金曉萍

中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

綠色發(fā)展是構(gòu)建高質(zhì)量現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)體系的必然要求，高速鐵路具有安全可靠、準(zhǔn)時(shí)舒適、載客量高、耗時(shí)少、受天氣影響小等顯著優(yōu)勢(shì)，被譽(yù)為可持續(xù)發(fā)展的綠色交通，因此未來(lái)要大力推進(jìn)能源節(jié)約、綠色低碳方向的統(tǒng)籌發(fā)展。

隨著我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程的逐年快速增加，節(jié)能環(huán)保、提高運(yùn)營(yíng)效能就越發(fā)重要，而列車(chē)的輕量化已成為高速客運(yùn)機(jī)車(chē)車(chē)輛節(jié)能減排的重要手段，目前輕量化平面結(jié)構(gòu)側(cè)墻已被廣泛應(yīng)用于機(jī)車(chē)設(shè)計(jì)[1]，其中輕型材料、材料減重是車(chē)體輕量化設(shè)計(jì)的重要元素。本文所述車(chē)型的側(cè)墻蒙皮材質(zhì)為2mm冷軋鋼板（非輕量化車(chē)型一般為3mm）。

為保證機(jī)車(chē)車(chē)體對(duì)車(chē)內(nèi)設(shè)備形成足夠的支撐作用，車(chē)體在焊接完成后、車(chē)內(nèi)設(shè)備安裝前需要有一定程度的上拱，這就需要對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)體底架和側(cè)墻進(jìn)行一定程度的預(yù)撓[2]。

某輕量化平面?zhèn)葔Y(jié)構(gòu)的動(dòng)力集中型動(dòng)車(chē)，其側(cè)墻蒙皮與底架邊梁為對(duì)接焊縫，即邊梁銑臺(tái)階、側(cè)墻蒙皮搭于邊梁臺(tái)階處，通過(guò)對(duì)接焊縫連接。因此，對(duì)于側(cè)墻與底架撓度的匹配要求相當(dāng)嚴(yán)格。因撓度不匹配會(huì)導(dǎo)致焊縫間隙過(guò)大或過(guò)小，且由于蒙皮板厚為2mm，抗變形能力較弱，所以焊接間隙過(guò)大會(huì)導(dǎo)致焊后蒙皮鼓包變形嚴(yán)重，影響側(cè)墻平面度；焊接間隙過(guò)小則需要切割修配，且由于修配切割也難以保證間隙均勻，所以不僅影響生產(chǎn)效率，而且焊后蒙皮平面度也同樣無(wú)法保證。因此，展開(kāi)對(duì)輕量化平面結(jié)構(gòu)側(cè)墻精準(zhǔn)預(yù)撓的制造工藝研究及應(yīng)用，對(duì)于提高焊接質(zhì)量，提升車(chē)體側(cè)墻平面度，實(shí)現(xiàn)車(chē)體吊裝免修配具有重要意義。

2 側(cè)墻預(yù)撓的理論依據(jù)

車(chē)體主要由底架、側(cè)墻、司機(jī)室、端墻4個(gè)重要大部件組成，側(cè)墻焊接及吊裝工藝中最難的就是控制焊接變形、保證側(cè)墻平面度。

2.1 底架撓度設(shè)置

本文以某動(dòng)力集中型動(dòng)車(chē)為研究對(duì)象，要求車(chē)體吊裝時(shí)兩端枕梁間撓度為10mm，主要通過(guò)枕梁位置和車(chē)體中線(xiàn)位置落差為10mm的工裝（稱(chēng)為駕車(chē)墩）定位，其他位置輔助支撐，輔以拉緊裝置，使底架處于頂拉約束狀態(tài)，形成滿(mǎn)足要求的上拱。

具體實(shí)施：兩枕梁位置駕車(chē)墩為基準(zhǔn)位置，駕車(chē)墩高度尺寸為基準(zhǔn)尺寸，車(chē)體中線(xiàn)位置駕車(chē)墩高度尺寸為基準(zhǔn)尺寸+10mm，其他輔助支撐位置的駕車(chē)墩高度尺寸根據(jù)弧度曲線(xiàn)的理論值參考設(shè)置，如圖1所示。

