寒地拖掛式節能警務亭車身結構優化分析

韓 剛

(哈爾濱通聯客車有限公司，哈爾濱 150090)

國內生產警務亭的廠家眾多，但產品質量參差不齊，存在的主要問題是抗低溫能力差。黑龍江省位于中國北方，寒冷時間占全年的一半左右。為了滿足北方特定的環境需求，通聯客車研發了拖掛式節能警務亭，利用成熟的全承載式客車車身結構，使用創新的無冷橋設計方法，集成被動保溫材料、低能耗電器新產品、移動便捷等多項科技成果，實現了警務亭應急通信、現場照明、強聲廣播等功能，滿足了應急現場指揮的需要及檢查、卡口、維護治安等警務前移辦公的需要。

現代警務亭集智能感知、信息采集、民生服務、勤務支撐、警務協同于一體，在賦予警務亭全新功能的前提下，對寒冷地區警務亭提出了更高的要求，即節能，抗低溫，可保障工作環境的適宜、舒適。

1 寒地拖掛式節能警務亭設計

警務亭采用六面體全承載式設計理念，為治安崗亭的輕量化奠定了理論基礎，同時車身采用高強度鋼管，客門及下艙門等零部件選用鋁合金材料，確保治安崗亭的輕量化設計。警務亭的工作特點是不需要經常移動，同時為了使用效益最大化，警務亭選擇拖掛式行走方式，既節約能源和使用成本又方便用戶移動和使用。

拖掛式警務亭為實現輕量化設計及節約原材料，運用了客車的全承載式設計方法。通過源于飛機設計技術的全承載式車身結構設計方法，建立警務亭車身骨架的三維數模，運用計算機CAE應力和有限元分析，獲取警務亭車身骨架靜態、動態的特性參數，從而實現車身結構的優化設計和完善。對警務亭車身骨架結構進行優化設計，最終獲得車身重量的最小化。警務亭車身底架選用小截面的高強度矩形管材組焊成型(見圖1車身底架示意圖)，既滿足了警務亭輕量化要求，也保證了警務亭底架的強度和剛度。牽引架設置在底盤主體的下部。牽引架包含設置于后部的兩根主縱梁和位于前端的整體呈三角形的框架主體。主體大部分露出于底盤主體的前部，便于通過牽引器連接前方的牽引車。牽引架的兩根主縱梁層疊設置于底盤主體的相應縱梁下方，且和底盤主體的相應縱梁在后端大致平齊，以使底盤的支撐性能得到進一步加固。

圖1 車身底架示意圖Fig.1 Body bottom frame diagram

拖掛式警務亭沒有動力系統，選用獨立的鋼板彈簧懸架。底盤車軸由空心軸管、軸頭、安裝座和轉接平臺組成。轉接平臺用于與底盤架連接，在不增加截面尺寸和壁厚的同時，能夠提高結構強度和穩定性，還能保證輪胎的使用壽命。為了避免拖掛警務亭側滑、側移發生危險，底盤有針對性地增加了ATC系統。

警務亭的全承載式車身結構是將底架和車身前后圍骨架總成、左右側圍骨架總成及頂蓋骨架總成形成一個整體框架，構成桁架式結構，這樣可使整個警務亭質量大幅降低，同時整車強度顯著提升。當警務亭受到外力沖擊時，沖擊力能迅速分解到全車骨架各處，形成整個警務亭車身骨架都承載的效果，在實現警務亭輕量化的同時，還極大提高整個警務亭的安全性能。

