出口機車司機室耐沖擊性分析校核

徐繼鑫 趙宇雷 徐德山

(中車大連機車車輛有限公司技術開發部 遼寧 大連 116021)

司機室作為司乘人員操作的空間，其安全性設計至關重要。某出口機車為客、貨通用的干線內燃機車，軌距為1 068 mm，最高運行速度為100 km/h。在安全性能方面，須滿足AS 7520.1—2012標準要求，故須對司機室進行耐沖擊性分析校核，主要模擬機車發生事故翻轉傾覆或遇到自然災害山體滑坡等事件時對司機的防護[1]。機車采用外走廊式底架承載雙司機室結構，具有2個完全相同的司機室，司機室采用鋼骨架蒙皮焊接結構。由于空調設置在司機室內部靠近副司機側，空調進風百葉窗須直接安裝于司機室前部。所以耐沖擊性主要考核司機室頂蓋、前窗和空調百葉窗。

1 司機室

1.1 司機室鋼結構

司機室鋼結構由前臉，前窗框，左、右側墻，后墻及頂蓋六大部件組成[2](見圖1)。前臉采用方管與板材焊接結構，方管布置7根，厚度為16 mm。前窗框為薄板焊接結構，為加強結構強度，在兩窗框中間設置梁結構。側墻主要由槽鋼和矩形管焊接組成框架結構，并在側窗下沿設置斜梁，使得司機室所受載荷能傳遞到底架。后墻由矩形管焊接成桁架結構，并作為車門的安裝框。頂蓋縱向采用矩形梁作為主支撐，橫向通過梁裝配形成整體，并連接前臉，左、右側墻和后墻，組成1個完整的箱型結構。司機室鋼結構材料為Q345。

1—前臉；2—前窗框；3—左、右側墻；4—后墻；5—頂蓋。圖1 司機室鋼結構

1.2 空調進風百葉窗

受機車限界的限制，司機室的總高度只有2 200 mm。為保證司機室內的凈空間，空調無法安裝在頂蓋上，只能位于在司機室的前端，進風口設置在前臉上。百葉窗通過6個螺栓安裝在進風口處，對空調的進氣起到過濾作用，同時對異物入侵司機室有重要的防護作用。

百葉窗主體結構由框架、上下立板和3種不同截面形狀的除塵管組成，除塵管兩端通過焊接與上下立板連接，三層除塵管組成的過濾系統有效防止沙塵、碎石等雜物通過空調進風口入侵司機室?？蚣芎蜕舷铝灏搴? mm，第1層除塵管壁厚1.2 mm，第2、3層壁厚0.8 mm。整個結構采用的材料是6063-T5鋁合金。

1.3 前窗玻璃

司機室逃生窗玻璃采用三層玻璃加兩層膠片的特殊結構,設計參數為：6 mm鋼化玻璃(外片)+2 mm PVB膠片+5 mm鋼化玻璃(中片)+ 1 mm PVB膠片+6 mm鋼化玻璃(內片)。故總厚度為(20±0.5) mm。

2 耐沖擊性分析校核

耐沖擊性考核工況主要分為3部分：

(1)司機室頂蓋用于承受頂部沖擊載荷，其耐沖擊要求如下：尺寸為300 mm×300 mm×300 mm，質量為100 kg的實心混凝土塊，從距車頂3 m位置下落，不會將司機室頂蓋擊穿；

(2)為防止因空調百葉窗破損導致外物侵入司機室，對空調百葉窗的靜強度進行計算，以衡量其耐砂石等外物沖擊的能力；

(3)1 kg的實心鋁球以287 km/h的速度沖擊司機室逃生窗，逃生窗玻璃不允許被擊穿。

3 計算分析

3.1 司機室頂蓋計算分析

司機室結構均為薄壁結構，因此采用殼單元建立有限元模型。整個有限元模型包含四節點殼單元58 336個，節點56 553個。

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對司機室底部節點施加X、Y、Z三向位移約束。設定質量為100 kg，尺寸為300 mm×300 mm×300 mm的實心混凝土方塊從3 m高度自由下落，對司機室頂蓋造成沖擊。分析模型建立如圖2所示。

