CN104631828B - 工程机械驾驶室主体骨架及制造方法、驾驶室及工程机械 - Google Patents

Abstract

一种工程机械驾驶室主体骨架及制造方法、驾驶室及工程机械，所述工程机械驾驶室主体骨架包括具有多根立柱的钢结构框架，其中在至少一根所述立柱上铺设连接有纤维复合材料加强部(11)，且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所述立柱的长度方向。本发明的工程机械驾驶室骨架结合了钢结构框架的刚度和纤维复合材料的韧性和冲击吸收性能，并对纤维复合材料层的布置方式进行了独创性创新，使得本发明的工程机械驾驶室在具有显著减轻重量的同时，实现了有效的性能优化。

Description

工程机械驾驶室主体骨架及制造方法、驾驶室及工程机械

技术领域

本发明涉及一种驾驶室，具体地，涉及一种工程机械驾驶室主体骨架及其制造方法。此外，本发明还涉及一种工程机械和工程机械驾驶室。

背景技术

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。

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。

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。此外，有些工程机械驾驶室在设计时未充分考虑防翻倾要求而无法满足标准要求，而在设计定型之后再改进结构则非常困难，这导致工程机械产品难以通过相关认证，增加了工程机械产品的设计报废率，阻碍了市场推广。

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1a和右后立柱1b，左前立柱9a与左后立柱1a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1b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1a和右后立柱1b的下端之间可以连接有底部前横梁，左后立柱1a和右后立柱1b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1a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1b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一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10a与顶部右侧纵梁10b之间连接有顶部横向连接杆3。

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10a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1a的中部连接有左加强纵梁4，左后立柱1a的中部和右后立柱1b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1b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。

上述现有技术的缺点在于：

第一，依据传统的驾驶室设计方法，难以保证驾驶室在满足强度刚度要求的同时达到能量吸收要求，这导致驾驶室往往不符合标准要求，无法保证产品的安全性，造成产品报废率较高。

具体地，目前评价翻车保护结构的设计是否成功，主要是看其能否满足相关标准的要求。以国际标准ISO 3471:2008《土方机械翻车保护结构实验室试验和性能要求》为例：在侧向、垂直方向和纵向载荷作用下有挠度限制；在侧向载荷作用下，规定了能量要求和挠度限制，以保证翻车保护结构与没有显著变形的地面冲撞时发生挠曲，同时保持足够的性能抵御翻车带来的进一步冲击。为了使驾驶室符合标准，如上所述，通常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。有些驾驶室在设计时未充分考虑防倾翻要求而无法满足标准要求。以图1至图3所示的驾驶室主体骨架为例，根据标准，驾驶室满足最小侧向载荷能力要求的载荷是63000N，满足最小能量吸收能力要求的能量是11000J。利用有限元方法对图示的驾驶室进行最小侧向载荷能力要求和最小能量吸收能力要求校核，计算结果发现驾驶室根本不符合最小能量吸收能力要求。当驾驶室达到最小能量吸收能力要求时，驾驶室顶部变形过大，已经超过标准规定的挠曲极限量。

第二，采用传统设计方法设计系列产品驾驶室，需要设计不同的结构，造成设计成本和产品周期增加。

第三，现有的驾驶室由单一钢材制造，为了增强结构刚度而增加过多的加强梁，导致自身重量较大。

第四，为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，这提高了制造成本和加工难度。

综上，如何在不显著增加工程机械驾驶室重量的基础上，有效地兼顾其刚度、强度性能和能量吸收性能，已经构成工程机械领域的技术难题。

发明内容

本发明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及其制造方法，其能够在不显著增加工程机械驾驶室重量的基础上，有效地兼顾其刚度、强度性能要求和能量吸收性能要求。

进一步地，本发明还要提供一种工程机械及其驾驶室，该工程机械驾驶室在不显著增加重量的基础上有效地兼顾了刚度、强度性能要求和能量吸收性能要求。

为了解决上述技术问题，本发明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多根立柱，其中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。

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。

优选地，所述夹角为30°至45°。

优选地，纤维方向沿着所述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所述纤维复合材料层在所述立柱上交替地叠置连接。

优选地，所述纤维复合材料层中的纤维复合材料的拉伸延伸率≥3％，纤维方向的弹性模量≥40GPa。

作为一种优选实施方式，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，各个所述立柱的所述加强连接部处于各自的加强段上，至少在对应的所述立柱的所述加强段上铺设连接有所述纤维复合材料加强部。

