內燃機車司機室關鍵設計因素探討

王海龍 許 齊 邢瑩瑩 屈 洪

(中車戚墅堰機車有限公司 江蘇 常州 213011)

0 概述

中車戚墅堰機車有限公司自主研發的4 400馬力交流傳動干線貨運機車的司機室具有防撞結構，且司機室采用隔離式彈性安裝，各種設備均密封良好。因此，司機室設計過程中，除了要滿足結構強度和剛度的同時，對密封性、舒適性要求也越來越高，不僅要體現人性化的特點，在布局、結構上也要符合現代美學、人機工程學觀點。鑒于此，將全面考慮結構安全、人的因素、駕駛環境，以提高司機室的設計水平。

1 司機室模塊

司機室模塊分為司機室鋼結構、司機室設備以及內部裝飾三部分，具體如圖1所示。

圖1 司機室總體結構

1.1 司機室鋼結構

司機室鋼結構分為前墻、左右側壁、后墻、頂蓋、底架五部分，由橫向、縱向、垂向三個方向的槽型梁組成封閉結構，結構梁布置合理，使司機室具有足夠的強度和剛度，可承受一定的載荷沖擊。

1.2 設備及內部裝飾

司機室設備的布置及內部裝飾與司機的視覺、感覺直接相關，在設計的過程中遵循著以人為本的設計理念，來提高內裝設計的美觀性和舒適性。

內部裝飾的造型以簡潔為主，采用長直線條、小圓角，來分割各功能區域，視覺大氣穩重，并將組裝的合理性和設備檢修的便捷性納入設計。

同時，根據司機作業時視覺凝視時間分布規律，司機眼睛主要集中在前窗區域，眼睛的余光也會覆蓋到前窗周邊區域，因此，這些區域的內裝板不宜選擇雜亂線條的造型，否則勢必影響司機視線、造成注意力不集中而影響工作。

1.3 模塊化組裝

司機室采用模塊化組裝，以司機室鋼結構為載體，先將管路、線纜布置好，再將操縱臺、內部裝飾、地板等設備安裝在車體鋼結構上，從而完成司機室模塊的總組裝。待司機室模塊組裝完成后，整體起吊，通過彈性元件安裝座與車架連接。

模塊化司機室的優勢在于：

(1)司機室鋼結構作為一個獨立單元，與其他模塊并行生產，有效降低制造周期；

(2)便于組裝作業；

(3)便于后期的拆檢，提高可維修性，降低維護成本。

1.4 彈性連接

司機室模塊通過彈性元件安裝座與車架連接，兩者之間通過橡膠堆隔離。一方面，通過對橡膠堆的阻尼以及剛度的合理選型，在一定頻率范圍內可以有效隔離柴油機-發電機組產生的主頻振動。另一方面，彈性元件安裝座的數量以及連接結構充分考慮了工藝的可達性和便利性。

安全是司機室設計時優先考慮的因素，因此應從多方面確保司機室彈性連接的安全：(1)彈性安裝座的數量以及緊固件的合理選型；(2)司機室后墻上的安全止擋；(3)車體上為司機室提供的一圈外層防撞結構。

2 司機室防撞

為了防止外來的破壞力侵占司機的生存空間，司機室的防撞要求需滿足TJ/JW 102—2017標準，即司機室的前端、兩側角柱以及側壁側窗下部區域需要滿足相應的載荷。

為確保司機室的模塊化組裝，通過在司機室前墻、兩側角柱的外部區域設置防撞墻，并將車體側壁延伸至防撞墻，提前與車架、側壁焊接，為司機室下部區域提供一圈安全可靠的防護結構(見圖2)。

圖2 司機室防撞結構

通過ANSYS仿真計算，各工況的最大應力滿足TJ/JW 102—2017標準中對司機室的防撞要求，計算結果如表1所示。

表1 各工況最大應力

3 司機室密封設計

司機室密封設計是一個復雜的系統過程，它包括鋼結構密封、門窗密封、管路及電纜過孔的密封等[1]。司機室的密封也直接影響著室內噪聲、隔熱以及防寒性能。司機室密封設計時，主要從以下幾個方面考慮：

