蘇志來，黃 靜，湯 宇，彭學(xué)軍，凌 濤

（1.中鐵五局集團(tuán)第一工程有限責(zé)任公司，長沙 410117；2.長沙理工大學(xué) 汽車與機(jī)械工程學(xué)院，長沙 410114）

隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，人們對(duì)于鐵路道路的需求和要求不斷提升。目前，我國已成為世界上高速鐵路運(yùn)營隧道規(guī)模最大的國家。在運(yùn)營鐵路隧道建設(shè)及施工過程中，隧道內(nèi)部施工裝備及物料等需要運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，而運(yùn)營鐵路隧道的“天窗”時(shí)間有限，因此對(duì)運(yùn)營隧道用運(yùn)輸車的要求越來越高。由于運(yùn)營隧道內(nèi)施工區(qū)域相對(duì)狹小，傳統(tǒng)運(yùn)輸車只能單向行駛，在運(yùn)營隧道內(nèi)開展運(yùn)輸作業(yè)時(shí)，車輛無法掉頭或需要很大的場地才能掉頭，以及運(yùn)輸車在行駛過程中倒車距離長、倒車視線不好等問題，導(dǎo)致運(yùn)輸車的可操作性差、安全性低和運(yùn)輸效率低。因此，本文設(shè)計(jì)了一種運(yùn)營隧道用雙向駕駛運(yùn)輸車，可在運(yùn)營隧道狹窄的空間中實(shí)現(xiàn)雙向駕駛。而車身作為運(yùn)輸車的重要組成部分，不僅要有足夠的空間，更重要的是要有足夠的強(qiáng)度、剛度和動(dòng)力學(xué)性能[1]。而使用有限元方法可以觀察車身在使用工況下的變形，得到車身的強(qiáng)度、剛度等性能，可以在試制樣車之前，模擬車身的性能和工作狀況，避免傳統(tǒng)上的設(shè)計(jì)—試制—測試—改進(jìn)設(shè)計(jì)—再試制的重復(fù)過程，縮短運(yùn)輸車的開發(fā)周期，減少了人力、物力和財(cái)力的消耗[2]。

1 運(yùn)營隧道用雙向駕駛運(yùn)輸車介紹

1.1 整體結(jié)構(gòu)

運(yùn)營隧道用雙向駕駛運(yùn)輸車由車身、驅(qū)動(dòng)裝置、行走裝置、駕駛裝置和轉(zhuǎn)向裝置等組成。主要用于運(yùn)營隧道內(nèi)施工設(shè)備和物料等的運(yùn)輸作業(yè)。通過運(yùn)輸車方向盤外軸上焊接的弧形連接件分別與轉(zhuǎn)向支架兩側(cè)的連接板相連，改變方向盤的傾斜方向，同時(shí)運(yùn)輸車采用2套制動(dòng)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)雙向駕駛。其工作過程主要是運(yùn)輸車行駛至運(yùn)營隧道內(nèi)指定位置，完成所需施工設(shè)備或物料的裝卸工作，再改變方向盤傾斜方向并將其與另一方向的連接板連接，實(shí)現(xiàn)雙向駕駛，將運(yùn)輸車駛出運(yùn)營隧道，完成施工設(shè)備及物料的運(yùn)輸作業(yè)。本文介紹的運(yùn)營隧道用雙向駕駛運(yùn)輸車如圖1 所示。

圖1 雙向駕駛運(yùn)輸車結(jié)構(gòu)示意圖

本文設(shè)計(jì)的運(yùn)營隧道用雙向駕駛運(yùn)輸車解決了因運(yùn)營隧道內(nèi)空間狹窄造成的運(yùn)輸車掉頭困難，以及倒車距離長、倒車視線不好而造成的撞車問題，且該設(shè)備承重性能好，能滿足運(yùn)營隧道施工作業(yè)的承載要求，同時(shí)將汽車輪更換為火車軌道輪可以實(shí)現(xiàn)在火車軌道上行走，實(shí)現(xiàn)鐵軌與路面兩用，節(jié)約了運(yùn)營隧道內(nèi)的施工成本。

1.2 車身結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的運(yùn)營隧道用雙向駕駛運(yùn)輸車車身包括車架、花紋板、車身擋板和車架側(cè)面連接的轉(zhuǎn)向支架。車身作為運(yùn)輸車的重要組成部分，必須要有足夠的強(qiáng)度以保證其疲勞壽命，以及要有足夠的剛度滿足其裝配和使用要求[3]。其中，擋板與車架通過彈簧搭扣和銷軸連接，轉(zhuǎn)向支架通過螺紋連接與車身連接，車架下方焊接有座椅連接管，座椅通過螺紋連接與座椅連接管相連接。擋板的數(shù)量為4 塊，前后2 塊擋板的尺寸為2 020 mm×540 mm，左右2 塊擋板的尺寸為3 580 mm×540 mm，座椅的尺寸為400 mm×370 mm，車身的結(jié)構(gòu)形式如圖2 所示。