圖1 車(chē)體吊裝時(shí)架車(chē)墩布置示意

2.2 側(cè)墻撓度設(shè)置

為保證車(chē)體吊裝時(shí)車(chē)體側(cè)墻與底架邊梁對(duì)接焊縫間隙均勻一致、滿(mǎn)足焊接要求，需要側(cè)墻組焊后與底架邊梁對(duì)接的一線(xiàn)具有與底架一致的撓度。由于司機(jī)室占據(jù)了部分底架尺寸，所以側(cè)墻的撓度為非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。

3 側(cè)墻預(yù)撓的工藝實(shí)施

3.1 撓度曲線(xiàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1所示，制定側(cè)墻蒙皮下邊緣的撓度曲線(xiàn)，將車(chē)體中心線(xiàn)處向上偏移10mm得點(diǎn)1，兩枕梁中心線(xiàn)處為點(diǎn)2、點(diǎn)3，以這3點(diǎn)畫(huà)圓弧。以車(chē)體II端最后一個(gè)架車(chē)墩處為點(diǎn)4，然后連接點(diǎn)3和點(diǎn)4，得出II端枕梁到II端最后一個(gè)架車(chē)墩間的撓度曲線(xiàn)。按照側(cè)墻蒙皮高度，將此曲線(xiàn)進(jìn)行等距離復(fù)制，得出側(cè)墻蒙皮上邊緣撓度曲線(xiàn)，蒙皮中間對(duì)接位置仍為直線(xiàn)，如圖2所示。

圖2 側(cè)墻蒙皮分塊及劃線(xiàn)示意

3.2 蒙皮的工藝放量

蒙皮對(duì)接間隙要求2mm，蒙皮對(duì)接縫處設(shè)定位卡，定位卡長(zhǎng)10mm、寬1.7mm（在蒙皮定位焊時(shí)，錘擊會(huì)有輕微間隙產(chǎn)生），以充分保證對(duì)接間隙。同時(shí)考慮到焊縫收縮及裝配誤差，側(cè)墻蒙皮II端放量10mm，I端放量5mm（此處有門(mén)框，尺寸精度要求高）。

3.3 側(cè)墻弦梁的焊接變形矯正

該型動(dòng)車(chē)車(chē)體側(cè)墻的弦梁截面呈矩形（見(jiàn)圖3），由兩塊L形板拼接而成，使用專(zhuān)機(jī)進(jìn)行自動(dòng)焊。施焊過(guò)程為：完成一道焊縫后，專(zhuān)機(jī)翻轉(zhuǎn)180°，二次裝夾，然后焊接另一道焊縫。首節(jié)車(chē)試制時(shí)，完成第一道焊縫松裝夾后弦梁變形近300mm，無(wú)法翻轉(zhuǎn)進(jìn)行二次裝夾，若強(qiáng)行裝夾則存在安全隱患、損傷設(shè)備，且可能導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂。為此，對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化，在完成第一道焊縫后，增加條狀烤火釋放應(yīng)力，待冷卻后松裝夾、翻轉(zhuǎn)180°，然后二次裝夾、焊接第二道焊縫。通過(guò)增加一道烤火工序，控制焊接變形的效果明顯（見(jiàn)圖4），滿(mǎn)足二次裝夾、焊接的要求，保證了弦梁總成的制造精度。

圖3 弦梁截面示意

圖4 應(yīng)力釋放效果

3.4 側(cè)墻組裝

該型動(dòng)車(chē)的車(chē)體側(cè)墻由蒙皮、小骨架（縱梁、橫梁、立柱構(gòu)成）、弦梁總成及入口門(mén)框組成，組裝順序?yàn)閷⒚善さ踔疗脚_(tái)，然后吊入弦梁總成、小骨架及入口門(mén)框。

（1）蒙皮定位組裝 按撓度曲線(xiàn)制作蒙皮定位樣板，樣板同樣設(shè)置并標(biāo)記車(chē)體、門(mén)框中心線(xiàn)作為后工序的安裝定位基準(zhǔn)，樣板的中心線(xiàn)在激光下料時(shí)通過(guò)激光刻線(xiàn)實(shí)現(xiàn)，定位精準(zhǔn)。