解決抗低溫要從車身結構、配套件選擇和保溫材料入手。車身設計從總體上采用輕量化設計和無冷橋設計理念。普通警務亭的車身結構與外界進行熱量傳導時，由于車身結構中的某些部位的傳倒系數明顯大于其他部位，使得熱量集中地從這些部位快速傳遞，從而增大了車身內部的空調、采暖負荷及能耗，一般統稱冷橋(熱橋)。解決警務亭的抗低溫，就要通過車身結構設計和其他保溫材料阻斷冷橋。為了達到保溫目的，使警務亭的車身壁厚度達到40+30+20+5(mm)，選用高強度鋼的小矩形管，雙層錯位焊接，立柱、橫梁、縱梁、斜撐等整車骨架前后貫通，上下相連形成有效封閉的力環結構。由于雙層骨架錯位組焊，中間添加特殊保溫材料，有效阻斷了內外空氣交換(見圖2車身側圍骨架斷面圖)。同時，精選兩種被動保溫材料即氣凝膠真空絕熱板(HVIP)和NPP保溫材料配合車身結構設計，在保證房屋冬暖夏涼的同時，還具有良好的防火性能。以二氧化硅氣凝膠為主要原料制成的真空絕熱板，導熱系數低至0.005 W/m2·K。通過對警務亭車身側圍、頂棚和地板結構的改進和創新，選用新型保溫材料，使頂棚和側圍的傳熱系數≤0.20 W/m2·K，室內地面的傳熱系數≤0.15 W/m2·K。

圖2 車身側圍骨架斷面圖Fig.2 Cross-section view of body side frame

圖3 車體側窗與側圍的斷面圖Fig.3 Cross section of side window and side perimeter of car body

改進車身結構設計的同時，對警務亭周圈的側窗玻璃采用四玻三腔結構，其中一腔是真空，另兩腔是中空。為了便于室內通風，車身長度方向的對面各設計兩個上推式活動側窗，其他側窗都為固定側窗。側窗和側墻在設計上考慮了阻斷冷橋結構(見圖3車體側窗與側圍的斷面圖)。警務亭的客門選用電動外擺門，門體與門框通過橡膠和海綿密封條兩道密封。通過對警務亭側窗的設計和結構創新，引進高端旅游客車乘客門先進技術，使警務亭四面窗戶的傳熱系數≤0.65 W/m2·K。側窗和門是警務亭室內外空氣交換的關鍵點，解決了門和窗的熱傳導問題，警務亭的保溫難題也就迎刃而解。

寒地拖掛式警務亭外形硬朗的車身造型與簡潔明快的線條，給人以強烈的視覺沖擊感。大面積的側窗和前后窗設計為室內人員提供了更寬闊的視野和充足的陽光照射(見圖4車身側面及側窗布置示意圖)。由于側窗玻璃采用四玻三腔結構，冬季不存在結霜問題。警務亭內安裝的新型節能新風系統和冷暖空調，為室內人員提供了空氣清新和溫暖舒適的環境。由于寒地拖掛式警務亭獨特的車身結構設計和多項新技術、新材料的應用，即使在-20℃～-30℃的寒冷冬季，警務亭內使用冷暖空調就能保證室溫在18℃以上。

圖4 車身側面及側窗布置示意圖Fig.4 Body side and side window layout diagram

警務亭室內配有智能監控系統和GPS物聯網管理系統，室內配置攝像頭和語音調度指揮系統。警務亭外頂部配裝可升降的360°攝像頭和高清監控，夜間可使用紅外線功能查看周圍信息，前后頂部各配有一套監控云臺，左右頂部各配有一臺槍型攝像頭，保證警務亭外圍高低360°無死角監控攝像。警務亭外頂部配置有長排警燈和LED遠光燈，方便警務工作使用。警務亭室內裝配一體式電腦，打印、掃描、復印三合一的打印機和多功能碎紙機。豪華多功能組合家裝式內飾，再加上微波爐、冰箱、飲水機及一體式窗紗遮陽簾的裝備，室內配裝的高端沙發椅既可滿足工作人員白天工作又可滿足夜間人員休息需要，讓室內人員享受更自由更愉悅的工作環境(圖5車身正面示意圖)。警務亭配有獨立的小型柴油發電機，在沒有外接電源的情況下，可確保警務亭正常開展工作。

2 結語

寒地拖掛式警務亭選用專為拖掛式車輛設計的專用底盤，全承載式車身結構，采用高強度專用鋼材和多層防腐措施，能有效保證整車強度、剛度和抗腐蝕性能，極大地提升了整車的安全性和使用壽命。警務亭輕量化設計和室內外配裝的警用裝備及現代化節能辦公設備，為警務亭提供了適宜舒適的工作空間。

圖5 車身正面示意圖Fig.5 Schematic diagram of front body