立柱9b和右后立柱lb, 上述顶部边纵梁一般包括顶部左侧纵梁IOa和顶部右侧纵梁10b,其中,顶部左侧纵梁IOa 与左前立柱9a和左后立柱Ia中的至少一者的上端可拆卸地连接。可选择地,顶部右侧纵 梁IOb与右前立柱9b和右后立柱Ib中的至少一者的上端可拆卸地连接。
[0052] 更优选地,顶部左侧纵梁IOa与顶部右侧纵梁IOb可以分别形成为U形顶部边纵 梁件,顶部左侧纵梁IOa的U形开口侧的两端端部作为上述连接部分别与左前立柱9a和左 后立柱Ia的上端可拆卸地连接,并且顶部右侧纵梁IOb的U形开口侧的两端端部作为连接 部分别与右前立柱9b和右后立柱Ib的上端可拆卸地连接。
[0053] 为了使得立柱与顶部边纵梁之间的可拆卸连接在结构强度和刚度方面更加优越 可靠,参见图4至图6所示,作为本实用新型的一种更加优选的实施方式,上述立柱至少可 以包括左前立柱9a、右前立柱9b、左后立柱Ia和右后立柱Ib (此外,还可以具有中间立柱2 等),其中左前立柱9a与左后立柱Ia的上端之间连接有顶部左侧纵梁10a,右前立柱9b与 右后立柱Ib的上端之间连接有顶部右侧纵梁10b,顶部左侧纵梁IOa与顶部右侧纵梁IOb 之间连接有顶部横向连接杆3,其中,左前立柱9a和右前立柱9b分别为前立柱管件13,右 前立柱9b和右后立柱Ib分别为后立柱管件14,顶部左侧纵梁IOa与顶部右侧纵梁IOb分 别为U形顶部边纵梁管件15,顶部边纵梁管件15的两端分别对应地与前立柱管件13和后 立柱管件14可拆卸地插装连接。
[0054] 如上所述,本实用新型的工程机械驾驶室主体骨架实际将同一侧(例如驾驶室主 体骨架的左侧或右侧)的前立柱、顶部纵梁、后立柱形成为独特设计的三段,其中前立柱管 件和后立柱管件可以是常规的直管件,用作厚度可调节段,U形顶部边纵梁管件是固定厚度 段。这样,在设计同类产品驾驶室时,前立柱管件、后立柱管件可不用重新设计,只需根据计 算选择相应的壁厚即可,顶部边纵梁管件不变,通过改变前立柱管件和后立柱管件的壁厚, 即前立柱管件和后立柱管件的壁厚外径的大小而改变壁厚,就可以实现顶部边纵梁管件的 通用性。从而,本实用新型能够根据需要方便地调节主体骨架的强度和刚度,并且改善零部 件的通用性,降低生产成本。
[0055] 在上述技术方案中,顶部边纵梁管件15的两端可以对应地插套到前立柱管件13 和后立柱管件14上端端部的外周表面上。更优选地,参见图5和图6所示,顶部边纵梁管件 15的两端各自可拆卸地对应插装到前立柱管件13和后立柱管件14的上端端部内。这样, 由于前立柱管件13和后立柱管件14处于插装结构的外部,前立柱管件13和后立柱管件14 的壁厚选择范围能够更大,从而更好地满足工程机械驾驶室主体骨架的结构强度和刚度的 设计需要。
[0056] 此外,典型地,各个所述立柱的上、下端之间的加强连接部各自与至少一根加强梁 连接。更具体地,该工程机械驾驶室主体骨架一般还包括中间立柱以及底部纵梁等。参见 图4,左肖U立柱9a与左后立柱Ia的下端之间连接有底部左侧纵梁8a,右肖U立柱9b与右后 立柱Ib的下端之间连接有底部右侧纵梁8b,顶部左侧纵梁IOa与底部左侧纵梁8a之间连 接有中间立柱2,底部左侧纵梁8a和底部右侧纵梁8b -般根据驾驶室的形状形成为曲折形 状。此外,可以根据需要增加一些边梁或中间连接梁,例如,中间立柱2的中部与左后立柱 Ia的中部连接有左加强纵梁4,左后立柱Ia的中部和右后立柱Ib的中部连接有后加强横 梁7,右前立柱9b的中部与右后立柱Ib的中部连接有右加强纵梁6,左前立柱9a的中下部 和右前立柱9b的中下部连接有前加强横梁5。当然,工程机械驾驶室主体骨架的钢结构框 架可以根据需要进行变形,其并不限于图4中所示的具体形式,这对于本领域技术人员是 熟知地。此外,钢结构框架一般可以采用焊接等固定连接方式,也可以采用螺栓连接、铆接 等固定连接方式等。
