新型异型材骨架在工程机械驾驶室中的应用与研究

杨 军，张汝英，杨昌远，葛 毅

（1.湖南工业职业技术学院，湖南长沙，410208；2.长沙华电云通电力技术有限公司，湖南长沙，410002）

新型异型材骨架在工程机械驾驶室中的应用与研究

杨 军1，张汝英2，杨昌远1，葛 毅1

（1.湖南工业职业技术学院，湖南长沙，410208；2.长沙华电云通电力技术有限公司，湖南长沙，410002）

工程机械驾驶室要求安全舒适、外形美观。型材驾驶室采用异型管材搭焊骨架再覆盖金属薄板件的结构，在外观新颖性、人机安全性、驾驶舒适性、高效率、低成本等方面均优于钣金驾驶室，是工程机械驾驶室的重要发展方向。本文阐叙了型材驾驶室的各种优越性，分析了异型材骨架的结构特点，介绍了四种新型异型管材的截面形状和尺寸，并说明了其应用特点和搭焊骨架的方式，对类似异型管材的设计开发具有参考和借鉴作用。

工程机械驾驶室；型材驾驶室；异型材骨架；异型管材；截面设计

1 前言

工程机械驾驶室是整机的重要组成部分，既是驾驶人员对设备进行操作完成各种作业的控制室，也是工程机械外观质量的重要体现。早期的工程机械驾驶室主要是钣金驾驶室，由各种规格不一的钣金零件经手工焊接而成，零件数量较多，且大多数零件都是薄板件，焊接后很容易变形，焊缝较多，需要打磨、刮腻子，致使驾驶室做工粗糙，精细化难以满足要求，稍微复杂一点的造型就很难通过薄板件焊接出来，外形线条是直线加棱角，结构简单，造型生硬，强度和刚度低，防落物和防倾翻保护性能也不足，而且工人的劳动强度大，工作环境差。

随着时代的变迁及科学技术的进步，人们对工程机械产品的安全性、操作舒适性和外观提出了更高的的要求，工程机械驾驶室成为了技术创新的重点之一，包括卡特彼勒、利勃海尔、沃尔沃、三一重工等企业在内的许多工程机械制造厂家相继推出了强度高、造型美观、线条独特新颖的型材驾驶室产品以取代钣金驾驶室。所谓型材驾驶室，就是由异型管材搭接焊成坚实的骨架，再在外面覆盖金属薄板件，异型管材弯曲成形的圆弧框架结构，金属薄板件压延成形的曲面流线造型，给人以线条流畅、自然、美观的感觉，同时赋予了驾驶室更好的整体强度和人性化的操作空间。与钣金驾驶室比较，型材驾驶室减少了钣金覆盖件的使用，由此减少了模具的设计制造环节及费用，缩短了开发周期，降低了制造成本；驾驶室的骨架采用高强度的异型钢管，蒙皮部分可采用厚度较大的钢板，从而提高了驾驶室的强度，防倾覆及防落物性能更加优越；骨架型材可通用化、标准化，并由专业型材制造商制造成标准化的长度，驾驶室制造商拿来即可使用，减少了开发的中间环节，节省了开发成本。因此，型材驾驶室无疑是今后工程机械驾驶室的重要发展方向。

2 型材驾驶室异型材骨架结构特点

骨架是型材驾驶室的主体结构和主要受力体，由型材弯曲成的横梁和立柱拼接而成，通常分为前围、侧围、后围、顶框、门框、底板等六大部件，这六大部件各具功能，同时又并非独立存在，而是互相制约形成不可分割的一个整体。为了保证骨架的强度和刚度，同时兼顾轻量化要求，有些公司已经开始采用优质铝合金异型管材。

传统钣金驾驶室在各处转角部位均为拼焊结构，而型材驾驶室可以采用一根整体异型管材取代，形成圆弧过渡的造型，效果好，易于调控，并且大大节省了焊接、打磨、刮腻子等工序的工作量。型材驾驶室骨架设计的关键是异型管材的截面，需要考虑各部件之间的连接关系，以及部件内部异型材之间的搭接方式，还要考虑各种常用功能件如玻璃等的安装固定，要预留涂胶及粘贴玻璃的空间，等等，要保证不同型材搭接后驾驶室的内外表面均匀协调、平缓过渡，尤其是外表面不能有突然的凸起和尖角。由于不同部件及其不同部位的功能和承载要求有所不同，因此其型材截面和厚度要求也有所区别，如组成后围的立柱截面就比组成前围的横梁截面大、壁厚厚，组成侧围的中立柱截面则介于前围和后围之间。同时，还必须符合异型管材的锟压工艺性和弯曲工艺性，如管材截面拐角处半径一般取壁厚的1.5～2倍以满足锟压工艺的要求，异型管材最小弯曲半径R一般取截面的最大长度的2～3倍，以满足弯曲工艺性要求。