司機室整個結構采用的材料是Q345，彈性模量為206 GPa,泊松比為0.3，密度為7 860 kg/m3，屈服強度為345 MPa。

圖2 載荷、約束施加有限元示意圖

沖擊作用下不同時刻的應力云圖變化如圖3所示，頂蓋被沖擊點的垂向位移變化曲線如圖4所示，沖擊過程中頂蓋受到沖擊力的變化曲線如圖5所示。

圖3 不同時刻頂蓋應力分布

圖4 頂蓋沖擊位置垂向位移變化曲線

圖5 頂蓋所受沖擊力變化曲線

從不同時刻的應力分布圖可以看出，混凝土方塊對司機室頂蓋的沖擊并沒有產生穿透效應。頂蓋沖擊位置垂向位移變化曲線表明，在沖擊作用下，頂蓋在13 ms時產生最大形變量34 mm，其中包括22 mm的彈性變形和12 mm的塑性變形。結合頂蓋所受沖擊力變化曲線，得出沖擊過程對頂蓋造成了12 mm的永久下撓變形。頂蓋總高度600 mm，蒙皮上表面距離頂部骨架下表面53 mm，司機室頂部受沖擊產生的塑性變形微弱，司機室的設計滿足頂部耐沖擊性的要求。

3.2 空調百葉窗計算分析

為防止因空調百葉窗破損導致外物侵入司機室的情況，對空調百葉窗的靜強度進行計算，以衡量其耐砂石等外物沖擊的能力。

整個結構采用的材料是6063-T5鋁合金。材料的力學性能彈性模量為70 GPa，泊松比為0.33，密度為2 700 kg/m3，屈服強度為175 MPa。

在6個螺栓附近節點處施加X、Y、Z三向平動位移約束，在底架上表面節點處添加Z向平動位移約束，約束施加有限元示意圖如圖6所示。

圖6 約束施加有限元示意圖

在最外層除塵管節點上均布施加載荷，不斷增加載荷數值，以得到百葉窗所能承受的最大載荷值。當載荷達到17.7 kN時，百葉窗局部達到其屈服值175.15 MPa。應力分布云圖如圖7所示，此時最大應力發生在第1層除塵管與立板連接處。

圖7 應力分布云圖

當空調百葉窗的某個部位達到材料的屈服極限時，百葉窗可能發生破壞失效，因此，確定百葉窗所能承受的最大載荷為17.7 kN，即在機車運用過程中，砂石對于空調百葉窗的沖擊力小于17.7 kN時，百葉窗能有效防止其入侵司機室。

3.3 前窗玻璃計算分析

建立結構有限元模型，玻璃及窗框采用殼單元，該殼單元總數為7 520；實心鋁球塊單元，該單元總數為3 007。

選取1 kg的實心鋁球以287 km/h的速度沖擊司機室前窗玻璃進行計算，從鋁球接觸玻璃開始，數值模擬計算100步的結果。玻璃應力分布組圖如圖8所示，其中首張和末張分別為第1步和第100步的應力狀態，其余為過程中具有代表性狀態的應力分布圖。

圖8 玻璃應力分布圖

數值分析計算過程：從鋁球與玻璃接觸開始，經過0.000 01 s的時間，玻璃接觸點應力由0增至200 MPa,玻璃出現塑性變形，進而產生脆性破碎。經過0.000 06 s的時間，玻璃接觸點應力增至848 MPa,鋁球速度和沖擊動能逐漸減小，復合玻璃吸收沖擊動能而轉成變形能，玻璃接觸點的變形范圍逐漸擴大，吸收沖擊動能逐漸增多，破碎范圍也擴大。經過0.000 15 s的時間，玻璃接觸點的變形范圍已逐漸擴大到整個逃生窗，此時鋁球速度逐漸趨于0而落下，隨后玻璃彈性變形恢復為0，應力也為0。

上述結果表明，由于逃生窗采用復合玻璃，因此玻璃在受到沖擊時，復合結構吸收了大部分沖擊能量，玻璃會破碎而不會被擊穿。整個沖擊過程中，窗框及司機室鋼結構受力較小，均未超過材料的屈服強度，滿足司機室的耐沖擊設計要求。

4 結束語

以上介紹了某出口機車司機室結構，并對影響司機室耐沖擊性的頂蓋、空調百葉窗、前窗玻璃進行了有限元分析。計算結果表明，司機室頂蓋和前窗玻璃均能滿足機車的設計要求，空調百葉窗所能承受的最大載荷值為17.7 kN。該司機室的成功設計及相關分析方法對其他機車司機室的設計及分析具有一定借鑒意義。