運營隧道用運輸車車身設計及有限元分析

蘇志來，黃 靜，湯 宇，彭學軍，凌 濤

（1.中鐵五局集團第一工程有限責任公司，長沙 410117；2.長沙理工大學 汽車與機械工程學院，長沙 410114）

隨著經濟高速發展，人們對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營隧道規模最大的國家。在運營鐵路隧道建設及施工過程中，隧道內部施工裝備及物料等需要運輸設備進行轉運，而運營鐵路隧道的“天窗”時間有限，因此對運營隧道用運輸車的要求越來越高。由于運營隧道內施工區域相對狹小，傳統運輸車只能單向行駛，在運營隧道內開展運輸作業時，車輛無法掉頭或需要很大的場地才能掉頭，以及運輸車在行駛過程中倒車距離長、倒車視線不好等問題，導致運輸車的可操作性差、安全性低和運輸效率低。因此，本文設計了一種運營隧道用雙向駕駛運輸車，可在運營隧道狹窄的空間中實現雙向駕駛。而車身作為運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度、剛度和動力學性能[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，避免傳統上的設計—試制—測試—改進設計—再試制的重復過程，縮短運輸車的開發周期，減少了人力、物力和財力的消耗[2]。

1 運營隧道用雙向駕駛運輸車介紹

1.1 整體結構

運營隧道用雙向駕駛運輸車由車身、驅動裝置、行走裝置、駕駛裝置和轉向裝置等組成。主要用于運營隧道內施工設備和物料等的運輸作業。通過運輸車方向盤外軸上焊接的弧形連接件分別與轉向支架兩側的連接板相連，改變方向盤的傾斜方向，同時運輸車采用2套制動系統，從而實現雙向駕駛。其工作過程主要是運輸車行駛至運營隧道內指定位置，完成所需施工設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，實現雙向駕駛，將運輸車駛出運營隧道，完成施工設備及物料的運輸作業。本文介紹的運營隧道用雙向駕駛運輸車如圖1 所示。

圖1 雙向駕駛運輸車結構示意圖

本文設計的運營隧道用雙向駕駛運輸車解決了因運營隧道內空間狹窄造成的運輸車掉頭困難，以及倒車距離長、倒車視線不好而造成的撞車問題，且該設備承重性能好，能滿足運營隧道施工作業的承載要求，同時將汽車輪更換為火車軌道輪可以實現在火車軌道上行走，實現鐵軌與路面兩用，節約了運營隧道內的施工成本。

1.2 車身結構

本文設計的運營隧道用雙向駕駛運輸車車身包括車架、花紋板、車身擋板和車架側面連接的轉向支架。車身作為運輸車的重要組成部分，必須要有足夠的強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，車身的結構形式如圖2 所示。

圖2 車身結構

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。車架的結構如圖3 所示。

圖3 車架結構

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

圖4 轉向支架結構

2 載荷與工況分析

本文設計的運營隧道用雙向駕駛運輸車主要用于運營隧道內的運輸作業，主要用于運營隧道內路面行駛，也可更換火車軌道輪用于鐵軌行駛。

2.1 載荷分析

運輸車在靜止時，主要承受靜載荷作用，車身所承受的靜載荷主要包括運輸車車身自重、運輸車所運輸的施工設備和物料的質量及工作人員的質量等[3]。對于運輸車車身的自重，在SolidWorks 中Simulation 模塊中定義車身的材料即可，一般運輸車運輸的施工設備及物料的總質量一次不超過1.5 t（假設1 名工作人員的質量為80 kg）。

運輸車在勻速行駛過程中，會產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。運輸車在行駛過程中受到垂向載荷作用，車身會產生彎曲變形[4]。運輸車在使用過程中，最常見的是彎曲工況。