[0057] 在本实用新型上述技术方案的基础上,尤其优选地,参见图4、图7至图9所示,在 本实用新型的工程机械驾驶室主体骨架中,在至少一根所述立柱的外表面上铺设连接有纤 维复合材料加强部11,各个所述纤维复合材料加强部11包括纤维复合材料层,所述纤维复 合材料加强部中至少部分纤维方向沿着对应的所述立柱的长度方向。
[0058] 本实用新型这种优选技术方案的工程机械驾驶室主体骨架在钢结构框架上采用 了独特的纤维复合材料的布置形式,其根据纤维复合材料成形性能好、自重轻、弹性变形比 大等特点,综合应用钢材和纤维复合材料,使得钢材和纤维复合材料性能相互结合,改善整 个驾驶室主体骨架结构的刚度、强度、韧性和能量吸收能力。尤其,本实用新型对纤维复合 材料加强部11的纤维方向采用独特的布置形式,使得所述纤维复合加强部中的至少部分 所述纤维复合材料层中的纤维方向沿着所述立柱的长度方向,这在工程机械发生翻倾事故 等极端情况下,由于此时工程机械驾驶室主体骨架的立柱主要形成沿立柱方向的拉应力或 压应力,纤维复合材料层中的部分所述纤维复合材料层中的纤维方向沿着所述立柱的长度 方向,其可以有效地帮助立柱承受冲击,吸收能量,减缓或减小立柱的变形。
[0059] 在上述技术方案的基础上,作为优选实施方式,可以在纤维复合材料加强部11的 同一层所述纤维复合材料层中,该同一层纤维复合材料层的部分纤维方向沿着相应的立柱 的长度方向,另一部分纤维方向与对应的立柱的长度方向具有夹角。作为另一种可选择的 优选实施方式,上述纤维复合材料加强部11可以包括依次叠置的至少两层所述纤维复合 材料层,该至少两层纤维复合材料层中的部分纤维复合材料层中的纤维方向沿着所述立柱 的长度方向,另一部分纤维复合材料层中的纤维方向与所述立柱的长度方向具有夹角。
[0060] 在上述优选技术方案的基础上,为了应对工程机械日常工作振动导致的钢结构骨 架疲劳变形并防止纤维复合材料11脱胶与脱层发生,校核试验证实,上述另一部分所述纤 维复合材料层中的纤维方向与所述立柱的长度方向的夹角优选为30°至45°,校核试验 证实,该纤维方向与立柱长度方向呈30°至45°方向的纤维复合材料将使工程机械驾驶 室主体骨架的综合性能达到最优化。另外,作为另一种优选实施方式,纤维方向沿着立柱长 度方向的所述纤维复合材料层与纤维方向相对于所述立柱长度方向呈所述夹角的纤维复 合材料层可以在所述立柱上交替叠置地连接,这能够使得工程机械驾驶室主体骨架的承载 性能和能量吸收性能更均衡。
[0061] 具体地,为了验证本实用新型上述优选方式工程机械驾驶室主体骨架的优越性, 本实用新型在作出过程中进行了校核试验,采用本实用新型上述制造方法生产的驾驶室主 体骨架,其钢材例如采用Q345,纤维复合材料加强部11中采用的纤维复合材料可以采用公 知地各种纤维复合材料,例如碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维等复合材料,在图4中钢结构框 架采用Q345,纤维复合材料采用性能相对普通的玻璃纤维增强塑料(GFRP),两者的性能曲 线的曲线如图11所示。在校核试验中,在驾驶室主体骨架的钢结构框架的左前立柱9a、右 前立柱%、左后立柱la、右后立柱Ib和中间立柱2上铺设约Imm厚的GFRP。按照国际标准 ISO 3471:2008要求施加侧向载荷,当载荷未超过钢材Q345的屈服应力时,钢材与GFRP共 同承担载荷;当载荷超过了钢材Q345的屈服应力时,钢材进入屈服阶段,增加的载荷基本 上由GFRP承担,这有效减小立柱的变形位移,同时有效吸收能量,使驾驶室符合最小能量 吸收要求。试验结果如表1:粘贴约Imm GFRP的模型与图1所示的模型相比,最大变形减 小了 31. 4%。这充分说明在本实用新型独特的布置形式下,在相同载荷条件下,纤维复合材 料加强部加固对驾驶室变形降低效果明显。