可选择地，所述立柱的除所述加强连接部之外的整个长度上布置有所述纤维复合材料加强部；或者所述纤维复合材料加强部布置在对应的所述立柱的所述加强段上，且各个所述纤维复合材料加强部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。

可选择地，各个所述纤维复合材料加强部在各自所述立柱的布置区域上布置在所述布置区域的整个外周面上；或者各个所述纤维复合材料加强部在各自所述立柱的布置区域上布置在所述布置区域的部分外周面上。

优选地，各个所述纤维复合材料加强部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。

进一步地，所述立柱包括左前立柱、右前立柱、左后立柱和右后立柱，其中所述左前立柱与所述左后立柱的上端之间连接有顶部左侧纵梁，所述右前立柱与所述右后立柱的上端之间连接有顶部右侧纵梁，所述顶部左侧纵梁与顶部右侧纵梁之间连接有顶部横向连接杆，其中所述顶部左侧纵梁与顶部右侧纵梁分别连接有所述纤维复合材料加强部。

作为一种优选实施方式，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，所述顶部边纵梁管件的两端分别对应地与所述前立柱管件和后立柱管件可拆卸地插装连接。

在本发明的上述工程机械驾驶室主体骨架的技术方案的基础上，本发明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。

进一步地，本发明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。

与上述工程机械驾驶室主体骨架的技术方案相对应，本发明提供一种工程机械驾驶室主体骨架制造方法，其中，包括如下步骤：第一，制作驾驶室主体骨架的钢结构框架，所述钢结构框架包括多根立柱；第二，在至少一根所述立柱上铺设连接纤维复合材料加强部，其中，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。

优选地，在所述第二步骤中，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。

通过上述技术方案，本发明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，在本发明的技术方案中，本发明经过大量的研究计算和模拟分析，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，使得本发明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。

本发明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

下列附图用来提供对本发明的进一步理解，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发明，但本发明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：

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。

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。

图4是本发明驾驶室主体骨架的制造方法的流程框图。

图5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。

图6是本发明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。

图7是图6所示的中间立柱上的纤维复合材料层的结构示意图。

图8是图6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。

图9是本发明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。

图10是本发明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。

图11是图10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。

附图标记说明：

1a左后立柱； 1b右后立柱；

2中间立柱； 3顶部横向连接杆；

4左加强纵梁； 5前加强横梁；

6右加强纵梁； 7后加强横梁；

8a底部左侧纵梁； 8b底部右侧纵梁；

9a左前立柱； 9b右后立柱；

10a顶部左侧纵梁； 10b顶部右侧纵梁；

11纤维复合材料加强部； 12纤维复合材料加强圈；

13前立柱管件； 14后立柱管件；

15顶部边纵梁管件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明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发明，本发明的保护范围并不局限于下述的具体实施方式。

为了使得本领域技术人员更深刻地理解本发明的独特技术构思，以下首先描述本发明工程机械驾驶室主体骨架制造方法的具体实施方式和优选实施方式，描述过程中将附带性适当说明本发明在研发过程中所进行的一些创造性劳动和分析。在此基础上，将进一步描述本发明工程机械、工程机械驾驶室及其主体骨架的具体实施方式和优选实施方式。

如上所述，评价工程机械驾驶室的翻车保护结构的性能评价，最具关键意义的是工程机械驾驶室主体骨架的性能要求。为了设计出能够克服或减轻现有技术缺陷的工程机械驾驶室，本申请的发明人进行了大量的驾驶室主体骨架的结构分析和受力分析，分析结果发现，工程机械驾驶室主体骨架的前立柱、后立柱和中间立柱的刚度、强度、韧性和能量吸收性能是引起驾驶室侧向变形过大的主要因素。而且，单纯地增加立柱的壁厚或加强梁的数量仅是以增加重量为代价对增强刚度具有一定的作用，对于驾驶室主体骨架的韧性和能量吸收性能并无积极的作用。而且，工程机械的工况非常恶劣，尤其路况的恶劣导致驾驶室主体骨架的立柱长期处于一种不规则的以受拉伸为主的应力承受状态，同时，由于工程机械在日常使用过程中振动方向的不规则性，应力方向也具有一定的分散性，尤其是，驾驶室主体骨架的立柱与加强梁的连接处往往应力最大，这些因素常常导致立柱在工作一段时间因为疲劳发生不可恢复的变形。另外，在极端情况下发生倾翻事故时，驾驶室主体骨架的强度、刚度、韧性和能量吸收要求至关重要。

