一种机车的车棚设计

欧阳岗

摘要：铁路运输正在向高速、重载、客运专线等方面实现大飞跃发展。随着铁路高速、重载技术的政策实施，线路的车辆密度、通过能力有了较大的提高，适用于维护保养的“天窗”时间变得更短。这就促使电气化铁路施工及维护的工程机械也向著高速、高性能方向转变，而现有装备的接触网检修作业车技术水平、行车速度已经相对落后，其更新换代势在必行。因此，本文设计的这款新型接触网检修作业车具有潜在的市场和前景。

关键词：接触网检修作业车;车棚;结构设计

1  绪论

列车车体是一个复杂的钢结构体，经过多年的设计与研究后，已经积攒了大量的设计经验和设计实例。车体主要是由梁类、柱类和板类零部件组成，在这些梁、柱和板类零部件几何结构属性和建模过程都很相似。如果能提取此类相似零部件的公共几何属性，并赋予知识属性，抽象成一个可以进行重用设计的构件模板，然后采用构件模板对车体的零部件进行详细设计，减少相似零件的建模过程，从而缩短列车车体的设计周期。所以，面向构件模板技术对列车车体结构设计也很要求。

2  新型接触网检修作业车的车棚结构设计

接触网检测车是为保证电气化铁路接触网的安全运营，用于检测接触网技术参数的专用车辆。该车具有特殊功能的检测装置及设备，能够检测接触线的拉出值、导线高度、定位管坡度、线岔状态、接触网供电电压、接触网供电压力、接触悬挂硬点（冲击）、离线、杆位（杆号）和速度（里程）等诸多项机械及电气技术参数。接触网检测系统，一般包括：信号检测系统、信号隔离与传递系统、数据采集系统。就整个系统的信号而论，可以分为检测信号、补偿信号和定位信号3种。检测信号是从被检测对象那里摄取的信号信息，这种信息的获取方法是由被检测对象的性质决定的。高速铁路接触网需要检测的主要项目：拉出值的检测、接触压力的检测、硬点的检测、离线的检测速度、里程的检测、定位管坡度定量测试。

2.1 车棚构造

接触网综合检修作业车车体采用全钢焊接结构，车体得具备足够的结构强度。车体钢结构骨架采用薄钢板压制成各种断面的空心杆件，双昌型骨架梁或采用矩形钢管焊接而成，这种结构保证了车体的结构强度，同时减少了车体的质量。蒙板包括内蒙板、外蒙板和车顶内蒙板。内蒙板的材料是玻璃钢，铺设在骨架的内面上。外蒙板的材料是厚度为2.5mm的薄钢板，包覆在钢结构骨架的外面。内外蒙板之间填入毛毡、矿渣棉或泡沫塑料等绝缘绝热材料，用来隔热和保温。接触网综合检修作业车车顶整体安装玻璃钢结构，具有良好的防腐防漏性能。

接触网综合检修作业车的顶棚上分别设有柴油机和换向分动箱天窗。使用天窗时，需拆下顶棚内装饰板，使用完后原样恢复。车体前端雨刮器电机处均开设有检修门，检修完毕应原样恢复。车棚外部的车辆端装有照明灯、防护灯和喇叭，保证轨道车在夜间以及在隧道内的行车安全。

接触网综合检修作业车车厢前端设有主司机室，后端设有副司机室。司机室的车窗为推拉式双层结构，并配有纱窗，车内还配有航空椅、睡铺、工具柜等生活设施。接触网综合检修作业车的前端设有嘹望窗，装有挡风玻璃和刮雨器，得司机视野开阔，嘹望方便。前端雨刮器电机处均开设有检修门，检修完毕应原样恢复。

车棚的设计应符合机车安全规则要求。虽然车棚承受的垂直载荷不大，但由车钩传来的压缩力和牵引力的反作用力都要由车棚向后传递，车棚入口门和侧窗部位是车体上传递纵向载荷的重要部位，为此要求车棚骨架钢结构具有较好的强度，使载荷能合理的传递。

司机室内设有操纵台，司机通过操纵台的手柄或按钮发出控制命令，进而控制接触网综合检修作业车的运行状况。另外设有变速杆、手动油门、空气制动机等手柄，同时设有离合器踏板、撒砂踏板、喇叭电源、电源开关等。