[0062] 表1相同侧载时驾驶室主体骨架计算结果对比
[0063]
Figure CN204368297UD00101
[0064] 此外,本实用新型也同时进行了耐久性试验,同比试验结果显示,本实用新型的制 造方法形成的钢结构主体骨架因正常工作过程中的疲劳而发生永久变形的可能性极低,在 相同的正常工况模拟试验中,传统的钢结构框架已经发生明显变形,而本实用新型的驾驶 室主体骨架基本不发生变形,并且在耐久性试验也充分证实了本实用新型的纤维复合材料 加强部能够较好地适应钢结构框架的发散方向的振动,而基本不会与钢结构发生分离或产 生间隙,具有良好的实用性和可靠性。
[0065] 进一步地,在上述优选技术方案中,所述纤维复合材料层中的纤维复合材料的拉 伸延伸率多3%,纤维方向的弹性模量多40GPa。各个纤维复合材料加强部11的厚度一般 可以为0. 5_至5_。另外,所述纤维复合材料加强部11与立柱之间以及所述纤维复合材 料加强部11中的相邻叠置的纤维复合材料层之间典型地采用粘结胶层进行粘结,优选粘 结胶层的拉伸延伸率彡5%,剪切强度彡20MPa。
[0066] 此外,如上所述,各个所述立柱的上、下端之间的加强连接部各自典型地与至少一 根加强梁(例如左加强纵梁4、前加强横梁5、右加强纵梁6、后加强横梁7等)。各个所述 立柱的所述加强连接部处于各自的加强段上,至少在各个所述立柱的所述加强段上铺设连 接有纤维复合材料加强部11。当然,纤维复合材料加强部11可以在立柱的除所述加强连 接部之外的整个长度上布置。作为一种优选形式,为了降低工程机械驾驶室主体骨架的重 量,节省材料,如上所述,参见图7,纤维复合材料加强部11可以仅布置在各个立柱的加强 段上,且各个纤维复合材料加强部11的一端邻近或衔接对应的所述立柱的所述加强连接 部、且沿所述立柱长度方向远离所述加强连接部的另一端沿所述立柱的长度方向各自距离 所述加强连接部至少^ 300mm。
[0067] 可根据需要选择地,参见图8,各个纤维复合材料加强部11在各自立柱的布置区 域上可以布置在布置区域的整个外周面上,也可以布置在布置区域的部分外周面上。
[0068] 参见图9,为了防止长时间使用后复合材料加强部的边缘和应力集中处倾向于剥 落,优选地,各个纤维复合材料加强部11的长度方向的两端端部分别束紧固定有纤维复合 材料加强圈12,例如图9所示的中间立柱2上的纤维材料加强部11的两端端部固定有束紧 的纤维复合材料加强圈12。
[0069] 进一步地,如上所述,本实用新型的工程机械驾驶室主体骨架的钢结构框架仅是 至少在立柱上铺设连接纤维复合材料加强部11,根据需要,可以在其它梁件上铺设连接纤 维复合材料加强部11。例如,参见图4所示,如上所述,典型地,钢结构框架的多根立柱可以 包括左前立柱9a、右前立柱9b、左后立柱Ia和右后立柱lb,其中左前立柱9a与所述左后立 柱Ia的上端之间连接有顶部左侧纵梁10a,所述右前立柱9b与右后立柱Ib的上端之间连 接有顶部右侧纵梁l〇b,顶部左侧纵梁IOa与顶部右侧纵梁IOb之间连接有顶部横向连接杆 3,其中顶部左侧纵梁IOa与顶部右侧纵梁IOb也可以分别连接有上述纤维复合材料加强部 11〇
