徐繼鑫 趙宇雷 徐德山

(中車大連機(jī)車車輛有限公司技術(shù)開發(fā)部 遼寧 大連 116021)

司機(jī)室作為司乘人員操作的空間，其安全性設(shè)計(jì)至關(guān)重要。某出口機(jī)車為客、貨通用的干線內(nèi)燃機(jī)車，軌距為1 068 mm，最高運(yùn)行速度為100 km/h。在安全性能方面，須滿足AS 7520.1—2012標(biāo)準(zhǔn)要求，故須對(duì)司機(jī)室進(jìn)行耐沖擊性分析校核，主要模擬機(jī)車發(fā)生事故翻轉(zhuǎn)傾覆或遇到自然災(zāi)害山體滑坡等事件時(shí)對(duì)司機(jī)的防護(hù)[1]。機(jī)車采用外走廊式底架承載雙司機(jī)室結(jié)構(gòu)，具有2個(gè)完全相同的司機(jī)室，司機(jī)室采用鋼骨架蒙皮焊接結(jié)構(gòu)。由于空調(diào)設(shè)置在司機(jī)室內(nèi)部靠近副司機(jī)側(cè)，空調(diào)進(jìn)風(fēng)百葉窗須直接安裝于司機(jī)室前部。所以耐沖擊性主要考核司機(jī)室頂蓋、前窗和空調(diào)百葉窗。

1 司機(jī)室

1.1 司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)

司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)由前臉，前窗框，左、右側(cè)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(jié)構(gòu)，方管布置7根，厚度為16 mm。前窗框?yàn)楸“搴附咏Y(jié)構(gòu)，為加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在兩窗框中間設(shè)置梁結(jié)構(gòu)。側(cè)墻主要由槽鋼和矩形管焊接組成框架結(jié)構(gòu)，并在側(cè)窗下沿設(shè)置斜梁，使得司機(jī)室所受載荷能傳遞到底架。后墻由矩形管焊接成桁架結(jié)構(gòu)，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(guò)梁裝配形成整體，并連接前臉，左、右側(cè)墻和后墻，組成1個(gè)完整的箱型結(jié)構(gòu)。司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)材料為Q345。

1—前臉；2—前窗框；3—左、右側(cè)墻；4—后墻；5—頂蓋。圖1 司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)

1.2 空調(diào)進(jìn)風(fēng)百葉窗

受機(jī)車限界的限制，司機(jī)室的總高度只有2 200 mm。為保證司機(jī)室內(nèi)的凈空間，空調(diào)無(wú)法安裝在頂蓋上，只能位于在司機(jī)室的前端，進(jìn)風(fēng)口設(shè)置在前臉上。百葉窗通過(guò)6個(gè)螺栓安裝在進(jìn)風(fēng)口處，對(duì)空調(diào)的進(jìn)氣起到過(guò)濾作用，同時(shí)對(duì)異物入侵司機(jī)室有重要的防護(hù)作用。

百葉窗主體結(jié)構(gòu)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(guò)焊接與上下立板連接，三層除塵管組成的過(guò)濾系統(tǒng)有效防止沙塵、碎石等雜物通過(guò)空調(diào)進(jìn)風(fēng)口入侵司機(jī)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(gè)結(jié)構(gòu)采用的材料是6063-T5鋁合金。

1.3 前窗玻璃

司機(jī)室逃生窗玻璃采用三層玻璃加兩層膠片的特殊結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)參數(shù)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(nèi)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(jī)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(zhì)量為100 kg的實(shí)心混凝土塊，從距車頂3 m位置下落，不會(huì)將司機(jī)室頂蓋擊穿；

(2)為防止因空調(diào)百葉窗破損導(dǎo)致外物侵入司機(jī)室，對(duì)空調(diào)百葉窗的靜強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，以衡量其耐砂石等外物沖擊的能力；

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

3 計(jì)算分析

3.1 司機(jī)室頂蓋計(jì)算分析

司機(jī)室結(jié)構(gòu)均為薄壁結(jié)構(gòu)，因此采用殼單元建立有限元模型。整個(gè)有限元模型包含四節(jié)點(diǎn)殼單元58 336個(gè)，節(jié)點(diǎn)56 553個(gè)。

變電站監(jiān)盤作為集控中心的主營(yíng)業(yè)務(wù)之一，但是過(guò)分依賴設(shè)備使其有一定的局限性，特別是無(wú)人值班站，數(shù)據(jù)堵塞、裝置死機(jī)等現(xiàn)象屢見不鮮，但自動(dòng)化通信裝置卻無(wú)定檢計(jì)劃，只能依靠值班人員在日常巡視過(guò)程中，認(rèn)真、仔細(xì)的核對(duì)信號(hào)與光字，有時(shí)遇到缺乏經(jīng)驗(yàn)的值班員，這方面的工作就難以周全。這次進(jìn)埔站的接地變、站用變問(wèn)題就是個(gè)例子，假如不是巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)，真要等其發(fā)生故障跳閘，有開關(guān)開入量上送至集控后臺(tái)，值班員將無(wú)法第一時(shí)間掌握跳閘信息，延誤事故處理，特別是接地變的事故處理，在此建議各集控中心將后臺(tái)機(jī)信息與集控后臺(tái)信息核對(duì)增加進(jìn)日常巡視工作項(xiàng)目中，并能舉一反三，切實(shí)保障設(shè)備的安全運(yùn)行。

