车载安检设备轻量化设计与应用

2021-10-26刘溢溥孟志强

机电产品开发与创新 2021年5期

刘溢溥，孟志强

（公安部第一研究所，北京 100048）

0 引言

车载安检设备是安装到承载车辆上进行使用的一类安检设备。因其机动性能好，适用于机场，海关，公安等多部门的现场流动安全检查。车载安检设备的重量是改装车辆选型的最重要限定条件之一。以往应对安检设备过重的问题，通常只能通过选择更大规格的改装车辆来予以解决。这种粗放单一的解决方式带来了车辆尺寸的增大，从而导致采购改装成本的大幅度增加。而用户对车载安检设备的外形尺寸和价格的要求在不断提高。因此，如何实现轻量化对于车载安检设备的研制具有重要意义和迫切的现实需求。

轻量化的目标是在给定的边界条件下，尽可能减小结构重量，同时满足所需的性能要求。通过轻量化研究和应用，将可以有效降低设备的重量，在车辆选型方面提供更广阔的空间，同时降低车辆购置改装费用。轻量化设计方法和技术在汽车工业取得了大量的研究成果和实际应用，为车载安检设备的轻量化提供了重要的参考和解决方案[1]。车载安检设备轻量化将成为解决现有设备过重的最直接途径，也将成为后续的车载设备研发的趋势。

1 车载安检设备轻量化的基本流程

承载车辆的载重能力和外形尺寸是车载安检设备设计的重要限定条件，车载安检设备的重量不能超过车辆的承载能力，外形尺寸应该满足安装到车上的要求。车载安检设备的安装和使用情况如图1所示。安检设备整体重量和尺寸作为开展轻量化设计的边界条件。

图1 车载安检设备

针对车载安检设备轻量化的需求，采用了如图2所示的设计流程。按照此设计流程，对安检设备重新进行设计，新方案通过分析验证满足性能要求后确定为最终方案。

图2 车载安检设备轻量化设计流程

1.1 设备重量分布统计与特性分析

为了使轻量化的目标更为明确和具体，对设备进行了重量分布统计。设备内部主要组件见图3。在结构设计软件Creo 中，通过二次开发的程序，统计了整个设备中所有零部件的重量。根据统计得到的数据，分析各个组件和零件的重量特性。

图3 安检设备内部组件示意图

设备零部件可以分为机械类结构件和电子类元器件。电子类元器件如射线源和工控机等均为标准件，不作为修改的对象。因此，轻量化主要以结构件为修改对象。对结构件的重量进行了统计，主要结构件质量占比见表1。

表1 结构件质量占比统计表

结构件中，质量占比最大的依次为通道框架、外盖板、输送机和端接台，其余均为小的结构件。轻量化设计主要从质量占比最大的几项结构组件上开展。

1.2 轻量化的策略

根据重量分布统计和特性分析，选定了开展轻量化的主要对象。轻量化的基本策略是以结构件小型化和轻型化为手段，在考虑工艺难度和成本的基础上尽可能降低设备的总重量。

轻量化的实现途径通常包括结构轻量化、材料轻量化、工艺轻量化这三个方面。车载安检设备的制造和连接工艺相对固定。外盖板采用钣金的形式，通道框架采用管材和板材焊接的方式，电子元器件和结构件之间的连接固定通常采用螺装的方式。所以车载安检设备的轻量化主要从结构轻量化和材料轻量化两个方面开展。

1.3 轻量化方案

轻量化方案的设计包含结构轻量化和材料轻量化两个过程。在现有的设计方案基础上进行结构轻量化。结构轻量化主要通过缩减零件尺寸和更改结构形式两个方面实现。在完成结构轻量化后，进行材料轻量化。结构轻量化主要是选择合适的材料。备选结构材料为高强度钢和铝合金材料。

1.3.1 结构轻量化

结构轻量化主要通过改变零件的尺寸和结构形式来实现重量的下降。

（1）缩减零件尺寸。原有射线源安装板整体尺寸较大，存在大量不承重部分。分析其承重和连接功能后，对其进行优化，保留必要的承重部分和连接部分，去除非必要部分。

图4 射线源安装板优化前后对比图

按照钢材计算，优化射线源安装板4.4kg，优化后为1.7kg，减重61.4%。

（2）更改零件结构形式。原有端接台的立板为框架焊接加钣金外板的结构。在保证结构强度的前提下，将立板改为了单层拍边结构。三个面的立板均改为单层拍边结构。

按照钢材计算，优化前端接台重量为27.7kg，优化后为18.9kg，减重31.8%。

1.3.2 材料轻量化

安检设备的结构件材料通常选用钢材质的管材、板材和锭料。根据车辆载重能力要求，原有设计需要减重85kg 以上。如果采用高强度钢代替现有Q235 系列的钢材，减重总量难以达到要求。因此，新的设计方案中将大部分钢材替换为铝合金材料，铝合金牌号为6061-T6。钢铝结合的结果形式，也是现在车辆轻型化方面通常采用的设计方式[2]。

设备的框架从原有的钢管改为了铝合金管；原有的钢板钣金件替换为了铝合金钣金件；部分连接件也采用了铝合金材料。以图5 中的端接台为例，在结构优化后，材料由钢材换为铝材，质量从18.9kg 下降为6.5kg。结构轻量化和材料轻量化后的端接台，较之最初的设计，质量从27.7kg 下降到6.5kg，减重76.5%，减重效果明显。

图5 端接台优化前后对比图

1.4 轻量化的效果

最终在结构优化和材料替换基础上完成了新的设计方案，主要组件轻量化前后的质量对比见表2。计算得到的设备总重量减少了197.6kg，可以满足设备的减重需求。

表2 主要零部件重量统计表

2 设备框架的有限元分析模型和结果

新的设计方案中将设备框架的主要材料从钢材更换为了铝合金，为了验证新材料方案下整体框架结构的强度满足设计要求，建立了设备框架的有限元分析模型。通过有限元分析，对比分析采用钢材和铝合金的两种方案在两种典型工况下的应力情况，以验证新方案的性能。

2.1 框架结构的简化模型

由于分析对象是设备的框架，为了减少非必要零部件数量以提高计算效率，对框架模型进行了简化。射线源组件、工控机组件、外盖板、输送机和端接台等组件均被按照质点进行处理。整个框架结构只保留了承重的管材框架和钣金结构。简化后的结构模型见图6。

图6 简化后用于有限元仿真的结构模型

在该简化模型中，用质点的形式表示其他组件的质量。在模型中建立了三个参考点RP-1、RP-2 和RP-3。射线源和工控机的等效质量添加在RP-1；外盖板的质量被添加在RP-2；输送机和端接台的质量被添加在RP-3[3]。

2.2 框架的材料和工况

整个框架结构分别采用钢材Q235 和铝合金6061-T6 材料，材料参数见表3。按照该材料参数设置有限元模型中的材料参数。

表3 钢材Q235 和铝合金6061- T6 材料参数

选取了两种典型工况进行结构框架的强度分析，分别为紧急制动工况和紧急转弯工况。紧急制动工况和紧急转弯工况下两种材料框架受到的约束和载荷情况，见图7。除了重力作用，框架结构还分别受到制动载荷和转弯载荷的作用。框架底部焊接有四块安装板，用以框架的固定。整个框架受到重力载荷和紧急制动载荷（或紧急转弯载荷）的作用。