[0070] 如上所述,在本实用新型的工程机械驾驶室主体骨架的基本技术方案中,实际将 同一侧(例如驾驶室主体骨架的左侧或右侧)的前立柱、顶部纵梁、后立柱形成为独特设计 的三段,并采用独创的插装连接形式。这样,在设计同类产品驾驶室时,前立柱管件、后立柱 管件可不用重新设计,只需根据计算选择相应的壁厚即可,顶部边纵梁管件不变,通过改变 前立柱管件和后立柱管件的壁厚,即前立柱管件和后立柱管件的壁厚外径的大小而改变壁 厚,就可以实现顶部边纵梁管件的通用性。
[0071] 另外,在本实用新型的优选技术方案中,本实用新型独创性地将将钢结构框架与 纤维复合材料相互结合,实现材料性能的优势互补。但是,这种将钢结构与纤维复合材料结 合起来应用于工程机械驾驶室主体骨架的技术构想,在实施过程中存在着近乎无法克服的 技术困难。首先在工程机械(例如流动式起重机)发生翻倾事故等极端情况下,工程机械 驾驶室主体骨架的立柱容易发生弯折,其主要形成沿立柱方向的拉应力或压应力,在此情 形下,要求工程机械驾驶主体骨架尽可能地吸收能量,缓解变形,降低对操作人员的伤害, 因此纤维复合材料的布置首先需要考虑到翻倾事故情形下的吸能要求;其次,工程机械在 正常工作过程中,由于工况恶劣,时常发生剧烈的不规则振动,这导致工程机械驾驶室主体 骨架的钢结构容易发生疲劳,产生不可恢复的变形,纤维复合材料的布置需要能够适应这 些恶劣的工况,减缓钢结构因为疲劳产生的变形;第三,正是由于工程机械在日常工作过程 中不规则振动导致的应力方向一定程度的分散性,纤维复合材料如果按照常规的方式铺设 连接到钢结构上,一段时间使用后容易与钢结构发生分离或产生间隙,从而根本无法起到 预期的作用。
[0072] 为了帮助本领域技术人员更加深刻地理解本实用新型的技术方案,以下结合图10 描述本实用新型上述将钢结构框架与纤维复合材料相互结合的制造过程。具体地,参见图 10所示,在本实用新型的工程机械驾驶室主体骨架的钢结构框架的左右两侧已经采用上述 顶部边纵梁管件15、前立柱管件13和后立柱管件14连接成形的情形下,进一步地在一根立 柱的外表面上铺设连接纤维复合材料加强部11,其中,各个所述纤维复合材料加强部11包 括纤维复合材料层,所述纤维复合材料加强部中至少部分纤维方向沿着对应的所述立柱的 长度方向。
[0073] -般可以在钢结构框架的前立柱和后立柱上铺设连接有所述纤维复合材料加强 部11。当然,也可以在所述钢结构框架的各个所述立柱上铺设连接有纤维复合材料加强部 Ilo
[0074] 如上所述,尤其优选的是,可以在纤维复合材料加强部11的同一层所述纤维复合 材料层中,将同一层所述纤维复合材料层的部分纤维方向沿着所述立柱的长度方向,另一 部分纤维方向与所述立柱的长度方向具有夹角(优选该夹角为30°至45° )。另外,可选 择地,所述纤维复合材料加强部11还可以包括依次叠置的至少两层所述纤维复合材料层, 该至少两层所述纤维复合材料层中的部分所述纤维复合材料层中的纤维方向沿着所述立 柱的长度方向,另一部分所述纤维复合材料层中的纤维方向与所述立柱的长度方向具有夹 角(该夹角优选为30°至45° )。例如,首先可以在立柱表面铺设0.5~3mm厚与立柱长 度方向一致的纤维复合材料层,然后铺设0. 1~0. 5mm后与立柱长度方向呈45°的纤维复 合材料层,依次类推。采用这种纤维方向具有夹角的优选纤维复合材料的独特布置形式,其 突出优点在于,在工程机械发生翻倾事故等极端情况下,由于此时工程机械驾驶室主体骨 架的立柱主要形成沿立柱方向的拉应力或压应力,纤维复合材料层中的部分所述纤维复合 材料层中的纤维方向沿着所述立柱的长度方向,其可以有效地帮助立柱承受冲击,吸收能 量,减缓或减小立柱的变形,同时在此情形下,另一部分纤维方向与所述立柱的长度方向具 有夹角的纤维复合材料层则同时参与吸收能量,提高韧性和强度,这使得工程机械驾驶主 体骨架具有显著提升的能量吸收能力,有效降低对操作人员的伤害。更重要的是,这种独特 布置形式能够有效地适应工程机械在正常工作过程中发生的剧烈不规则振动,由于多个纤 维复合材料层纤维方向布置的发散性,其可以良好地吸收分散的应力形式的能量,减缓工 程机械驾驶室主体骨架的钢结构发生疲劳的可能,从而相对有效地避免其产生不可恢复的 变形。同时,正是由于这种独特的布置形式,使得本实用新型的纤维复合材料加强部能够较 好地适应钢结构框架的发散方向的振动,而不会在使用一段时间后与钢结构发生分离或产 生间隙,具有良好的实用性和可靠性。
