寒地拖挂式节能警务亭车身结构优化分析

韩 刚

(哈尔滨通联客车有限公司，哈尔滨 150090)

国内生产警务亭的厂家众多，但产品质量参差不齐，存在的主要问题是抗低温能力差。黑龙江省位于中国北方，寒冷时间占全年的一半左右。为了满足北方特定的环境需求，通联客车研发了拖挂式节能警务亭，利用成熟的全承载式客车车身结构，使用创新的无冷桥设计方法，集成被动保温材料、低能耗电器新产品、移动便捷等多项科技成果，实现了警务亭应急通信、现场照明、强声广播等功能，满足了应急现场指挥的需要及检查、卡口、维护治安等警务前移办公的需要。

现代警务亭集智能感知、信息采集、民生服务、勤务支撑、警务协同于一体，在赋予警务亭全新功能的前提下，对寒冷地区警务亭提出了更高的要求，即节能，抗低温，可保障工作环境的适宜、舒适。

1 寒地拖挂式节能警务亭设计

警务亭采用六面体全承载式设计理念，为治安岗亭的轻量化奠定了理论基础，同时车身采用高强度钢管，客门及下舱门等零部件选用铝合金材料，确保治安岗亭的轻量化设计。警务亭的工作特点是不需要经常移动，同时为了使用效益最大化，警务亭选择拖挂式行走方式，既节约能源和使用成本又方便用户移动和使用。

拖挂式警务亭为实现轻量化设计及节约原材料，运用了客车的全承载式设计方法。通过源于飞机设计技术的全承载式车身结构设计方法，建立警务亭车身骨架的三维数模，运用计算机CAE应力和有限元分析，获取警务亭车身骨架静态、动态的特性参数，从而实现车身结构的优化设计和完善。对警务亭车身骨架结构进行优化设计，最终获得车身重量的最小化。警务亭车身底架选用小截面的高强度矩形管材组焊成型(见图1车身底架示意图)，既满足了警务亭轻量化要求，也保证了警务亭底架的强度和刚度。牵引架设置在底盘主体的下部。牵引架包含设置于后部的两根主纵梁和位于前端的整体呈三角形的框架主体。主体大部分露出于底盘主体的前部，便于通过牵引器连接前方的牵引车。牵引架的两根主纵梁层叠设置于底盘主体的相应纵梁下方，且和底盘主体的相应纵梁在后端大致平齐，以使底盘的支撑性能得到进一步加固。

图1 车身底架示意图Fig.1 Body bottom frame diagram

拖挂式警务亭没有动力系统，选用独立的钢板弹簧悬架。底盘车轴由空心轴管、轴头、安装座和转接平台组成。转接平台用于与底盘架连接，在不增加截面尺寸和壁厚的同时，能够提高结构强度和稳定性，还能保证轮胎的使用寿命。为了避免拖挂警务亭侧滑、侧移发生危险，底盘有针对性地增加了ATC系统。

警务亭的全承载式车身结构是将底架和车身前后围骨架总成、左右侧围骨架总成及顶盖骨架总成形成一个整体框架，构成桁架式结构，这样可使整个警务亭质量大幅降低，同时整车强度显著提升。当警务亭受到外力冲击时，冲击力能迅速分解到全车骨架各处，形成整个警务亭车身骨架都承载的效果，在实现警务亭轻量化的同时，还极大提高整个警务亭的安全性能。

