多功能作业车是电气化铁路、高速专线列车接触网检修、维护的专业设备。这种车装备有高空作业斗、升降式作业平台、用于导线拨线的装置和接触网检测系统等。它既可以用于对线路上高压接触网及线路设施进行综合检测、检修和维护，也可以用于铁路的高空设施、桥梁及隧道等的综合检修及维护。其中车顶升降式作业平台是实现上述功能的主要设备之一。由于作业平台承载重，转臂回旋半径大，因此该多功能车作业时车顶升降式作业平台的安全性显得尤为重要。本研究对整车建立有限元模型，对车顶升降式作业平台进行了强度分析，并根据有限元计算的结果，对车顶升降式作业平台的结构进行了改进设计。
      该多功能作业车车顶有两处作业设备，分别为升降式作业设备和高空作业斗设备。一位端车顶安装升降式作业平台，二位端车顶安装高空作业斗设备。其中高空作业斗安装座为薄壁圆柱筒结构，连接车顶和底架。多功能作业车车体钢结构如图所示。作业平台结构主要由120mmx103mm的横向和纵向槽型钢以及8mm厚的封板组成。其中横向槽型钢与顶部边梁连接，纵向槽型钢均匀分布在横向槽型钢中间，设备安装座安装在作业平台中心，四周分别与横向槽型钢和纵向槽型钢相连接，封板平铺在作业平台顶部蒙皮处。作业平台正下方中间的横向槽型钢与车内隔墙立柱相连接，作业平台与车顶其他部位利用角钢、乙型钢、槽型钢过渡连接。其结构如图所示。
      在建立车体几何模型的基础上建立了车体有限元模型。车体大部分采用板壳单元进行网格划分，个别结构(如吊车座，作业平台设备安装座等)使用实体的单元进行网格划分。车体一共划分了1203732个节点，1238401个单元，其中壳单元1229565个，四面体单元8836个。车顶作业平台局部有限元模型如图3所示。车体在作业时除受到车体自身重量以及载重外还受到施加在作业平台转臂和高空作业斗转臂上的垂向载荷。作业平台转臂在作业时可以360°旋转，其转臂重心距安装座上表面中心半径为1668mm、垂直高度为550mm，重心集中载荷为25284N，高空作业斗转臂重心与其安装座上表面中心纵向距离为2844mm、横向距离为969.5mm，重心集中载荷为59290N。计算载荷施加在转臂重心位置，具体如图所示。在枕梁处油缸顶车的位置施加车体垂向约束。该多功能作业车车体材料为Q345B型钢，材料属性为：弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，密度为7.85xe6kg/mm3。根据TB/T1335-1996《车辆强度设计及试验鉴定规范》的规定，材料的许用应力为216MPa。计算得到作业平台应力分布情况，最大应力发生在横向槽型钢与边梁的相交处，应力值为450.4MPa，如图所示。对结果进行进一步分析可知，设备安装座四周相连的横向及纵向槽型钢附近的最大应力为323.4MPa具体发生在斜撑与横向槽型钢相交的腹板上边缘处。高空作业斗安装座处车体最大应力仅为70.8MPa，发生在车体二位端第一个窗口折角处，其应力云图如图所示。
      根据以上的计算结果，虽然高空作业斗转臂受到的载荷比升降式作业平台转臂更大，但是由于采用了连接车顶和底架的圆柱筒型安装座，其满足强度要求。如果升降式作业平台也采用此结构，则势必增加车体钢结构的重量。因此，需要在不采用圆柱筒型安装座的基础上，对升降式作业平台进行改进。综合分析车体结构特点和应力分布情况，具体确定了以下三种改进方案。由于开口的槽型钢的抗弯曲能力较弱，将设备安装座四周相连的槽型钢改为矩形钢。经计算分析得到改进后的作业平台应力分布云图如图所示。最大应力同样发生在顶部横向槽型钢与边梁的相交处，应力值为330MPa。对应力计算结果进一步分析可知，和设备安装座相连的矩形钢应力值已经下降到材料的许用应力以下，但是与矩形钢相连的车顶其他部位的纵向梁的应力值仍超过材料的许用应力。对原始结构和方案一结构的计算结果进行对比分析可知，通过改变作业平台下方的槽型钢的截面形式来降低应力是可行的。另外，原始结构与方案一结构中最大应力发生位置均为顶部横向槽型钢与边梁的相交处，说明此处应力集中最明显，应该对此处结构进行改进。改进方案如下：作业平台下开口槽型钢均改为矩形钢，设备安装座下部采用8mm钢板封闭，安装座上部封板厚度由8mm改为10mm，横向矩形钢与顶部边梁之间保持20mm距离。改进后的作业平台结构如图所示。经计算分析后的作业平台最大应力为262MPa发生在横向矩形钢与边梁斜边处接触处，而作业平台其他位置应力值均低于材料的许用应力。除横向矩形钢与边梁斜边处接触位置处，此方案作业平台结构已经具有较高的强度，进一步只需要对局部改进即可。针对横向矩形钢与边梁斜边处接触位置，具体改进方案如下：将横向矩形钢与边梁斜边处接触的位置整体去掉，其局部结构如图所示。经计算后的作业平台应力最大值仅为111.1MPa，如图所示。计算结果表明，作业平台改进方案三的结构大大降低了最大应力值，使得应力分布比较均匀，结构比较合理。

                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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