一種機(jī)車的車棚設(shè)計(jì)

歐陽(yáng)崗

摘要：鐵路運(yùn)輸正在向高速、重載、客運(yùn)專線等方面實(shí)現(xiàn)大飛躍發(fā)展。隨著鐵路高速、重載技術(shù)的政策實(shí)施，線路的車輛密度、通過能力有了較大的提高，適用于維護(hù)保養(yǎng)的“天窗”時(shí)間變得更短。這就促使電氣化鐵路施工及維護(hù)的工程機(jī)械也向著高速、高性能方向轉(zhuǎn)變，而現(xiàn)有裝備的接觸網(wǎng)檢修作業(yè)車技術(shù)水平、行車速度已經(jīng)相對(duì)落后，其更新?lián)Q代勢(shì)在必行。因此，本文設(shè)計(jì)的這款新型接觸網(wǎng)檢修作業(yè)車具有潛在的市場(chǎng)和前景。

關(guān)鍵詞：接觸網(wǎng)檢修作業(yè)車;車棚;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1? 緒論

列車車體是一個(gè)復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)體，經(jīng)過多年的設(shè)計(jì)與研究后，已經(jīng)積攢了大量的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)例。車體主要是由梁類、柱類和板類零部件組成，在這些梁、柱和板類零部件幾何結(jié)構(gòu)屬性和建模過程都很相似。如果能提取此類相似零部件的公共幾何屬性，并賦予知識(shí)屬性，抽象成一個(gè)可以進(jìn)行重用設(shè)計(jì)的構(gòu)件模板，然后采用構(gòu)件模板對(duì)車體的零部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，減少相似零件的建模過程，從而縮短列車車體的設(shè)計(jì)周期。所以，面向構(gòu)件模板技術(shù)對(duì)列車車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也很要求。

2? 新型接觸網(wǎng)檢修作業(yè)車的車棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

接觸網(wǎng)檢測(cè)車是為保證電氣化鐵路接觸網(wǎng)的安全運(yùn)營(yíng)，用于檢測(cè)接觸網(wǎng)技術(shù)參數(shù)的專用車輛。該車具有特殊功能的檢測(cè)裝置及設(shè)備，能夠檢測(cè)接觸線的拉出值、導(dǎo)線高度、定位管坡度、線岔狀態(tài)、接觸網(wǎng)供電電壓、接觸網(wǎng)供電壓力、接觸懸掛硬點(diǎn)（沖擊）、離線、桿位（桿號(hào)）和速度（里程）等諸多項(xiàng)機(jī)械及電氣技術(shù)參數(shù)。接觸網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)，一般包括：信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)、信號(hào)隔離與傳遞系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。就整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)而論，可以分為檢測(cè)信號(hào)、補(bǔ)償信號(hào)和定位信號(hào)3種。檢測(cè)信號(hào)是從被檢測(cè)對(duì)象那里攝取的信號(hào)信息，這種信息的獲取方法是由被檢測(cè)對(duì)象的性質(zhì)決定的。高速鐵路接觸網(wǎng)需要檢測(cè)的主要項(xiàng)目：拉出值的檢測(cè)、接觸壓力的檢測(cè)、硬點(diǎn)的檢測(cè)、離線的檢測(cè)速度、里程的檢測(cè)、定位管坡度定量測(cè)試。

2.1 車棚構(gòu)造

接觸網(wǎng)綜合檢修作業(yè)車車體采用全鋼焊接結(jié)構(gòu)，車體得具備足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。車體鋼結(jié)構(gòu)骨架采用薄鋼板壓制成各種斷面的空心桿件，雙昌型骨架梁或采用矩形鋼管焊接而成，這種結(jié)構(gòu)保證了車體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)減少了車體的質(zhì)量。蒙板包括內(nèi)蒙板、外蒙板和車頂內(nèi)蒙板。內(nèi)蒙板的材料是玻璃鋼，鋪設(shè)在骨架的內(nèi)面上。外蒙板的材料是厚度為2.5mm的薄鋼板，包覆在鋼結(jié)構(gòu)骨架的外面。內(nèi)外蒙板之間填入毛氈、礦渣棉或泡沫塑料等絕緣絕熱材料，用來隔熱和保溫。接觸網(wǎng)綜合檢修作業(yè)車車頂整體安裝玻璃鋼結(jié)構(gòu)，具有良好的防腐防漏性能。