[0075] 优选地,如上所述,在采用复合材料增强驾驶室时,可以根据需要选择拉伸延伸率 大、弹性模量较大的纤维复合材料,例如,纤维复合材料的拉伸延伸率多3%,纤维方向弹性 模量多40GPa。
[0076] 另外,从钢结构框架的立柱或其它梁件的长度方向看,纤维复合材料可以铺设立 柱或梁件的整个长度(立柱或梁件与加强梁连接的部位与纤维复合材料发生干涉的除 外),铺设立柱或梁件整个长度时,纤维复合材料加强效果更好。作为一种优选实施方式,为 了节省材料,降低驾驶室的重量,参见图6所示,作为钢结构框架的通常结构,各个立柱的 上、下端之间的加强连接部一般各自与至少一根加强梁连接,各个所述立柱的所述加强连 接部处于各自的加强段上,至少可以在对应的立柱的该加强段上铺设连接纤维复合材料加 强部11。在此情形下,参见图7所示,在各个立柱的加强段上布置纤维复合材料加强部11, 且各个纤维复合材料加强部11的一端邻近或衔接对应的立柱的与加强梁连接的加强连接 部、且沿所述立柱长度方向远离加强连接部的另一端沿立柱的长度方向各自距离加强连接 部至少^ 300mm〇
[0077] 可选择地,从构件横截面看,纤维复合材料可以铺设整个周向或只铺设部分区域。 铺设整个周长时复合材料加固效果更明显。如果只铺设部分区域,根据纤维复合材料受拉 承载比受压承载好,可以优先考虑在立柱的受拉面上铺设纤维复合材料加强部11。具体地, 例如参见图8所示,各个纤维复合材料加强部11在各自立柱的布置区域上可以布置在所述 布置区域的整个外周面上,各个纤维复合材料加强部11也可以在各自立柱的布置区域上 布置在布置区域的部分外周面上。
[0078] 另外,在纤维复合材料铺贴过程中,一般地,可以通过粘结胶层连接所述纤维复合 材料层与立柱以及相邻叠置的所述纤维复合材料层,当然也可以采用硫化连接等公知的连 接工艺。优选地,所述粘结胶层的拉伸延伸率彡5%,剪切强度彡20MPa,例如可以为酚醛树 月旨、环氧树脂、乙烯基树脂等。在粘贴之前,优选地,可以对粘贴钢材表面进行打磨或喷砂等 增大粗糙度的处理,清除表面氧化层、污染物等,造成一定的表面粗糙度,增大钢材表面的 粘结力;然后采用酒精等对钢材表面进行清洁处理,去除油脂和污染物。在此情形下,将纤 维复合材料层粘贴在钢材表面上,使纤维复合材料与钢材的粘结胶层厚度为0. 1~0. 5mm, 最后可以采用真空袋压法固化粘结胶层,确保纤维复合材料与钢材的粘结胶层均匀、无气 泡。
[0079] 在本实用新型的上述工程机械驾驶室主体骨架的技术方案的基础上,本实用新型 提供一种工程机械驾驶室,其中,该工程机械驾驶室包括上述述的工程机械驾驶室骨架。此 外,本实用新型还提供一种工程机械,例如混凝土泵车、流动式起重机等,其中,该工程机械 包括上述的工程机械驾驶室。
[0080] 由上描述可见,本实用新型的基本技术构思在于使得立柱与顶部边纵梁之间形成 可拆卸连接,因此只需根据骨架强度和刚度的需要计算选择相应立柱和顶部边纵梁即可, 从而既能够根据需要实现主体骨架需要的强度和刚度,又使得顶部边纵梁管件和立柱具有 一定的通用性。