(1)鋼結構本身的密封：將司機室作為一個獨立的單元，盡量不依賴車體上其他部件(車架、車體間壁等)共同實現密封結構。

(2)設備的密封：前窗、頭燈玻璃采用膠黏結構；門與側窗采用多層密封壓緊結構，安裝面采用密封墊。

(3)管路和線槽的密封：管路和線槽要避免大尺寸走線穿孔，電纜線與鋼結構骨架之間的密封是通過連接器與連接器安裝板一對一配套安裝實現的；管路與鋼結構骨架之間的密封是通過卡套式隔板直通管接頭實現的。

4 司機室噪聲環境設計

司機室的噪聲環境比較復雜，不良的噪聲環境會使司機不易集中精力，反應遲鈍。雖然GB/T 3450—2006[2]標準中要求司機室內部噪聲不大于78 dB(A)，但在司機室噪聲環境設計時，會盡可能降低司機室內部噪聲，為司機營造舒適的工作環境。

司機室噪聲源主要有：機車動力設備的氣動噪聲及結構噪聲、輪軌氣動噪聲及結構噪聲、行駛風噪、司機室內設備的氣動噪聲以及室內混響噪聲等，這些噪聲會經司機室隔聲薄弱的環節、密封性能差的區域或者車體鋼結構進入司機室內部。

根據對噪聲傳播路徑的分析，主要從切斷噪聲傳播途徑著手來控制司機室內的噪聲(見表2)。

表2 降噪措施

5 司機室熱環境設計

司機室的熱環境就是司機室內的微小氣候環境，是一個按照人們意志創造的、封閉的、受人們控制的室內環境。通過合理地組織室內的氣流速度以及空氣溫度，便可以使駕駛室內的環境參數滿足司機舒適性要求。

(1)空氣溫度

TJ/JW 063—2015《交流傳動機車司機室環境暫行技術要求》在設計時，利用制冷、制熱裝置來調節司機室內的熱環境。因此，在冬季，通過操縱臺腳踏前方的腳爐、司機室側墻的取暖器、司機室頂部的空調制熱功能，對司機的頭、腳以及整個室內空間進行加熱，為司機營造最適宜的溫度。在夏季，通過頂部的空調制冷功能，為司機營造最適宜的溫度。

(2)氣流速度

司機室內的氣流速度，尤其是司機頭部氣流主要由頂板空調出風口的氣流速度決定。而頂板空調出風口的氣流速度又由空調風道、空調出風口的數量決定。空調風道是自空調出風口至司機室頂板空調出風口之間的中間環節。

在氣流速度設計時，利用流體力學方法對風道的流動特性進行仿真分析，獲得風道在各出風口出風量、風速的比例關系并不斷調整，以獲得令司機舒適的氣流速度。

6 司機室視野設計

司機室的設備布置充分考慮了司機視野，為了便于司機瞭望，司機室前窗采用兩塊大的透明安全玻璃，并設置遮陽簾，防止刺眼的陽光影響司機的視野。前窗帶有電加熱功能，可有效防止玻璃結霜、結冰和結霧，保證清晰的視野。在確保司機室前墻強度和剛度的前提下，盡可能增大前窗玻璃的尺寸，以達到更寬廣的瞭望視野。

在視野設計過程中，需要特別注意，刮雨器的結構形式和布置位置對司機前方視野有著直接的影響。因此，在司機室總體布置設計過程中必須對刮雨器的安裝位置和刮掃區域進行分析，保證司機在異常天氣行車具有良好的瞭望視野。

根據操縱臺及座椅布置，按GB/T 5914.1—2015標準對司機視野進行校核，主、副司機的視野均滿足要求。

7 結束語

本文對司機室設計的結構、模塊化組裝、防撞、密封、噪聲、熱環境、視野等方面進行了探討。雖然，司機室最主要的設計理念還是確保司機室內功能的完整性以及司機室的安全可靠性，但是隨著經濟社會的不斷發展，更深層次的人性化設計理念融入司機室的設計是必然的發展方向。后續司機室的設計不僅需要考慮結構的安全性，還需要為司機營造舒適的工作環境。