接觸網(wǎng)綜合檢修作業(yè)車的頂棚上分別設(shè)有柴油機(jī)和換向分動(dòng)箱天窗。使用天窗時(shí)，需拆下頂棚內(nèi)裝飾板，使用完后原樣恢復(fù)。車體前端雨刮器電機(jī)處均開設(shè)有檢修門，檢修完畢應(yīng)原樣恢復(fù)。車棚外部的車輛端裝有照明燈、防護(hù)燈和喇叭，保證軌道車在夜間以及在隧道內(nèi)的行車安全。

接觸網(wǎng)綜合檢修作業(yè)車車廂前端設(shè)有主司機(jī)室，后端設(shè)有副司機(jī)室。司機(jī)室的車窗為推拉式雙層結(jié)構(gòu)，并配有紗窗，車內(nèi)還配有航空椅、睡鋪、工具柜等生活設(shè)施。接觸網(wǎng)綜合檢修作業(yè)車的前端設(shè)有嘹望窗，裝有擋風(fēng)玻璃和刮雨器，得司機(jī)視野開闊，嘹望方便。前端雨刮器電機(jī)處均開設(shè)有檢修門，檢修完畢應(yīng)原樣恢復(fù)。

車棚的設(shè)計(jì)應(yīng)符合機(jī)車安全規(guī)則要求。雖然車棚承受的垂直載荷不大，但由車鉤傳來的壓縮力和牽引力的反作用力都要由車棚向后傳遞，車棚入口門和側(cè)窗部位是車體上傳遞縱向載荷的重要部位，為此要求車棚骨架鋼結(jié)構(gòu)具有較好的強(qiáng)度，使載荷能合理的傳遞。

司機(jī)室內(nèi)設(shè)有操縱臺(tái)，司機(jī)通過操縱臺(tái)的手柄或按鈕發(fā)出控制命令，進(jìn)而控制接觸網(wǎng)綜合檢修作業(yè)車的運(yùn)行狀況。另外設(shè)有變速桿、手動(dòng)油門、空氣制動(dòng)機(jī)等手柄，同時(shí)設(shè)有離合器踏板、撒砂踏板、喇叭電源、電源開關(guān)等。

座椅前方的操縱臺(tái)臺(tái)面上安裝有各種儀表和指示燈，主要有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表、雙針壓力表、水溫表、機(jī)油壓力表、電流表、燃油指示表、里程表等，用以顯示接觸網(wǎng)綜合檢修作業(yè)車運(yùn)行過程中各部件的相關(guān)數(shù)據(jù)。例如，機(jī)油壓力表可以實(shí)時(shí)顯示機(jī)油的壓力，司機(jī)能夠通過機(jī)油的壓力判斷柴油機(jī)的潤(rùn)滑情況。

操縱臺(tái)上的換向手柄和擋位手柄用以控制機(jī)車的運(yùn)行工況和運(yùn)行速度。換向手柄的上方有司機(jī)鑰匙孔，只有當(dāng)司機(jī)鑰匙插入時(shí)，方能起動(dòng)接觸網(wǎng)綜合檢修作業(yè)車。

此外，接觸網(wǎng)綜合檢修作業(yè)車上還安裝有“三項(xiàng)安全設(shè)備”。即列車無(wú)線調(diào)度通信設(shè)備，用于司機(jī)與車站值班員、列車調(diào)度員、道口及防洪地點(diǎn)看守人員等進(jìn)行“車機(jī)聯(lián)控”聯(lián)絡(luò)時(shí)使用;機(jī)車信號(hào)，用于復(fù)示線路上列車接近的地面信號(hào)機(jī)的信號(hào)，一方面縮短司機(jī)的嘹望距離，其次向列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置提供信息采源;列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置，用于防止接觸網(wǎng)綜合檢修作業(yè)車運(yùn)行中“兩冒一超”和失控溜逸，自動(dòng)記錄行車相關(guān)信息，保證接觸網(wǎng)綜合檢修作業(yè)車的行車安全，避免因作業(yè)車自身的原因影響線路運(yùn)輸秩序。

發(fā)動(dòng)機(jī)上裝有玻璃鋼制作的機(jī)罩，用以增加密封性能，降低發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲。