座椅前方的操纵台台面上安装有各种仪表和指示灯，主要有发动机转速表、双针压力表、水温表、机油压力表、电流表、燃油指示表、里程表等，用以显示接触网综合检修作业车运行过程中各部件的相关数据。例如，机油压力表可以实时显示机油的压力，司机能够通过机油的压力判断柴油机的润滑情况。

操纵台上的换向手柄和挡位手柄用以控制机车的运行工况和运行速度。换向手柄的上方有司机钥匙孔，只有当司机钥匙插入时，方能起动接触网综合检修作业车。

此外，接触网综合检修作业车上还安装有“三项安全设备”。即列车无线调度通信设备，用于司机与车站值班员、列车调度员、道口及防洪地点看守人员等进行“车机联控”联络时使用;机车信号，用于复示线路上列车接近的地面信号机的信号，一方面缩短司机的嘹望距离，其次向列车运行监控记录装置提供信息采源;列车运行监控记录装置，用于防止接触网综合检修作业车运行中“两冒一超”和失控溜逸，自动记录行车相关信息，保证接触网综合检修作业车的行车安全，避免因作业车自身的原因影响线路运输秩序。

发动机上装有玻璃钢制作的机罩，用以增加密封性能，降低发动机运转时的噪声。

接触网综合检修作业车车体的防火要求很严格，要求在车体结构和选材上采用防火设计和阻燃处理。

接触网综合检修作业车车体设计采用了：轻量化框架式底架承载全钢箱形壳体结构，是由型材、钢板和钢板压型件组焊而成。底架位于车体下部，是车体的基础，也是主要的承载构架。车体两侧是侧墙结构，顶部为安装顶盖的钢结构骨架，车体前端是司机室，后端是后墙，它们都焊接在底架上。车体组装时，应用车顶连接横梁将两边侧墙连接成厢型壳体。车棚总体结构如图1所示。

2.2 车棚有限元分析

2.2.1 加载处理

在作业车车体计算中载荷分布可按照设备的安装位置和其重量进行处理。重量较大设备参考其重量对所在位置进行载荷的分配。具体载荷的处理如下：①对于车身自重，在ANSYS前处理中输入车体材料的密度和重力加速度，程序便根据所输入的单元截面形状、实常数自动将单元载荷因子的信息计入总载荷，进行计算;②安装在车棚骨架上部的设备，如空调设备。按照设备安装点的实际位置，将载荷作用在相应的接触面上;③作业车在工作时，会受到外界给它的风力，可分为两种工况。

2.2.2 边界约束条件

有限元分析采用的约束就是对结构位移的限制，约束条件也就是对结构限制的边界条件和支承条件。采用有限元法计算时，需要根据作业车实际的工况和支承条件等确定约束条件，施加于有限元模型的某些节点、部位上。对车棚骨架模型施加的约束为：车棚与底架焊接连接的部位，全部固定。加载计算工况：

本论文对车棚骨架的强度分析分为两种工况：

工况1-车棚受到侧向风力和车顶空调设备重力所施加的压力。假设车棚受到八级大风（风速17.2-20.7（m/s）），根据风力计算公式：

P=v2/1600                              （1）

得：骨架侧墙所受到的压强为1677N/m2。

车顶空调设备总重为250kg，经计算得空调与车顶接触面的压强为9387N/m2。

工況2-车棚受到纵向风力和车顶空调设备重力所施加的压力。假设机车运行速度为90km/h，受到八级大风。由风力计算公式（1）得车棚前脸所受到的压强为3071N/m2。空调设备所施加的压强不变，为9387N/m2。

2.2.3 分析结果

第一工况（侧墙与车顶加载荷）分析结果，变形云图如图2所示。

本车棚骨架采用Q235A材料，σs=235MPa，[σ]=94MPa，最大伸长率为21%，而分析结果最大应力为60.8MPa，最大变形为0.31%m/m，表明该结构强度在这两种工况下是安全的。

通过以上对机车车棚的强度计算分析可以得出以下结论：①机车车棚有着本身的结构特点。使用壳单元模拟车棚骨架结构，质量单元模拟车载设备的有限元处理方法是车棚强度分析的有效手段。②该机车车棚的强度满足相关标准的要求。

参考文献：

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[2]电气化铁道接触网综合检修作业车技术条件.中华人民共和国铁道行业标准TB/T 2180-2006.

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[5]朱喜锋.机车总体结构及设计[M].成都：西南交通大学出版社，2010.