内燃机车司机室关键设计因素探讨

王海龙 许 齐 邢莹莹 屈 洪

(中车戚墅堰机车有限公司 江苏 常州 213011)

0 概述

中车戚墅堰机车有限公司自主研发的4 400马力交流传动干线货运机车的司机室具有防撞结构，且司机室采用隔离式弹性安装，各种设备均密封良好。因此，司机室设计过程中，除了要满足结构强度和刚度的同时，对密封性、舒适性要求也越来越高，不仅要体现人性化的特点，在布局、结构上也要符合现代美学、人机工程学观点。鉴于此，将全面考虑结构安全、人的因素、驾驶环境，以提高司机室的设计水平。

1 司机室模块

司机室模块分为司机室钢结构、司机室设备以及内部装饰三部分，具体如图1所示。

图1 司机室总体结构

1.1 司机室钢结构

司机室钢结构分为前墙、左右侧壁、后墙、顶盖、底架五部分，由横向、纵向、垂向三个方向的槽型梁组成封闭结构，结构梁布置合理，使司机室具有足够的强度和刚度，可承受一定的载荷冲击。

1.2 设备及内部装饰

司机室设备的布置及内部装饰与司机的视觉、感觉直接相关，在设计的过程中遵循着以人为本的设计理念，来提高内装设计的美观性和舒适性。

内部装饰的造型以简洁为主，采用长直线条、小圆角，来分割各功能区域，视觉大气稳重，并将组装的合理性和设备检修的便捷性纳入设计。

同时，根据司机作业时视觉凝视时间分布规律，司机眼睛主要集中在前窗区域，眼睛的余光也会覆盖到前窗周边区域，因此，这些区域的内装板不宜选择杂乱线条的造型，否则势必影响司机视线、造成注意力不集中而影响工作。

1.3 模块化组装

司机室采用模块化组装，以司机室钢结构为载体，先将管路、线缆布置好，再将操纵台、内部装饰、地板等设备安装在车体钢结构上，从而完成司机室模块的总组装。待司机室模块组装完成后，整体起吊，通过弹性元件安装座与车架连接。

模块化司机室的优势在于：

(1)司机室钢结构作为一个独立单元，与其他模块并行生产，有效降低制造周期；

(2)便于组装作业；

(3)便于后期的拆检，提高可维修性，降低维护成本。

1.4 弹性连接

司机室模块通过弹性元件安装座与车架连接，两者之间通过橡胶堆隔离。一方面，通过对橡胶堆的阻尼以及刚度的合理选型，在一定频率范围内可以有效隔离柴油机-发电机组产生的主频振动。另一方面，弹性元件安装座的数量以及连接结构充分考虑了工艺的可达性和便利性。

安全是司机室设计时优先考虑的因素，因此应从多方面确保司机室弹性连接的安全：(1)弹性安装座的数量以及紧固件的合理选型；(2)司机室后墙上的安全止挡；(3)车体上为司机室提供的一圈外层防撞结构。

2 司机室防撞

为了防止外来的破坏力侵占司机的生存空间，司机室的防撞要求需满足TJ/JW 102—2017标准，即司机室的前端、两侧角柱以及侧壁侧窗下部区域需要满足相应的载荷。

为确保司机室的模块化组装，通过在司机室前墙、两侧角柱的外部区域设置防撞墙，并将车体侧壁延伸至防撞墙，提前与车架、侧壁焊接，为司机室下部区域提供一圈安全可靠的防护结构(见图2)。

图2 司机室防撞结构

通过ANSYS仿真计算，各工况的最大应力满足TJ/JW 102—2017标准中对司机室的防撞要求，计算结果如表1所示。

表1 各工况最大应力

3 司机室密封设计

司机室密封设计是一个复杂的系统过程，它包括钢结构密封、门窗密封、管路及电缆过孔的密封等[1]。司机室的密封也直接影响着室内噪声、隔热以及防寒性能。司机室密封设计时，主要从以下几个方面考虑：