在此种情况下，如果局限于现有技术的单纯钢结构框架的工程机械驾驶室主体骨架，将难以解决本领域技术人员面临的技术难题，为此有必要突破传统的工程机械驾驶室的设计思路，在工程机械驾驶室主体骨架中引入其它材料。经过研究和比对发现，纤维复合材料的韧性、强度和能量吸收性能具有独特的优点，例如，玻璃纤维增强塑料(GFRP)。但是，显然地，作为工程机械驾驶室主体骨架，其需要具有相对较好的刚度和强度要求，而单纯采用纤维复合材料在刚度方面是难以满足要求的，因此有必要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。

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。

为此，本发明在研发过程中进行了大量的模拟试验分析，最终形成了一种独特的工程机械驾驶室主体骨架制造方法，具体地，参见图4，本发明的工程机械驾驶室主体骨架制造方法主要包括如下步骤：

第一，制作驾驶室主体骨架的钢结构框架，所述钢结构框架包括多根立柱。

对于本领域技术人员熟知地，工程机械驾驶室结构一般由主体骨架、蒙皮等钣金件和内饰件构成，其中主体骨架承担大部分载荷，驾驶室主体骨架中的钢结构框架通常采用钢材Q235或Q345，尤其是立柱的性能至关重要。

需要说明的是，本发明驾驶室主体骨架中的钢结构框架，可以与现有技术中的驾驶室钢结构框架的主体结构基本类似，当然材料厚度、加强梁的数量等可以大幅减少。为了便于理解，在此示例性描述一种典型的驾驶室主体骨架的钢结构框架，参见图6，该钢结构框架的多根立柱可以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1a和右后立柱1b，左前立柱9a与左后立柱1a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1b的上端之间连接有顶部右侧纵梁10b。左前立柱9a与左后立柱1a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1b的下端之间连接有底部右侧纵梁8b，顶部左侧纵梁10a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一般根据驾驶室的形状形成为曲折形状。顶部左侧纵梁10a与顶部右侧纵梁10b之间连接有顶部横向连接杆3。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1a的中部连接有左加强纵梁4，左后立柱1a的中部和右后立柱1b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1b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6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。

第二，在至少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。

也就是说，通过本发明的上述工程机械驾驶室主体骨架的制造方法，本发明在钢结构框架上采用了独特的纤维复合材料的布置形式。首先，本发明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。其次，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，这种独特的布置形式的优点在于，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。

一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11。

尤其优选的是，在上述第二步骤中，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，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°)。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°)。采用这种优选的纤维复合材料的独特布置形式，使得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，这种独特的布置形式的突出优点在于，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，使得本发明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。

为了验证本发明上述工程机械驾驶室主体骨架的制造方法的优越性，本发明在作出过程中进行了校核试验，采用本发明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6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5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9b、左后立柱1a、右后立柱1b和中间立柱2上铺设约1mm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1mm GFRP的模型与图1所示的模型相比，最大变形减小了31.4％。这充分说明在本发明独特的布置形式下，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。

表1 相同侧载时驾驶室主体骨架计算结果对比

序号	方案	最大变形(mm)	载荷(kN)
				1	传统钢结构主体骨架	211.5	102
2	本发明	144.9	104

此外，本发明也同时进行了耐久性试验，同比试验结果显示，本发明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，而本发明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发明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。

在本发明工程机械驾驶室主体骨架制造方法的上述基本技术构思的基础上，如上所述，本发明可以采用各种纤维复合材料进行加强，其基本均能够不同程度地改善工程机械驾驶室主体骨架的性能。优选地，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≥3％，纤维方向弹性模量≥40GPa。

