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多功能作業(yè)車是電氣化鐵路、高速專線列車接觸網(wǎng)檢修、維護的專業(yè)設備。這種車裝備有高空作業(yè)斗、升降式作業(yè)平臺、用于導線撥線的裝置和接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)等。它既可以用于對線路上高壓接觸網(wǎng)及線路設施進行綜合檢測、檢修和維護，也可以用于鐵路的高空設施、橋梁及隧道等的綜合檢修及維護。其中車頂升降式作業(yè)平臺是實現(xiàn)上述功能的主要設備之一。由于作業(yè)平臺承載重，轉(zhuǎn)臂回旋半徑大，因此該多功能車作業(yè)時車頂升降式作業(yè)平臺的安全性顯得尤為重要。本研究對整車建立有限元模型，對車頂升降式作業(yè)平臺進行了強度分析，并根據(jù)有限元計算的結(jié)果，對車頂升降式作業(yè)平臺的結(jié)構(gòu)進行了改進設計。
該多功能作業(yè)車車頂有兩處作業(yè)設備，分別為升降式作業(yè)設備和高空作業(yè)斗設備。一位端車頂安裝升降式作業(yè)平臺，二位端車頂安裝高空作業(yè)斗設備。其中高空作業(yè)斗安裝座為薄壁圓柱筒結(jié)構(gòu)，連接車頂和底架。多功能作業(yè)車車體鋼結(jié)構(gòu)如圖所示。作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)主要由120mmx103mm的橫向和縱向槽型鋼以及8mm厚的封板組成。其中橫向槽型鋼與頂部邊梁連接，縱向槽型鋼均勻分布在橫向槽型鋼中間，設備安裝座安裝在作業(yè)平臺中心，四周分別與橫向槽型鋼和縱向槽型鋼相連接，封板平鋪在作業(yè)平臺頂部蒙皮處。作業(yè)平臺正下方中間的橫向槽型鋼與車內(nèi)隔墻立柱相連接，作業(yè)平臺與車頂其他部位利用角鋼、乙型鋼、槽型鋼過渡連接。其結(jié)構(gòu)如圖所示。
在建立車體幾何模型的基礎上建立了車體有限元模型。車體大部分采用板殼單元進行網(wǎng)格劃分，個別結(jié)構(gòu)(如吊車座，作業(yè)平臺設備安裝座等)使用實體的單元進行網(wǎng)格劃分。車體一共劃分了1203732個節(jié)點，1238401個單元，其中殼單元1229565個，四面體單元8836個。車頂作業(yè)平臺局部有限元模型如圖3所示。車體在作業(yè)時除受到車體自身重量以及載重外還受到施加在作業(yè)平臺轉(zhuǎn)臂和高空作業(yè)斗轉(zhuǎn)臂上的垂向載荷。作業(yè)平臺轉(zhuǎn)臂在作業(yè)時可以360°旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)臂重心距安裝座上表面中心半徑為1668mm、垂直高度為550mm，重心集中載荷為25284N，高空作業(yè)斗轉(zhuǎn)臂重心與其安裝座上表面中心縱向距離為2844mm、橫向距離為969.5mm，重心集中載荷為59290N。計算載荷施加在轉(zhuǎn)臂重心位置，具體如圖所示。在枕梁處油缸頂車的位置施加車體垂向約束。該多功能作業(yè)車車體材料為Q345B型鋼，材料屬性為：彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，密度為7.85xe6kg/mm3。根據(jù)TB/T1335-1996《車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范》的規(guī)定，材料的許用應力為216MPa。計算得到作業(yè)平臺應力分布情況，最大應力發(fā)生在橫向槽型鋼與邊梁的相交處，應力值為450.4MPa，如圖所示。對結(jié)果進行進一步分析可知，設備安裝座四周相連的橫向及縱向槽型鋼附近的最大應力為323.4MPa具體發(fā)生在斜撐與橫向槽型鋼相交的腹板上邊緣處。高空作業(yè)斗安裝座處車體最大應力僅為70.8MPa，發(fā)生在車體二位端第一個窗口折角處，其應力云圖如圖所示。
根據(jù)以上的計算結(jié)果，雖然高空作業(yè)斗轉(zhuǎn)臂受到的載荷比升降式作業(yè)平臺轉(zhuǎn)臂更大，但是由于采用了連接車頂和底架的圓柱筒型安裝座，其滿足強度要求。如果升降式作業(yè)平臺也采用此結(jié)構(gòu)，則勢必增加車體鋼結(jié)構(gòu)的重量。因此，需要在不采用圓柱筒型安裝座的基礎上，對升降式作業(yè)平臺進行改進。綜合分析車體結(jié)構(gòu)特點和應力分布情況，具體確定了以下三種改進方案。由于開口的槽型鋼的抗彎曲能力較弱，將設備安裝座四周相連的槽型鋼改為矩形鋼。經(jīng)計算分析得到改進后的作業(yè)平臺應力分布云圖如圖所示。最大應力同樣發(fā)生在頂部橫向槽型鋼與邊梁的相交處，應力值為330MPa。對應力計算結(jié)果進一步分析可知，和設備安裝座相連的矩形鋼應力值已經(jīng)下降到材料的許用應力以下，但是與矩形鋼相連的車頂其他部位的縱向梁的應力值仍超過材料的許用應力。對原始結(jié)構(gòu)和方案一結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果進行對比分析可知，通過改變作業(yè)平臺下方的槽型鋼的截面形式來降低應力是可行的。另外，原始結(jié)構(gòu)與方案一結(jié)構(gòu)中最大應力發(fā)生位置均為頂部橫向槽型鋼與邊梁的相交處，說明此處應力集中最明顯，應該對此處結(jié)構(gòu)進行改進。改進方案如下：作業(yè)平臺下開口槽型鋼均改為矩形鋼，設備安裝座下部采用8mm鋼板封閉，安裝座上部封板厚度由8mm改為10mm，橫向矩形鋼與頂部邊梁之間保持20mm距離。改進后的作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)如圖所示。經(jīng)計算分析后的作業(yè)平臺最大應力為262MPa發(fā)生在橫向矩形鋼與邊梁斜邊處接觸處，而作業(yè)平臺其他位置應力值均低于材料的許用應力。除橫向矩形鋼與邊梁斜邊處接觸位置處，此方案作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)已經(jīng)具有較高的強度，進一步只需要對局部改進即可。針對橫向矩形鋼與邊梁斜邊處接觸位置，具體改進方案如下：將橫向矩形鋼與邊梁斜邊處接觸的位置整體去掉，其局部結(jié)構(gòu)如圖所示。經(jīng)計算后的作業(yè)平臺應力最大值僅為111.1MPa，如圖所示。計算結(jié)果表明，作業(yè)平臺改進方案三的結(jié)構(gòu)大大降低了最大應力值，使得應力分布比較均勻，結(jié)構(gòu)比較合理。
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