[0081] 作为更加优选的技术方案,本实用新型独创性地将同一侧(例如驾驶室主体骨架 的左侧或右侧)的前立柱、顶部纵梁、后立柱形成为独特设计的三段,其中前立柱管件13和 后立柱管件14可以是常规的直管件,用作厚度可调节段,U形顶部边纵梁管件15是固定厚 度段。设计驾驶室时可以根据国际标准ISO 3471设计驾驶室主体骨架的钢结构框架,根据 受力分析结果选择合适的前立柱管件13、后立柱管件14和顶部边纵梁管件15的壁厚。例 如顶部边纵梁管件15的壁厚是4mm,前立柱管件13和后立柱管件14的壁厚选择范围可以 是4mm、5mm、6mm等。这样在设计同类产品驾驶室时,前立柱管件、后立柱管件可不用重新设 计,只需根据计算选择相应的壁厚即可。例如,以矩形截面为例,在图11中,顶部边纵梁管 件15不变,通过改变前立柱管件13和后立柱管件14的壁厚,即前立柱管件13和后立柱管 件14的壁厚外径的大小而改变壁厚,就可以实现顶部边纵梁管件15的通用性,此外,前立 柱管件13和后立柱管件14各自与顶部边纵梁管件15可以通过过盈配合、胶接或螺栓连接 等方式固定,从而既实现了连接的可靠性,又增强了零构件(立柱和顶部边纵梁等)的通用 性。
[0082] 另外,传统驾驶室的前立柱、后立柱和顶部侧横梁通常采用异形管,本实用新型采 用上述独特的连接形式后,这些异形管可以采用常规型钢代替,从而减少开模制作成本。
[0083] 尤其优选的是,在本实用新型的优选技术方案中,本实用新型综合使用钢材和纤 维复合材料来形成工程机械驾驶室主体骨架,从而可以充分地将钢材的刚度和强度与纤 维复合材料的韧性和能量吸收性能有效地结合起来,使得形成的工程机械驾驶室既满足刚 度、强度要求,又满足变形吸能要求。尤其是,在本实用新型的这种优选技术方案中,本实用 新型结合工程机械驾驶室的工况特点、应力分布和能量吸收特点,独创性地对纤维复合材 料层的布置形式进行了独特的布置,使得本实用新型的纤维复合材料加强部具有超常的能 量吸收吸能和强度加强效果,并且在反复测试过程中其能够有效地适应工程机械驾驶室使 用过程中的应力要求,性能可靠,具有实质性的性能提升和极强的工况适应性。这种独创性 的优选技术方案,使得本实用新型可以在较大程度上使用较薄钢材焊接驾驶室框架,再用 复纤维合材料局部加固驾驶室框架,由于纤维复合材料自重小,这将显著地在整体上减轻 了驾驶室主体骨架自重。
[0084] 本实用新型的工程机械及其驾驶室采用所述工程机械驾驶室主体骨架,因此其同 样具有上述优点。
[0085] 以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式,但是,本实用新型并不限 于上述实施方式中的具体细节,在本实用新型的技术构思范围内,可以对本实用新型的技 术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。
[0086] 另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛 盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复,本实用新型对各 种可能的组合方式不再另行说明。
[0087] 此外,本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合,只要其不违 背本实用新型的思想,其同样应当视为本实用新型所公开的内容。

Claims (10)

1. 工程机械驾驶室主体骨架,包括钢结构框架,所述钢结构框架包括立柱和顶部边纵 梁,其特征在于,至少一根所述立柱的上部与对应的所述顶部边纵梁之间形成可拆卸连接。