(1)钢结构本身的密封：将司机室作为一个独立的单元，尽量不依赖车体上其他部件(车架、车体间壁等)共同实现密封结构。

(2)设备的密封：前窗、头灯玻璃采用胶黏结构；门与侧窗采用多层密封压紧结构，安装面采用密封垫。

(3)管路和线槽的密封：管路和线槽要避免大尺寸走线穿孔，电缆线与钢结构骨架之间的密封是通过连接器与连接器安装板一对一配套安装实现的；管路与钢结构骨架之间的密封是通过卡套式隔板直通管接头实现的。

4 司机室噪声环境设计

司机室的噪声环境比较复杂，不良的噪声环境会使司机不易集中精力，反应迟钝。虽然GB/T 3450—2006[2]标准中要求司机室内部噪声不大于78 dB(A)，但在司机室噪声环境设计时，会尽可能降低司机室内部噪声，为司机营造舒适的工作环境。

司机室噪声源主要有：机车动力设备的气动噪声及结构噪声、轮轨气动噪声及结构噪声、行驶风噪、司机室内设备的气动噪声以及室内混响噪声等，这些噪声会经司机室隔声薄弱的环节、密封性能差的区域或者车体钢结构进入司机室内部。

根据对噪声传播路径的分析，主要从切断噪声传播途径着手来控制司机室内的噪声(见表2)。

表2 降噪措施

5 司机室热环境设计

司机室的热环境就是司机室内的微小气候环境，是一个按照人们意志创造的、封闭的、受人们控制的室内环境。通过合理地组织室内的气流速度以及空气温度，便可以使驾驶室内的环境参数满足司机舒适性要求。

(1)空气温度

TJ/JW 063—2015《交流传动机车司机室环境暂行技术要求》在设计时，利用制冷、制热装置来调节司机室内的热环境。因此，在冬季，通过操纵台脚踏前方的脚炉、司机室侧墙的取暖器、司机室顶部的空调制热功能，对司机的头、脚以及整个室内空间进行加热，为司机营造最适宜的温度。在夏季，通过顶部的空调制冷功能，为司机营造最适宜的温度。

(2)气流速度

司机室内的气流速度，尤其是司机头部气流主要由顶板空调出风口的气流速度决定。而顶板空调出风口的气流速度又由空调风道、空调出风口的数量决定。空调风道是自空调出风口至司机室顶板空调出风口之间的中间环节。

在气流速度设计时，利用流体力学方法对风道的流动特性进行仿真分析，获得风道在各出风口出风量、风速的比例关系并不断调整，以获得令司机舒适的气流速度。

6 司机室视野设计

司机室的设备布置充分考虑了司机视野，为了便于司机瞭望，司机室前窗采用两块大的透明安全玻璃，并设置遮阳帘，防止刺眼的阳光影响司机的视野。前窗带有电加热功能，可有效防止玻璃结霜、结冰和结雾，保证清晰的视野。在确保司机室前墙强度和刚度的前提下，尽可能增大前窗玻璃的尺寸，以达到更宽广的瞭望视野。

在视野设计过程中，需要特别注意，刮雨器的结构形式和布置位置对司机前方视野有着直接的影响。因此，在司机室总体布置设计过程中必须对刮雨器的安装位置和刮扫区域进行分析，保证司机在异常天气行车具有良好的瞭望视野。

根据操纵台及座椅布置，按GB/T 5914.1—2015标准对司机视野进行校核，主、副司机的视野均满足要求。

7 结束语

本文对司机室设计的结构、模块化组装、防撞、密封、噪声、热环境、视野等方面进行了探讨。虽然，司机室最主要的设计理念还是确保司机室内功能的完整性以及司机室的安全可靠性，但是随着经济社会的不断发展，更深层次的人性化设计理念融入司机室的设计是必然的发展方向。后续司机室的设计不仅需要考虑结构的安全性，还需要为司机营造舒适的工作环境。