將蒙皮按圖2依次吊入平臺(tái)后，首先確保蒙皮上的車(chē)體中心線(xiàn)（激光下料時(shí)刻線(xiàn)）與蒙皮定位樣板中心線(xiàn)重合，然后在保證蒙皮對(duì)接間隙2mm、錯(cuò)變量不超過(guò)0.2mm的標(biāo)準(zhǔn)下實(shí)施定位焊。

（2）弦梁總成定位組裝 弦梁總成組裝時(shí)通過(guò)工裝靠背拉緊弦梁，使弦梁與靠背緊密貼合，實(shí)現(xiàn)弦梁撓度的預(yù)設(shè)。弦梁總成吊入側(cè)墻組裝臺(tái)位前，要在弦梁總成上通過(guò)打樣沖、劃線(xiàn)來(lái)標(biāo)記車(chē)體中心線(xiàn)，吊入弦梁總成時(shí)需保證弦梁總成上的車(chē)體中心線(xiàn)與蒙皮上的車(chē)體中心線(xiàn)重合，偏差不超過(guò)1mm，定位夾緊，保證弦梁外板與工裝靠背緊密貼合，間隙≤1mm，然后對(duì)弦梁總成與蒙皮對(duì)接位置施定位焊。

（3）小骨架定位組裝 為便于對(duì)小骨架進(jìn)行定位，側(cè)墻蒙皮下料時(shí)對(duì)每個(gè)小骨架最右側(cè)立柱位置及單獨(dú)安裝的立柱位置進(jìn)行激光刻線(xiàn)處理（見(jiàn)圖5），同時(shí)在蒙皮組裝樣板上激光劃線(xiàn)門(mén)框中心線(xiàn)，組焊時(shí)就可根據(jù)劃線(xiàn)位置擺放側(cè)墻骨架及門(mén)框，避免組裝尺寸誤差，防呆防錯(cuò)。

圖5 激光刻線(xiàn)骨架輔助定位

4 工藝應(yīng)用情況

通過(guò)工藝優(yōu)化，改善效果非常顯著。該型動(dòng)車(chē)車(chē)體側(cè)墻蒙皮與邊梁的對(duì)接焊縫長(zhǎng)約14m，工藝優(yōu)化后，不僅保證了質(zhì)量，而且對(duì)降低生產(chǎn)時(shí)間、降低員工的勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度的效果也非常顯著。同時(shí)，由于打磨的噪聲對(duì)同空間的所有員工都具有傷害性，所以大幅減少打磨精整的作業(yè)任務(wù)，對(duì)改善員工的作業(yè)環(huán)境也非常必要。

工藝優(yōu)化前，該型動(dòng)車(chē)車(chē)體側(cè)墻蒙皮與邊梁對(duì)接焊縫間隙最大達(dá)10mm以上，需要3～4道焊縫填充，且焊后打磨精整工作量巨大。工藝優(yōu)化后，該位置間隙最大不超過(guò)4mm（見(jiàn)圖6），1道焊縫即可完成填充焊接，側(cè)墻立柱與底架的間隙也能夠很好地滿(mǎn)足焊接要求；每節(jié)臺(tái)的焊接、打磨精整時(shí)間減少3.5h。因?yàn)楹缚p填充由3～4道下降至1道，所以焊接的熱輸入大幅降低，焊后蒙皮板幾乎無(wú)變形，節(jié)約調(diào)平時(shí)間4h。

圖6 側(cè)墻蒙皮與底架邊梁的對(duì)接效果

5 結(jié)束語(yǔ)

輕量化平面?zhèn)葔Y(jié)構(gòu)動(dòng)力集中型動(dòng)車(chē)的車(chē)體側(cè)墻實(shí)施精準(zhǔn)預(yù)撓的制造工藝，提高了裝配精度，減少了焊接、焊后打磨精整的工作量，解決了側(cè)墻蒙皮焊后變形大、調(diào)平困難的難題，節(jié)約了生產(chǎn)制造時(shí)間，降低了員工作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了員工的作業(yè)環(huán)境。此外，本文精準(zhǔn)預(yù)撓工藝的成功案例，對(duì)輕量化鼓形側(cè)墻的制造也具有借鑒意義。