圖2 車身結(jié)構(gòu)

車架的外形尺寸為3 620 mm×2 020 mm×460 mm，車架材料使用不銹鋼材料，由不銹鋼鋼管焊接而成。車架上方覆蓋有花紋板，材料為不銹鋼。車架下方焊接有電池艙，用于存放電池，電池艙的尺寸為822 mm×330 mm×320 mm，電池艙上方蓋板與車架上花紋板采用活頁連接，電池艙上方蓋板可打開，方便電池的存取。車架下方焊接有限位塊，用于與前橋和后橋的連接。車架的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 車架結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)向支架的外形尺寸為470 mm×440 mm×540 mm，轉(zhuǎn)向支架的材料為不銹鋼，轉(zhuǎn)向支架左右2 側(cè)分別焊接有連接板，用于固定方向盤，且轉(zhuǎn)向支架底部有定位孔，保證轉(zhuǎn)向裝置的定位。轉(zhuǎn)向支架的結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)向支架結(jié)構(gòu)

2 載荷與工況分析

本文設(shè)計(jì)的運(yùn)營隧道用雙向駕駛運(yùn)輸車主要用于運(yùn)營隧道內(nèi)的運(yùn)輸作業(yè)，主要用于運(yùn)營隧道內(nèi)路面行駛，也可更換火車軌道輪用于鐵軌行駛。

2.1 載荷分析

運(yùn)輸車在靜止時(shí)，主要承受靜載荷作用，車身所承受的靜載荷主要包括運(yùn)輸車車身自重、運(yùn)輸車所運(yùn)輸?shù)氖┕ぴO(shè)備和物料的質(zhì)量及工作人員的質(zhì)量等[3]。對(duì)于運(yùn)輸車車身的自重，在SolidWorks 中Simulation 模塊中定義車身的材料即可，一般運(yùn)輸車運(yùn)輸?shù)氖┕ぴO(shè)備及物料的總質(zhì)量一次不超過1.5 t（假設(shè)1 名工作人員的質(zhì)量為80 kg）。

運(yùn)輸車在勻速行駛過程中，會(huì)產(chǎn)生豎直方向的垂向載荷，大小主要取決于作用在車身上的靜載荷及靜載荷的作用位置。運(yùn)輸車在行駛過程中受到垂向載荷作用，車身會(huì)產(chǎn)生彎曲變形[4]。運(yùn)輸車在使用過程中，最常見的是彎曲工況。

2.2 車身彎曲工況

彎曲工況計(jì)算主要是對(duì)運(yùn)輸車滿載狀態(tài)下勻速行駛或靜止?fàn)顟B(tài)四輪著地時(shí)的結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核[3]。運(yùn)輸車在運(yùn)營隧道內(nèi)勻速行駛是運(yùn)輸車完成運(yùn)輸作業(yè)的常用工況。運(yùn)輸車在運(yùn)營隧道內(nèi)行駛的速度不高，以車身所受靜載荷作為車身的載荷來模擬運(yùn)輸車在運(yùn)營隧道內(nèi)勻速行駛時(shí)應(yīng)力分布和變形情況。此時(shí)，運(yùn)輸車車架所承受的載荷主要來自所運(yùn)輸施工設(shè)備及物料的重力，載荷方向向下，會(huì)使車架產(chǎn)生彎曲變形。車身彎曲是車身基本的變形，且在任何工況下都會(huì)存在，因此要保證車身有足夠的強(qiáng)度，需要對(duì)此工況進(jìn)行分析[5]。而當(dāng)施工設(shè)備和物料集中堆放在車身中間時(shí)，載荷集中分布在車架的中間橫梁上，該種工況下為運(yùn)輸車的危險(xiǎn)工況。本文在運(yùn)輸車靜止或勻速行駛的過程中，施工設(shè)備和物料集中堆放在車身中間的這種危險(xiǎn)工況下進(jìn)行有限元分析。

3 車身有限元分析

本文采用SolidWorks 軟件建立運(yùn)營隧道用雙向駕駛運(yùn)輸車的三維模型，如圖1 所示。在初步完成運(yùn)輸車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，需要對(duì)其重要部件進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證其是否滿足強(qiáng)度、剛度要求及整車結(jié)構(gòu)性能要求。由于運(yùn)輸車在完成運(yùn)輸作業(yè)過程中，承受載荷的主要結(jié)構(gòu)為車身，而車身主要承載部件為車架和座椅，因此本文對(duì)運(yùn)輸車車身的車架結(jié)構(gòu)和座椅進(jìn)行有限元分析。