接觸網(wǎng)綜合檢修作業(yè)車車體的防火要求很嚴(yán)格，要求在車體結(jié)構(gòu)和選材上采用防火設(shè)計(jì)和阻燃處理。

接觸網(wǎng)綜合檢修作業(yè)車車體設(shè)計(jì)采用了：輕量化框架式底架承載全鋼箱形殼體結(jié)構(gòu)，是由型材、鋼板和鋼板壓型件組焊而成。底架位于車體下部，是車體的基礎(chǔ)，也是主要的承載構(gòu)架。車體兩側(cè)是側(cè)墻結(jié)構(gòu)，頂部為安裝頂蓋的鋼結(jié)構(gòu)骨架，車體前端是司機(jī)室，后端是后墻，它們都焊接在底架上。車體組裝時(shí)，應(yīng)用車頂連接橫梁將兩邊側(cè)墻連接成廂型殼體。車棚總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 車棚有限元分析

2.2.1 加載處理

在作業(yè)車車體計(jì)算中載荷分布可按照設(shè)備的安裝位置和其重量進(jìn)行處理。重量較大設(shè)備參考其重量對(duì)所在位置進(jìn)行載荷的分配。具體載荷的處理如下：①對(duì)于車身自重，在ANSYS前處理中輸入車體材料的密度和重力加速度，程序便根據(jù)所輸入的單元截面形狀、實(shí)常數(shù)自動(dòng)將單元載荷因子的信息計(jì)入總載荷，進(jìn)行計(jì)算;②安裝在車棚骨架上部的設(shè)備，如空調(diào)設(shè)備。按照設(shè)備安裝點(diǎn)的實(shí)際位置，將載荷作用在相應(yīng)的接觸面上;③作業(yè)車在工作時(shí)，會(huì)受到外界給它的風(fēng)力，可分為兩種工況。

2.2.2 邊界約束條件

有限元分析采用的約束就是對(duì)結(jié)構(gòu)位移的限制，約束條件也就是對(duì)結(jié)構(gòu)限制的邊界條件和支承條件。采用有限元法計(jì)算時(shí)，需要根據(jù)作業(yè)車實(shí)際的工況和支承條件等確定約束條件，施加于有限元模型的某些節(jié)點(diǎn)、部位上。對(duì)車棚骨架模型施加的約束為：車棚與底架焊接連接的部位，全部固定。加載計(jì)算工況：

本論文對(duì)車棚骨架的強(qiáng)度分析分為兩種工況：

工況1-車棚受到側(cè)向風(fēng)力和車頂空調(diào)設(shè)備重力所施加的壓力。假設(shè)車棚受到八級(jí)大風(fēng)（風(fēng)速17.2-20.7（m/s）），根據(jù)風(fēng)力計(jì)算公式：

P=v2/1600? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

得：骨架側(cè)墻所受到的壓強(qiáng)為1677N/m2。

車頂空調(diào)設(shè)備總重為250kg，經(jīng)計(jì)算得空調(diào)與車頂接觸面的壓強(qiáng)為9387N/m2。

工況2-車棚受到縱向風(fēng)力和車頂空調(diào)設(shè)備重力所施加的壓力。假設(shè)機(jī)車運(yùn)行速度為90km/h，受到八級(jí)大風(fēng)。由風(fēng)力計(jì)算公式（1）得車棚前臉?biāo)艿降膲簭?qiáng)為3071N/m2。空調(diào)設(shè)備所施加的壓強(qiáng)不變，為9387N/m2。

2.2.3 分析結(jié)果

第一工況（側(cè)墻與車頂加載荷）分析結(jié)果，變形云圖如圖2所示。

本車棚骨架采用Q235A材料，σs=235MPa，[σ]=94MPa，最大伸長(zhǎng)率為21%，而分析結(jié)果最大應(yīng)力為60.8MPa，最大變形為0.31%m/m，表明該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在這兩種工況下是安全的。

通過以上對(duì)機(jī)車車棚的強(qiáng)度計(jì)算分析可以得出以下結(jié)論：①機(jī)車車棚有著本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。使用殼單元模擬車棚骨架結(jié)構(gòu)，質(zhì)量單元模擬車載設(shè)備的有限元處理方法是車棚強(qiáng)度分析的有效手段。②該機(jī)車車棚的強(qiáng)度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

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