曲 雙 王亞男 鮑洪陽
(中車長春軌道客車股份有限公司城鐵客車業(yè)務(wù)部, 130062, 長春∥第一作者, 正高級工程師)
軌道交通整體承載式鋁合金車輛在靜止和運行過程中,會受到車內(nèi)及車外的設(shè)備質(zhì)量以及乘客質(zhì)量的垂向載荷的作用,產(chǎn)生垂向位移。該位移的大小受到垂向載荷的質(zhì)量、分布位置,以及車輛車體設(shè)計結(jié)構(gòu)的影響。
減小該垂向載荷下的位移對車輛的影響,在車體制造時,會預(yù)先對車體進(jìn)行反向位移預(yù)制(亦稱“預(yù)制撓度”),即通過焊接過程中熱和力的作用,使車體制造時在垂向產(chǎn)生一個均勻分布的塑性變形,該變形量能夠抵消后續(xù)車輛整備、載客及運行后產(chǎn)生的垂向位移,如圖1所示。本文以鋁合金車輛實際制造為例,詳細(xì)分析研究了車體撓度的預(yù)制原理與方法,以及車輛整備及載客后的撓度變化。
a) 無預(yù)制撓度的車輛垂向位移
本文選取整體承載式鋁合金車輛的多個車體,并對其進(jìn)行抵抗垂向載荷作用下位移的反向位移預(yù)制,該方向位移預(yù)制稱為車體撓度預(yù)制。車體制造完工后,對車輛整備及其載客工況進(jìn)行試驗,獲得車體垂向位移,即撓度回彈數(shù)據(jù),并對其進(jìn)行分析。
車體結(jié)構(gòu)主要由底架、側(cè)墻、車頂和端墻組焊而成,如圖2所示。
圖2 軌道交通整體承載式鋁合金車輛車體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of car body structure of the integral load-bearing aluminum alloy vehicle
車體撓度的預(yù)制原理是通過在組焊前對工裝夾具進(jìn)行撓度設(shè)定而成。工裝在進(jìn)行撓度預(yù)制時,首先將部件裝夾至設(shè)定的理論撓度,在車體產(chǎn)生彈性變形后通過焊接熱作用轉(zhuǎn)化為塑性變形,同時在焊接過程中車體還會產(chǎn)生反方向的焊接變形,焊接完畢后車體則會呈現(xiàn)出部分預(yù)制撓度值的回彈,該回彈值即為車體制造的真實撓度,如圖3所示。
圖3 軌道交通整體承載式鋁合金車輛車體撓度預(yù)制與回彈原理示意圖Fig.3 Diagram of the car body deflection prefabrication and springback principle of the integral load-bearing aluminum alloy vehicle
本試驗預(yù)先對車輛三維模型進(jìn)行垂向加載仿真計算,根據(jù)得到的車體位移量的上限值,結(jié)合制造經(jīng)驗將整車的理論撓度預(yù)設(shè)為12~17 mm。根據(jù)車體的結(jié)構(gòu)組成以及大量的車體組焊制造數(shù)據(jù)得知,欲得到車體組焊后的最終撓度值,需要在側(cè)墻單件組焊以及加工時預(yù)制撓度值,然后在大部件拼焊時再次進(jìn)行撓度預(yù)制,而后經(jīng)過火焰調(diào)修整車外形與尺寸之后,得到最終的車體撓度值。通過對多個車體的側(cè)墻單件組焊、側(cè)墻加工、車體總組成組焊、車體總組成調(diào)修等4個環(huán)節(jié)進(jìn)行試驗與數(shù)據(jù)跟蹤,獲得車體撓度值的變化機理與結(jié)論。
本試驗中車體側(cè)墻單件組焊時的預(yù)制撓度取18 mm,其加工時的預(yù)制撓度取17 mm,其示意見圖4。車體總組成組焊時的預(yù)制撓度取20 mm,其示意見圖5,且在組焊出胎后對車體進(jìn)行尺寸調(diào)修。車體每步組焊完工后,使用萊卡全站儀對車體進(jìn)行一次尺寸檢測,最終獲得車體撓度數(shù)據(jù)。車體撓度測量位置如圖6所示。
圖4 側(cè)墻組焊與加工撓度預(yù)制示意圖Fig.4 Diagram of side wall assembly welding and processing deflection prefabrication
圖5 車體總組成組焊撓度預(yù)制示意圖Fig.5 Diagram of overall car body assembly welding deflection prefabrication
注:1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11為測量點。圖6 車體撓度測量位置示意圖Fig.6 Diagram of car body deflection measurement positions
車體制造完工后進(jìn)行整備,安裝牽引設(shè)備、制動設(shè)備、空調(diào)設(shè)備及內(nèi)飾設(shè)備,采用砝碼加載模擬乘客質(zhì)量。根據(jù)文獻(xiàn)[2]中5.4.3條“特殊設(shè)計載荷與結(jié)構(gòu)失效載荷之間應(yīng)預(yù)留必要的安全裕度”的要求,本文計算超員極限工況。加載時使用位移計對車體位移進(jìn)行測量,測量位置如圖7所示。其中,V1與V2為車體兩側(cè)邊梁在長度中心的位移值,V101、V102、V201、V202分別為車體邊梁在轉(zhuǎn)向架中心的位移值。因?qū)圀w加載垂向載荷時,車體會整體向下移動,故其撓度變化的計算公式為(V1+V2)-(V101+V102+V201+V202)/4。同時使用萊卡全站儀進(jìn)行撓度尺寸測量,最終獲得車體測量數(shù)據(jù)。