3.1 車架有限元分析

車架在彎曲工況下，約束運(yùn)輸車的4 個(gè)輪胎即固定車架下方與前橋后橋連接處。車架的主要材料是不銹鋼，輸入材料后按要求固定車架，施加載荷，載荷按運(yùn)輸車滿載時(shí)計(jì)算，即車架受到向下的力為15 000 N。由上文可知，在危險(xiǎn)工況下，載荷集中在車架的中間橫梁上。固定好零件和施加載荷后對(duì)零件進(jìn)行網(wǎng)格化，車架的有限元模型如圖5 所示。

圖5 車架有限元模型

完成車架網(wǎng)格化后，進(jìn)行算例分析，車架的應(yīng)力云圖如圖6 所示。由應(yīng)力云圖可知，在運(yùn)輸車承受最大載荷時(shí)，受到的最大應(yīng)力位于車架中間橫梁與2 側(cè)橫梁的連接處，大小為169.8 MPa，小于不銹鋼的屈服強(qiáng)度292 MPa，且車架的大部分區(qū)域?yàn)樗{(lán)色，表明車架大部分區(qū)域所受應(yīng)力較小，因此滿足車身強(qiáng)度條件。

圖6 車架應(yīng)力云圖

車架的位移云圖如圖7 所示。由位移云圖可知，車架結(jié)構(gòu)的最大變形為6.389 mm，最大變形發(fā)生在車架中心位置，車架總體變形較小，滿足車身剛度條件。

圖7 車架位移云圖

3.2 座椅有限元分析

運(yùn)營隧道用雙向駕駛運(yùn)輸車在進(jìn)行運(yùn)營隧道內(nèi)施工設(shè)備和物料的運(yùn)輸作業(yè)時(shí)，需要有工作人員進(jìn)行操作，由于座椅和車架之間是通過車架下方焊接的座椅連接管進(jìn)行連接，這種連接方式較為簡單方便，但也需要考慮座椅連接管的強(qiáng)度。因此，需要對(duì)座椅和座椅連接管整體部分進(jìn)行有限元分析。

座椅連接管的材料為不銹鋼，且座椅連接管焊接在車架下方，輸入材料后按要求固定好座椅連接管，施加載荷，1 名工作人員的體重按80 kg 計(jì)算，即座椅受到向下的力為800 N。固定好零件和施加載荷后對(duì)零件進(jìn)行網(wǎng)格化，座椅的有限元模型如圖8 所示。

圖8 座椅有限元模型

完成座椅網(wǎng)格化后，進(jìn)行算例分析，座椅的應(yīng)力云圖如圖9 所示。由應(yīng)力云圖可知，在運(yùn)輸車進(jìn)行運(yùn)輸作業(yè)時(shí)，座椅承受的主要載荷來自工作人員的重量，受到的最大應(yīng)力位于座椅與座椅連接管的連接處，大小為20.39 MPa，遠(yuǎn)小于不銹鋼的屈服強(qiáng)度292 MPa，且座椅與座椅連接管整體的大部分區(qū)域?yàn)樗{(lán)色，表明座椅與座椅連接管整體大部分區(qū)域所受應(yīng)力較小，因此滿足車身剛度條件。

圖9 座椅應(yīng)力云圖

座椅的位移云圖如圖10 所示。由位移云圖可知，座椅與座椅連接管整體結(jié)構(gòu)的最大變形為0.083 9 mm，最大變形發(fā)生在座椅遠(yuǎn)離車架的一側(cè)，座椅總體變形非常小，滿足車身剛度要求。

4 結(jié)束語

運(yùn)營隧道內(nèi)施工區(qū)域相對(duì)狹小，傳統(tǒng)的運(yùn)輸車輛只能單向行駛，在狹窄的隧道內(nèi)進(jìn)行運(yùn)輸作業(yè)時(shí)，運(yùn)輸車輛無法掉頭或需要很大的場地才能掉頭，以及運(yùn)輸車行駛過程中倒車距離長、倒車視線不好等問題，導(dǎo)致運(yùn)輸車的可操作性差、安全性低和運(yùn)輸效率低。針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種運(yùn)營隧道用雙向駕駛運(yùn)輸車，可在運(yùn)營隧道狹窄的空間中實(shí)現(xiàn)雙向駕駛，提高了施工效率，并對(duì)運(yùn)輸車整體結(jié)構(gòu)及重要車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)介紹。對(duì)運(yùn)輸車在進(jìn)行運(yùn)輸作業(yè)時(shí)受到的載荷及所處工況進(jìn)行分析，得到了運(yùn)輸車在進(jìn)行運(yùn)輸作業(yè)時(shí)的危險(xiǎn)工況，并在危險(xiǎn)工況下對(duì)運(yùn)輸車車身主要承載部件車架及座椅進(jìn)行有限元分析，校核了車架及座椅的強(qiáng)度、剛度和安全性能。有限元分析結(jié)果表明，車架及座椅的各方面性能都符合要求。