解决抗低温要从车身结构、配套件选择和保温材料入手。车身设计从总体上采用轻量化设计和无冷桥设计理念。普通警务亭的车身结构与外界进行热量传导时，由于车身结构中的某些部位的传倒系数明显大于其他部位，使得热量集中地从这些部位快速传递，从而增大了车身内部的空调、采暖负荷及能耗，一般统称冷桥(热桥)。解决警务亭的抗低温，就要通过车身结构设计和其他保温材料阻断冷桥。为了达到保温目的，使警务亭的车身壁厚度达到40+30+20+5(mm)，选用高强度钢的小矩形管，双层错位焊接，立柱、横梁、纵梁、斜撑等整车骨架前后贯通，上下相连形成有效封闭的力环结构。由于双层骨架错位组焊，中间添加特殊保温材料，有效阻断了内外空气交换(见图2车身侧围骨架断面图)。同时，精选两种被动保温材料即气凝胶真空绝热板(HVIP)和NPP保温材料配合车身结构设计，在保证房屋冬暖夏凉的同时，还具有良好的防火性能。以二氧化硅气凝胶为主要原料制成的真空绝热板，导热系数低至0.005 W/m2·K。通过对警务亭车身侧围、顶棚和地板结构的改进和创新，选用新型保温材料，使顶棚和侧围的传热系数≤0.20 W/m2·K，室内地面的传热系数≤0.15 W/m2·K。

图2 车身侧围骨架断面图Fig.2 Cross-section view of body side frame

图3 车体侧窗与侧围的断面图Fig.3 Cross section of side window and side perimeter of car body

改进车身结构设计的同时，对警务亭周圈的侧窗玻璃采用四玻三腔结构，其中一腔是真空，另两腔是中空。为了便于室内通风，车身长度方向的对面各设计两个上推式活动侧窗，其他侧窗都为固定侧窗。侧窗和侧墙在设计上考虑了阻断冷桥结构(见图3车体侧窗与侧围的断面图)。警务亭的客门选用电动外摆门，门体与门框通过橡胶和海绵密封条两道密封。通过对警务亭侧窗的设计和结构创新，引进高端旅游客车乘客门先进技术，使警务亭四面窗户的传热系数≤0.65 W/m2·K。侧窗和门是警务亭室内外空气交换的关键点，解决了门和窗的热传导问题，警务亭的保温难题也就迎刃而解。

寒地拖挂式警务亭外形硬朗的车身造型与简洁明快的线条，给人以强烈的视觉冲击感。大面积的侧窗和前后窗设计为室内人员提供了更宽阔的视野和充足的阳光照射(见图4车身侧面及侧窗布置示意图)。由于侧窗玻璃采用四玻三腔结构，冬季不存在结霜问题。警务亭内安装的新型节能新风系统和冷暖空调，为室内人员提供了空气清新和温暖舒适的环境。由于寒地拖挂式警务亭独特的车身结构设计和多项新技术、新材料的应用，即使在-20℃～-30℃的寒冷冬季，警务亭内使用冷暖空调就能保证室温在18℃以上。

图4 车身侧面及侧窗布置示意图Fig.4 Body side and side window layout diagram

警务亭室内配有智能监控系统和GPS物联网管理系统，室内配置摄像头和语音调度指挥系统。警务亭外顶部配装可升降的360°摄像头和高清监控，夜间可使用红外线功能查看周围信息，前后顶部各配有一套监控云台，左右顶部各配有一台枪型摄像头，保证警务亭外围高低360°无死角监控摄像。警务亭外顶部配置有长排警灯和LED远光灯，方便警务工作使用。警务亭室内装配一体式电脑，打印、扫描、复印三合一的打印机和多功能碎纸机。豪华多功能组合家装式内饰，再加上微波炉、冰箱、饮水机及一体式窗纱遮阳帘的装备，室内配装的高端沙发椅既可满足工作人员白天工作又可满足夜间人员休息需要，让室内人员享受更自由更愉悦的工作环境(图5车身正面示意图)。警务亭配有独立的小型柴油发电机，在没有外接电源的情况下，可确保警务亭正常开展工作。

2 结语

寒地拖挂式警务亭选用专为拖挂式车辆设计的专用底盘，全承载式车身结构，采用高强度专用钢材和多层防腐措施，能有效保证整车强度、刚度和抗腐蚀性能，极大地提升了整车的安全性和使用寿命。警务亭轻量化设计和室内外配装的警用装备及现代化节能办公设备，为警务亭提供了适宜舒适的工作空间。

图5 车身正面示意图Fig.5 Schematic diagram of front body