對(duì)司機(jī)室底部節(jié)點(diǎn)施加X、Y、Z三向位移約束。設(shè)定質(zhì)量為100 kg，尺寸為300 mm×300 mm×300 mm的實(shí)心混凝土方塊從3 m高度自由下落，對(duì)司機(jī)室頂蓋造成沖擊。分析模型建立如圖2所示。

司機(jī)室整個(gè)結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(shí)刻的應(yīng)力云圖變化如圖3所示，頂蓋被沖擊點(diǎn)的垂向位移變化曲線如圖4所示，沖擊過(guò)程中頂蓋受到?jīng)_擊力的變化曲線如圖5所示。

圖3 不同時(shí)刻頂蓋應(yīng)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(shí)刻的應(yīng)力分布圖可以看出，混凝土方塊對(duì)司機(jī)室頂蓋的沖擊并沒有產(chǎn)生穿透效應(yīng)。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(shí)產(chǎn)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(jié)合頂蓋所受沖擊力變化曲線，得出沖擊過(guò)程對(duì)頂蓋造成了12 mm的永久下?lián)献冃?。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(jī)室頂部受沖擊產(chǎn)生的塑性變形微弱，司機(jī)室的設(shè)計(jì)滿足頂部耐沖擊性的要求。

3.2 空調(diào)百葉窗計(jì)算分析

為防止因空調(diào)百葉窗破損導(dǎo)致外物侵入司機(jī)室的情況，對(duì)空調(diào)百葉窗的靜強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，以衡量其耐砂石等外物沖擊的能力。

整個(gè)結(jié)構(gòu)采用的材料是6063-T5鋁合金。材料的力學(xué)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(qiáng)度為175 MPa。

在6個(gè)螺栓附近節(jié)點(diǎn)處施加X、Y、Z三向平動(dòng)位移約束，在底架上表面節(jié)點(diǎn)處添加Z向平動(dòng)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(jié)點(diǎn)上均布施加載荷，不斷增加載荷數(shù)值，以得到百葉窗所能承受的最大載荷值。當(dāng)載荷達(dá)到17.7 kN時(shí)，百葉窗局部達(dá)到其屈服值175.15 MPa。應(yīng)力分布云圖如圖7所示，此時(shí)最大應(yīng)力發(fā)生在第1層除塵管與立板連接處。

圖7 應(yīng)力分布云圖

當(dāng)空調(diào)百葉窗的某個(gè)部位達(dá)到材料的屈服極限時(shí)，百葉窗可能發(fā)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(jī)車運(yùn)用過(guò)程中，砂石對(duì)于空調(diào)百葉窗的沖擊力小于17.7 kN時(shí)，百葉窗能有效防止其入侵司機(jī)室。

3.3 前窗玻璃計(jì)算分析

建立結(jié)構(gòu)有限元模型，玻璃及窗框采用殼單元，該殼單元總數(shù)為7 520；實(shí)心鋁球塊單元，該單元總數(shù)為3 007。

選取1 kg的實(shí)心鋁球以287 km/h的速度沖擊司機(jī)室前窗玻璃進(jìn)行計(jì)算，從鋁球接觸玻璃開始，數(shù)值模擬計(jì)算100步的結(jié)果。玻璃應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)，其余為過(guò)程中具有代表性狀態(tài)的應(yīng)力分布圖。

圖8 玻璃應(yīng)力分布圖

數(shù)值分析計(jì)算過(guò)程：從鋁球與玻璃接觸開始，經(jīng)過(guò)0.000 01 s的時(shí)間，玻璃接觸點(diǎn)應(yīng)力由0增至200 MPa,玻璃出現(xiàn)塑性變形，進(jìn)而產(chǎn)生脆性破碎。經(jīng)過(guò)0.000 06 s的時(shí)間，玻璃接觸點(diǎn)應(yīng)力增至848 MPa,鋁球速度和沖擊動(dòng)能逐漸減小，復(fù)合玻璃吸收沖擊動(dòng)能而轉(zhuǎn)成變形能，玻璃接觸點(diǎn)的變形范圍逐漸擴(kuò)大，吸收沖擊動(dòng)能逐漸增多，破碎范圍也擴(kuò)大。經(jīng)過(guò)0.000 15 s的時(shí)間，玻璃接觸點(diǎn)的變形范圍已逐漸擴(kuò)大到整個(gè)逃生窗，此時(shí)鋁球速度逐漸趨于0而落下，隨后玻璃彈性變形恢復(fù)為0，應(yīng)力也為0。

上述結(jié)果表明，由于逃生窗采用復(fù)合玻璃，因此玻璃在受到?jīng)_擊時(shí)，復(fù)合結(jié)構(gòu)吸收了大部分沖擊能量，玻璃會(huì)破碎而不會(huì)被擊穿。整個(gè)沖擊過(guò)程中，窗框及司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)受力較小，均未超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，滿足司機(jī)室的耐沖擊設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

以上介紹了某出口機(jī)車司機(jī)室結(jié)構(gòu)，并對(duì)影響司機(jī)室耐沖擊性的頂蓋、空調(diào)百葉窗、前窗玻璃進(jìn)行了有限元分析。計(jì)算結(jié)果表明，司機(jī)室頂蓋和前窗玻璃均能滿足機(jī)車的設(shè)計(jì)要求，空調(diào)百葉窗所能承受的最大載荷值為17.7 kN。該司機(jī)室的成功設(shè)計(jì)及相關(guān)分析方法對(duì)其他機(jī)車司機(jī)室的設(shè)計(jì)及分析具有一定借鑒意義。