2.2 車身彎曲工況

彎曲工況計算主要是對運輸車滿載狀態下勻速行駛或靜止狀態四輪著地時的結構靜強度和剛度進行校核[3]。運輸車在運營隧道內勻速行駛是運輸車完成運輸作業的常用工況。運輸車在運營隧道內行駛的速度不高，以車身所受靜載荷作為車身的載荷來模擬運輸車在運營隧道內勻速行駛時應力分布和變形情況。此時，運輸車車架所承受的載荷主要來自所運輸施工設備及物料的重力，載荷方向向下，會使車架產生彎曲變形。車身彎曲是車身基本的變形，且在任何工況下都會存在，因此要保證車身有足夠的強度，需要對此工況進行分析[5]。而當施工設備和物料集中堆放在車身中間時，載荷集中分布在車架的中間橫梁上，該種工況下為運輸車的危險工況。本文在運輸車靜止或勻速行駛的過程中，施工設備和物料集中堆放在車身中間的這種危險工況下進行有限元分析。

3 車身有限元分析

本文采用SolidWorks 軟件建立運營隧道用雙向駕駛運輸車的三維模型，如圖1 所示。在初步完成運輸車結構設計后，需要對其重要部件進行有限元分析，驗證其是否滿足強度、剛度要求及整車結構性能要求。由于運輸車在完成運輸作業過程中，承受載荷的主要結構為車身，而車身主要承載部件為車架和座椅，因此本文對運輸車車身的車架結構和座椅進行有限元分析。

3.1 車架有限元分析

車架在彎曲工況下，約束運輸車的4 個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，載荷按運輸車滿載時計算，即車架受到向下的力為15 000 N。由上文可知，在危險工況下，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零件進行網格化，車架的有限元模型如圖5 所示。

圖5 車架有限元模型

完成車架網格化后，進行算例分析，車架的應力云圖如圖6 所示。由應力云圖可知，在運輸車承受最大載荷時，受到的最大應力位于車架中間橫梁與2 側橫梁的連接處，大小為169.8 MPa，小于不銹鋼的屈服強度292 MPa，且車架的大部分區域為藍色，表明車架大部分區域所受應力較小，因此滿足車身強度條件。

圖6 車架應力云圖

車架的位移云圖如圖7 所示。由位移云圖可知，車架結構的最大變形為6.389 mm，最大變形發生在車架中心位置，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

運營隧道用雙向駕駛運輸車在進行運營隧道內施工設備和物料的運輸作業時，需要有工作人員進行操作，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度。因此，需要對座椅和座椅連接管整體部分進行有限元分析。

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零件進行網格化，座椅的有限元模型如圖8 所示。

圖8 座椅有限元模型

完成座椅網格化后，進行算例分析，座椅的應力云圖如圖9 所示。由應力云圖可知，在運輸車進行運輸作業時，座椅承受的主要載荷來自工作人員的重量，受到的最大應力位于座椅與座椅連接管的連接處，大小為20.39 MPa，遠小于不銹鋼的屈服強度292 MPa，且座椅與座椅連接管整體的大部分區域為藍色，表明座椅與座椅連接管整體大部分區域所受應力較小，因此滿足車身剛度條件。

圖9 座椅應力云圖

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構的最大變形為0.083 9 mm，最大變形發生在座椅遠離車架的一側，座椅總體變形非常小，滿足車身剛度要求。

4 結束語

運營隧道內施工區域相對狹小，傳統的運輸車輛只能單向行駛，在狹窄的隧道內進行運輸作業時，運輸車輛無法掉頭或需要很大的場地才能掉頭，以及運輸車行駛過程中倒車距離長、倒車視線不好等問題，導致運輸車的可操作性差、安全性低和運輸效率低。針對以上問題，本文設計了一種運營隧道用雙向駕駛運輸車，可在運營隧道狹窄的空間中實現雙向駕駛，提高了施工效率，并對運輸車整體結構及重要車身結構進行詳細介紹。對運輸車在進行運輸作業時受到的載荷及所處工況進行分析，得到了運輸車在進行運輸作業時的危險工況，并在危險工況下對運輸車車身主要承載部件車架及座椅進行有限元分析，校核了車架及座椅的強度、剛度和安全性能。有限元分析結果表明，車架及座椅的各方面性能都符合要求。