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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(shè)備。這種車裝備有高空作業(yè)斗、升降式作業(yè)平臺、用于導(dǎo)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(shè)施進行綜合檢測、檢修和維護，也可以用于鐵路的高空設(shè)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(shè)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(shè)計。
該多功能作業(yè)車車頂有兩處作業(yè)設(shè)備，分別為升降式作業(yè)設(shè)備和高空作業(yè)斗設(shè)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(shè)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(shè)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(chǔ)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(shè)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(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》的規(guī)定，材料的許用應(yīng)力為216MPa。計算得到作業(yè)平臺應(yīng)力分布情況，最大應(yīng)力發(fā)生在橫向槽型鋼與邊梁的相交處，應(yīng)力值為450.4MPa，如圖所示。對結(jié)果進行進一步分析可知，設(shè)備安裝座四周相連的橫向及縱向槽型鋼附近的最大應(yīng)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(yīng)力僅為70.8MPa，發(fā)生在車體二位端第一個窗口折角處，其應(yīng)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(chǔ)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(yīng)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(shè)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(yīng)力分布云圖如圖所示。最大應(yīng)力同樣發(fā)生在頂部橫向槽型鋼與邊梁的相交處，應(yīng)力值為330MPa。對應(yīng)力計算結(jié)果進一步分析可知，和設(shè)備安裝座相連的矩形鋼應(yīng)力值已經(jīng)下降到材料的許用應(yīng)力以下，但是與矩形鋼相連的車頂其他部位的縱向梁的應(yīng)力值仍超過材料的許用應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力集中最明顯，應(yīng)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(shè)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(yīng)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(yīng)力值均低于材料的許用應(yīng)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(yīng)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(yīng)力值，使得應(yīng)力分布比較均勻，結(jié)構(gòu)比較合理。
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