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。

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。

作为一种更加优选的实施方式，如上所述，作为本发明的关键技术措施，各个纤维复合材料加强部11至少包括两层纤维复合材料层，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。在研发过程中经过反复研究发现，由于纤维复合材料属于各向异形材料，沿纤维方向的弹性模量一般是垂直纤维方向弹性模量的数十倍，因此应使复合材料的纤维方向与主要应力方向一致，同时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，针对驾驶室立柱结构，立柱的主要应力方向是其长度方向，因此可以优先地使得部分复合材料纤维方向与立柱长度方向一致。例如，可以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，使得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与立柱长度方向呈30°至45°夹角。再如，可以使得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30°至45°的夹角。校核试验证实，纤维方向与立柱长度方向呈30°至45°夹角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。当然，纤维方向沿着所述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所述纤维复合材料层各自的数量可以根据需要设置。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。作为另一种优选方式，在上述第二步骤中，可以将纤维方向沿着所述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所述纤维复合材料层在所述立柱上交替叠置地铺设连接。

从纤维复合材料加强部11的厚度看，通常来讲，纤维复合材料越厚，驾驶室主体骨架的加强效果越好，一般纤维复合材料加强部11的厚度可以为0.5～5mm。

作为，作为一种优选实施方式，纤维复合材料加固驾驶室主体骨架的钢结构框架，在长时间使用后复合材料加强部的边缘和应力集中处能够倾向于引起剥落。因此，优选地，上述第二步骤还包括：在各个纤维复合材料加强部11的沿长度方向的两端端部分别束紧固定纤维复合材料加强圈12。例如，图9显示了中间立柱2上的纤维复合材料加强部11的加固情况，在纤维复合材料加强部11的边缘、中间立柱2与其左加强纵梁4处采用的复合材料加强圈机械夹紧。

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≥5％，剪切强度≥20MPa，例如可以为酚醛树脂、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。

以上描述了本发明的工程机械驾驶室主体骨架的制造方法，在此基础上，以下描述本发明的工程机械驾驶室主体骨架的基本实施方式和优选实施方式，在此需要说明的是，尽管上述制造方法可以用于形成本发明下述的工程机械驾驶室主体骨架，但并不代表本发明的工程机械驾驶室主体骨架仅能通过上述制造方法形成，例如，在实际生产中还可以现在各个钢管材上铺设连接纤维复合材料，然后再采用这些连接有纤维复合材料的钢管材制造主体骨架。因此，无论采用何种制造工艺形成本发明的下述技术构思的工程机械驾驶室主体骨架，其均应属于本发明的保护范围。另外，在上述描述过程中已经描述的技术特征，在下文中将适当予以简略描述。

参见图6所示，本发明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多根立柱(例如左前立柱9a、右前立柱9b、左后立柱1a、右后立柱1b和中间立柱2)，其中至少一根立柱的外表面上铺设连接有纤维复合材料加强部11，各个纤维复合材料加强部11包括纤维复合材料层，且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。

本发明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，本发明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。

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。

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。

优选地，所述纤维复合材料层中的纤维复合材料的拉伸延伸率≥3％，纤维方向的弹性模量≥40GPa。各个纤维复合材料加强部11的厚度一般可以为0.5mm至5mm。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≥5％，剪切强度≥20MPa。

此外，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。

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。

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。

进一步地，如上所述，本发明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6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1a和右后立柱1b，其中左前立柱9a与所述左后立柱1a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1b的上端之间连接有顶部右侧纵梁10b，顶部左侧纵梁10a与顶部右侧纵梁10b之间连接有顶部横向连接杆3，其中顶部左侧纵梁10a与顶部右侧纵梁10b也可以分别连接有上述纤维复合材料加强部11。

另外，通过上述分析可以，驾驶室的前立柱、后立柱是引起驾驶室侧向变形的主要因素，且前立柱、后立柱与各自加强梁连接处应力最大，这是导致前立柱、后立柱变形的主要原因，并且由于同一侧的前立柱、顶部纵梁和后立柱典型地连接为U形形状。因此，如图10和图11所示，作为一种结构改进方案，本发明的左前立柱9a和右前立柱9b可以分别为图10所示的前立柱管件13，右前立柱9b和右后立柱1b可以分别为后立柱管件14，顶部左侧纵梁10a与顶部右侧纵梁10b可以分别为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插装连接(例如顶部边纵梁管件15的两端分别对应地***到前立柱管件13和后立柱管件14内固定)。这种优选的结构替代方案实际是将同一侧(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和制作，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。

在本发明的上述工程机械驾驶室主体骨架的技术方案的基础上，本发明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，本发明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。