型材驾驶室异型材骨架具有足够的强度和刚度，避免了因强度不足引起的构件早期出现裂纹和疲劳断裂，避免了因刚度不足引起的驾驶室门框及窗框变形、车门卡死、甚至在发动机低速运行时产生结构共振而发出声响现象。

3 异型材截面设计

异型管材截面设计主要包括截面形状的选择和尺寸的确定，要求形状与驾驶室整体外形协调，与异型材之间搭接自然，与功能件合理配置，截面尺寸尤其是壁厚要保证要求的强度和刚度。

通过对平地机、压路机、集装箱港口机械等产品驾驶室进行综合分析总结，设计出四种标准截面尺寸的异型管材，可以供各类驾驶室共同使用。该四种异型管材分别是：带弧空心型材、凸台空心型材、异槽空心型材和L型空心型材。

如图1所示为RSC45吨集装箱正面吊运机驾驶室骨架断面图，从该图中可以看到，上述四种异型管材在型材驾驶室中的搭接关系。

图1 驾驶室骨架断面图

3.1 带弧空心型材

型材截面形状及尺寸如图2（a）所示，最大外形尺寸为99mm×73.9mm，壁厚为4mm；大端宽度为73.9mm，小端宽度为40mm，分别设有25x15mm的台阶边；图示相互垂直的左、上两个平面及其R15mm圆角弧面是型材装配后的外露面，而R83.6mm大圆弧面则位于驾驶室内。该型材由于截面尺寸较大，壁厚较厚，可用于驾驶室的后立柱，作为驾驶室的主承重立柱。其内大圆弧面设计有诸多益处，首先利于增加型材的强度，改善驾驶室的美观度；其次，圆弧面朝驾驶室内摆放，可增大驾驶室的内部空间，避免传统的大直角设计造成的磕磕绊绊，使驾驶员活动更加方便自如，更加人性化；而且可以直接在圆弧面上焊接或者钻孔攻丝安装其它小零件，如灭火器支架等，相当于增加了一种附属功能。型材大、小端的台阶边用于安装玻璃，先涂胶，之后将玻璃粘贴在胶层上，台阶面宽度取25mm，是为了保证有足够空间在玻璃粘贴后四周与台阶仍能留有一定的缝隙，满足玻璃的热膨胀要求，两台阶面分别保持与两外露平面平行，以使玻璃安装后能够与型材表面平齐，小端台阶面也用于与门框密封条贴合并密封。

该型材一般采用Q235B钢经冷拔或锟压而成，如图2（b）是型材的立体图，图2（c）是型材经弯曲成形后的弯曲件立体图。

图2 带弧空心型材截面

3.2 异槽空心型材

型材截面形状及尺寸如图3（a）所示，最大外形尺寸为65.6mm×40mm，壁厚为2mm，图示25X15mm的台阶边用于涂胶粘贴玻璃，6mm宽的异型凹槽用于安装门框密封条，型材壁厚较薄，主要用于门框部件，不属于承重梁。其6mm宽异型凹槽是根据门框密封条的尺寸设计的，将密封条通过3M胶粘贴在30MM的直边平面上并卡入6MM异型凹槽内，使密封条粘贴牢固，不容易被扯落。该型材的摆放位置如图1所示，装配后其外露表面须与相邻型材保持齐平，以保证驾驶室外形的整体协调，当车门关闭锁紧时，密封条受到挤压，因而贴紧相邻型材的台阶边平面，达到较好的密封效果。

该型材可由Q235B材料冷拔或锟压而成，图3（b）是型材立体图。由于壁厚较薄，故更易于按照门的形状要求进行弯曲，不过需注意控制其最小弯曲半径。

图3 异槽空心型材截面

3.3 凸台空心型材

型材截面形状及尺寸如图4（a）所示，最大外形尺寸为84.4mm×40mm，壁厚为4mm，有两处对称布置的25X15mm台阶边。该型材截面尺寸较大，壁厚较厚，可作为支撑立柱用于驾驶室的中立柱。如图1所示，其两个25X15mm台阶边，朝向驾驶室的外侧，一处用来涂胶粘贴玻璃，另一处用来与门框密封条配合。装配后，其34.4mm处外露平面必须与异槽空心型材对应外露平面平整对齐。