圖7 車體在垂向載荷作用下的位移測量示意圖Fig.7 Diagram of car body vertical load displacement measuring points
如圖8所示,車體側(cè)墻單件工裝預(yù)制撓度為18 mm的條件下,組焊后側(cè)墻單件撓度為16.9~18.0 mm。如圖9所示,側(cè)墻加工工裝預(yù)制撓度為17 mm的條件下,加工后側(cè)墻單件撓度為15.6~17.5 mm。如圖10所示,車體總組成組焊工裝預(yù)制撓度為20 mm的條件下,組焊后車體撓度為14.4~18.5 mm。如圖11所示,經(jīng)再一次的火焰調(diào)修后車體的撓度值最終下降至12.8~15.2 mm。
圖8 車體側(cè)墻單件組焊后撓度值Fig.8 Deflection value of car body side wall after welding
圖9 車體側(cè)墻單件加工后的撓度值Fig.9 Deflection value of car body side wall after cutting
試驗結(jié)果表明,車體總組成組焊之前工裝預(yù)制撓度可以使完工后的部件形成趨勢一致的塑性變形,但由于焊接變形的作用力,焊接完工后車體的實際撓度值會有不同程度的損失;側(cè)墻單件撓度損失較小,損失值約為1 mm,這是因為側(cè)墻焊接變形與撓度預(yù)制方向并非焊接變形的反方向,故焊接變形對車體撓度損失的影響較??;車體總組成組焊后撓度損失較大,損失值約為1.5~5.5 mm,這是因為車體總組成組焊時整車的焊接變形方向為撓度預(yù)制的反方向,撓度預(yù)制與焊接變形互為反作用力。
圖10 車體總組成組焊后的撓度值Fig.10 Deflection value of car body assembly after welding
圖11 車體經(jīng)火焰調(diào)修后的撓度值Fig.11 Deflection value of car body after flame adjustment
火焰調(diào)修后通過火焰加熱作用再一次產(chǎn)生熱變形,從而降低車體撓度值約1.6~3.3 mm。這種熱變形之所以會降低而非增加是有一定的原因:火焰調(diào)修是為了使焊接后的車體更接近理論尺寸范圍,滿足車輛使用的公差要求。因為理論上撓度的預(yù)制會對車體尺寸產(chǎn)生影響,實際證明如此。以車體門口對角線為例,車體撓度為17.0 mm時,車體門口會產(chǎn)生變形,對角線尺寸差值為6.7 mm,使得車門的安裝變得困難。故車體總組成組焊出胎后需進(jìn)行一次調(diào)修,將車體尺寸調(diào)修至合理的公差帶范圍內(nèi),讓其在保證撓度需求的同時,各個尺寸均能夠在需求的公差范圍之內(nèi)。因此,為便于后續(xù)工序的施工,在車體工序能夠保證撓度在設(shè)計范圍的基礎(chǔ)上應(yīng)適當(dāng)降低其撓度值。
表1為超員極限工況下的車體垂向位移。由表1可見,通過測量得到的各車體垂向位移為9.5~11.4 mm。圖12為各車體在垂向荷載作用下的撓度值。由圖12可見,車體測量撓度值為1.9~5.4 mm。從實際的加載結(jié)果可以看出,車體預(yù)制的撓度值完全能夠滿足設(shè)備載重和超員的極限工況,使車輛在運行時不會因為垂向位移而發(fā)生車輛下凹的問題,保證了此工況下的安全需求。
表1 超員極限工況下的車體垂向位移Tab.1 Vertical displacement of car body under extreme overload conditions
圖12 超員極限工況下的車體撓度值Fig.12 Deflection value of car body under extreme overload conditions
1) 為抵抗整體承載式鋁合金車輛受自身設(shè)備載重和乘客載重而產(chǎn)生的位移,需要在車體組焊時進(jìn)行撓度預(yù)制。車體撓度預(yù)制方法主要是在車體組焊各工步中對工裝進(jìn)行撓度預(yù)設(shè),利用工裝夾緊力和焊接熱作用產(chǎn)生塑性變形而得到。
2) 由于不同組焊工步時焊接后回彈量不同,導(dǎo)致車體的預(yù)設(shè)撓度也不同,故應(yīng)在車體焊接前將回彈量加入預(yù)設(shè)撓度值中。經(jīng)反復(fù)組焊試驗,整體承載式鋁合金車輛側(cè)墻組焊與加工撓度的回彈量小于2.5 mm,車體總組成組焊與火焰調(diào)修后的回彈量為4.8~7.2 mm。故在車體組焊前預(yù)設(shè)撓度時,將此回彈量加入工裝預(yù)設(shè)撓度之中。在同類鋁合金軌道車輛制造過程中,均可參照此方法進(jìn)行撓度預(yù)制。
3) 車輛整備和超員加載試驗后車輛垂向位移為9.95~11.14 mm,車體剩余撓度為2.80~5.05 mm,證明車體撓度的預(yù)制可以有效抵抗垂向載荷產(chǎn)生的位移,使車輛運行過程中不會發(fā)生下凹變形。