由上描述可见，本发明的关键技术点在于综合利用钢材和纤维复合材料，并对纤维复合材料采用独创性的布置形式，从而形成了一种开创性的工程机械驾驶室主体骨架制造设方法，并提供了突破传统结构的工程机械驾驶室主体骨架、驾驶室以及采用该驾驶室的工程机械。具体地，本发明具有以下优点：

第一，本发明综合使用钢材和纤维复合材料，根据标准要求设计出独特的纤维复合材料布置形式，可以有效地协调驾驶室“既满足刚度强度要求，又满足变形吸能要求”的设计矛盾，使得驾驶室主体骨架的综合性能达到实质性的优化，有关示例性的校核试验已经在上文描述，在此不再赘述。

第二，本发明可以针对驾驶室钢结构框架已经定型的产品，后期无法再更改钢结构框架的成形工艺，但使用本发明的制造方法，通过调整增强纤维复合材料，可以实现不同型号产品的驾驶室通用性。

第三，针对不符合国际标准ISO 3471的驾驶室主体骨架，采用本发明制造方法，可以使其达到国际国内标准要求，从而实现“不合格产品”变为“合格产品”，极大地降低成本，避免能耗和设备的浪费。

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，本发明采用独特布置形式的纤维复合材料加强钢管后，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。并且，本发明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。本发明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。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

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，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (14)

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多根立柱，其中

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，

其中，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。

2.根据权利要求1所述的工程机械驾驶室主体骨架，其中，所述夹角为30°至45°。

3.根据权利要求1所述的工程机械驾驶室主体骨架，其中，纤维方向沿着所述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所述纤维复合材料层在所述立柱上交替地叠置连接。

4.根据权利要求1所述的工程机械驾驶室主体骨架，其中，所述纤维复合材料层中的纤维复合材料的拉伸延伸率≥3％，纤维方向的弹性模量≥40GPa。

5.根据权利要求1所述的工程机械驾驶室主体骨架，其中，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，各个所述立柱的所述加强连接部处于各自的加强段上，至少在对应的所述立柱的所述加强段上铺设连接有所述纤维复合材料加强部(11)。

6.根据权利要求5所述的工程机械驾驶室主体骨架，其中，

所述立柱的除所述加强连接部之外的整个长度上布置有所述纤维复合材料加强部(11)；或者

所述纤维复合材料加强部(11)布置在对应的所述立柱的所述加强段上，且各个所述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。

7.根据权利要求1所述的工程机械驾驶室主体骨架，其中，

各个所述纤维复合材料加强部(11)在各自所述立柱的布置区域上布置在所述布置区域的整个外周面上；或者

各个所述纤维复合材料加强部(11)在各自所述立柱的布置区域上布置在所述布置区域的部分外周面上。

8.根据权利要求1所述的工程机械驾驶室主体骨架，其中，各个所述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)。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的工程机械驾驶室主体骨架，其中，所述立柱包括左前立柱(9a)、右前立柱(9b)、左后立柱(1a)和右后立柱(1b)，其中所述左前立柱(9a)与所述左后立柱(1a)的上端之间连接有顶部左侧纵梁(10a)，所述右前立柱(9b)与所述右后立柱(1b)的上端之间连接有顶部右侧纵梁(10b)，所述顶部左侧纵梁(10a)与顶部右侧纵梁(10b)之间连接有顶部横向连接杆(3)，其中所述顶部左侧纵梁(10a)与顶部右侧纵梁(10b)分别连接有所述纤维复合材料加强部(11)。

10.根据权利要求9所述的工程机械驾驶室主体骨架，其中，所述左前立柱(9a)和右前立柱(9b)分别为前立柱管件(13)，所述右前立柱(9b)和右后立柱(1b)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)，所述顶部边纵梁管件(15)的两端分别对应地与所述前立柱管件(13)和后立柱管件(14)可拆卸地插装连接。

11.工程机械驾驶室，其中，该工程机械驾驶室包括根据权利要求1至10中任一项所述的工程机械驾驶室骨架。

12.工程机械，其中，该工程机械包括根据权利要求11所述的工程机械驾驶室。

13.工程机械驾驶室主体骨架制造方法，其中，包括如下步骤：

第一，制作驾驶室主体骨架的钢结构框架，所述钢结构框架包括多根立柱；

第二，在至少一根所述立柱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。

14.根据权利要求13所述的工程机械驾驶室主体骨架制造方法，其中，在所述第二步骤中，

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。