2. 根据权利要求1所述的工程机械驾驶室主体骨架,其特征在于,所述顶部边纵梁具 有连接部,所述连接部延伸到对应的所述立柱的上部W与对应的所述立柱的上部形成可拆 卸连接。
3. 根据权利要求2所述的工程机械驾驶室主体骨架,其特征在于,所述立柱至少包括 左前立柱巧a)、左后立柱(la)、右前立柱巧b)和右后立柱(化),所述顶部边纵梁包括顶部 左侧纵梁(10a)和顶部右侧纵梁(10b)其中, 所述顶部左侧纵梁(10a)与所述左前立柱巧a)和所述左后立柱(la)中的至少一者的 上端可拆卸地连接;和/或 所述顶部右侧纵梁(10b)与所述右前立柱巧b)和所述右后立柱(化)中的至少一者的 上端可拆卸地连接。
4. 根据权利要求3所述的工程机械驾驶室主体骨架,其特征在于,所述顶部左侧纵梁 (10a)与顶部右侧纵梁(10b)分别形成为U形顶部边纵梁件,所述顶部左侧纵梁(10a)的U 形开口侧的两端端部作为所述连接部分别与所述左前立柱巧a)和所述左后立柱(la)的上 端可拆卸地连接;并且所述顶部右侧纵梁(10b)的U形开口侧的两端端部作为所述连接部 分别与所述右前立柱巧b)和所述右后立柱(化)的上端可拆卸地连接。
5. 根据权利要求4所述的工程机械驾驶室主体骨架,其特征在于, 所述左前立柱巧a)和右前立柱巧b)分别为前立柱管件(13),所述右前立柱巧b)和右 后立柱(化)分别为后立柱管件(14),所述顶部左侧纵梁(10a)与顶部右侧纵梁(10b)分别 为U形顶部边纵梁管件(15),所述顶部左侧纵梁(10a)的U形开口侧的两端端部分别与所 述左前立柱巧a)和所述左后立柱(la)的上端可拆卸地插装连接;并且所述顶部右侧纵梁 (10b)的U形开口侧的两端端部分别与所述右前立柱巧b)和所述右后立柱(化)的上端可 拆卸地插装连接。
6. 根据权利要求5所述的工程机械驾驶室主体骨架,其特征在于,所述顶部左侧纵 梁(10a)的U形开口侧的两端端部分别对应地插装到所述左前立柱巧a)和所述左后立柱 (la)的上端端部内;并且所述顶部右侧纵梁(10b)的U形开口侧的两端端部分别对应地插 装到所述右前立柱巧b)和所述右后立柱(化)的上端端部内。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的工程机械驾驶室主体骨架,其特征在于, 至少一根所述立柱的外表面上铺设连接有纤维复合材料加强部(11),各个所述纤维复 合材料加强部(11)包括纤维复合材料层,所述纤维复合材料加强部中至少部分纤维方向 沿着对应的所述立柱的长度方向。
8. 根据权利要求7所述的工程机械驾驶室主体骨架,其特征在于,在所述纤维复合材 料加强部(11)的同一层所述纤维复合材料层中,所述纤维复合材料层的部分纤维方向沿 着所述立柱的长度方向,另一部分纤维方向与所述立柱的长度方向具有夹角;或者 所述纤维复合材料加强部(11)包括依次叠置的至少两层所述纤维复合材料层,该至 少两层所述纤维复合材料层中的部分所述纤维复合材料层中的纤维方向沿着所述立柱的 长度方向,另一部分所述纤维复合材料层中的纤维方向与所述立柱的长度方向具有夹角。
9. 工程机械驾驶室,其特征在于,该工程机械驾驶室包括根据权利要求1至8中任一项 所述的工程机械驾驶室骨架。
10.工程机械,其特征在于,该工程机械包括根据权利要求9所述的工程机械驾驶室。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111661173A (zh) * 2020-06-22 2020-09-15 浙江吉利新能源商用车集团有限公司 一种用于车辆的安全性能的优化方法和驾驶室框架结构

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