该型材可由Q235B材料冷拔或锟压而成，图4（b）是型材立体图。

图4 凸台空心型材截面

3.4 L型空心型材

型材截面形状及尺寸如图5（a）所示，最大外形尺寸为59.3mm×40mm，壁厚为3mm，设置有一处25X15mm的台阶边，用于涂胶粘贴玻璃。该型材截面尺寸较小，壁厚稍薄，因此不适用于承重梁，而是主要用作驾驶室的前围横梁和后围横梁，起到框架搭接作用，其摆放位置如图1所示。

该型材亦可由Q235B冷拔或锟压而成，图5（b）是型材立体图。可以根据驾驶室整体造型及其它型材的衔接需要，对型材进行弯曲成形。

图5 L型空心型材截面

4 异型材骨架在型材驾驶室中的应用

如图 6所示为上述四种异型管材骨架在STR130-5H双钢轮压路机驾驶室中的实际应用。该款型材驾驶室造型设计精致，充分发挥了异型材骨架的特点，外形美观大方，操作安全可靠，圆弧形的前窗自然流畅，再加上通透的左右窗和后窗，使驾驶员具有开阔的视野，内部空间宽敞又不失精细，满足人机舒适性要求，而且在保证整体强度和刚度的同时，大大提高了轻量化水平。

图6 异型管材骨架在型材驾驶室的应用

5 结语

工程机械驾驶室造型与结构设计的基本要求是安全、舒适、外形美观、结构合理、操作方便，符合人机工程学原理。型材驾驶室采用异型管材搭焊骨架再覆盖金属薄板件的结构，在外观新颖性、人机安全性、驾驶舒适性、高效率、低成本等方面均优于钣金驾驶室，是工程机械驾驶室的重要发展方向。骨架结构组成是型材驾驶室的基体，用于形成驾驶室骨架的新型异型管材又是关键所在，如何合理设计异型管材骨架搭接方式及异型管材截面形状，对于充分发挥型材驾驶室的特点至关重要。

新型异型管材的开发设计，以及现代弯管技术的成熟进步，无疑会使型材驾驶室具有更加广阔的发展前景。现代数控弯管机及数控滚弯机配合相应模具可以对不同截面形状的异型管材完成不同曲率半径的弯曲加工，这项技术装备目前已经在许多工程机械制造企业推广使用，因此，异型管材有望在工程机械驾驶室生产中获得规模化应用。未来的发展趋势将是异型材制造商根据不同工程机械企业的各种特殊需求，进行融合归纳，优化设计，最终生产出通用化、标准化的异型管材，以供工程机械驾驶室生产企业择需选用。

[1]李玮.现代弯管工艺在工程机械驾驶室制造中的应用现状及发展趋势[J].工程机械，2011（6）：42-46.

[2]张瑞.工程机械驾驶室新材料与新工艺的应用[J].工程机械，2012（4）：58-62.

[3]张瑞.异型管材在工程机械行业中的应用[J].建筑机械，2015（3）：57-66.

[4]张华清.异型管材在工程机械驾驶室制造中的应用现状及发展趋势[J].建筑工程技术与设计，2015（9）：06-42.

[5]刘南才.漫谈装载机驾驶室的设计发展方向[J].工程机械，2014（10）：36-42.

[6]王继新.工程机械驾驶室设计与安全技术[M].北京：化学工业出版社，2010：28-39.

Application and Research of a New Type of Special Shaped Material Skeleton in the Cab of Construction Machinery

YANG Jun1，ZHANG Ru-ying2，YANG Chang-yuan1，GE Yi1
（1.Hunan Industry Polytechnic，Changsha410208,Hunan；2.Changsha Huadian Yuntong Electric Power Technology Co.,LTD,Changsha410002,Hunan）

Construction machinery cab requires safe,comfortable and beautiful shape.The structure profile cab uses profiled pipe lap welding skeleton covered with sheet metal.The appearance of novelty,human safety,driving comfort,high efficiency,low cost and other aspects are better than the metal cab,which is an important development direction of construction machinery cab.This paper describes the various advantages of the profile cab,analyzes the structure characteristics of the profile skeleton,introduces four new profiled pipe cross-sectional shape and size,and illustrates its application features and lap skeleton way,which can be used as a reference for the design and development of similar shaped pipe.

construction machinery cab;the profile cab;the profile skeleton;profiled pipe;the section design

TU60

A

1671-5004（2017）01-0007-04

2016-10-29

湖南工业职业技术学院院级课题新型异型材骨架在工程机械驾驶室中的应用与研究（项目编号：GYKYZ2014003）。

杨军（1964-），男，湖南长沙人，湖南工业职业技术学院副教授、高级工程师，研究方向：模具设计制造，模具CAD/CAM，材料成型技术。