鋁合金80噸級貨車車體制造工藝研究

史紹賢

中鐵工程設計院有限公司，北京 100070

0 引言

高速化、重載化是今后鐵路運輸的發展方向。而鐵道車輛輕量化則是實現高速重載的重要途徑。鋁無疑是輕量化最好的材料。鋁合金是純鋁加入一些合金元素制成的，如鋁—錳合金、鋁—銅合金、鋁—銅—鎂系硬鋁合金、鋁—鋅—鎂—銅系超硬鋁合金。鋁合金比純鋁具有更好的物理力學性能：易加工、耐久性高、適用范圍廣。我們如何理解在可耐強度方面不像碳素纖維有一個最大受力范圍呢？其實，碳素纖維由于具有纖維的特性因此在一定的纖維方向上受力能力比較強，在其他的方向上的受力反而變差。一個比較大的零部件在制造過程中也許會使用好多層碳素纖維，一旦超過受力能力這個零部件就會變得像酥餅似的一層一層的。可是鋁合金在承受了一定的重力之后，會逐漸變形再損壞。

早在20世紀50年代，已有國家采用鋁合金材料來制造鐵路車輛，而中國直到2004年3月才開始鋁合金運煤敞車的生產，但我國鋁合金貨車的設計制造水平，已進入了世界先進行列。我國C80鋁合金運煤敞車較C76型鋼浴盆敞車車體輕了5t，較C63A型敞車輕了19t，在車輛總重不變的情況下，大大提高了車輛有效載重。此外鋁合金運煤敞車還有節省燃料、減少溫室氣體排放、壽命長、腐蝕輕、運營維護費用低等優勢。中國鐵路貨車已經經歷了載重由50噸級向60噸級、60噸級向70噸級的幾次升級換代，正在向80噸級邁進，C80運煤敞車必將在下一次更新換代中迎來更大的發展。

1 鋁合金貨車車體結構特點

鋁合金C80型敞車首次采用鋁合金輕型新材料和雙“浴盆”式鉚焊組合新結構，自重20噸、載重達80噸。該車車體為鋼鋁雙浴盆鉚焊結構，鋼結構之間采用焊接，鋼與鋁、鋁與鋁之間采用鉚接，其鉚接部位均采用HUCK連接器進行連接，主要由底架、側墻、端墻和撐桿等組成。車體鋼結構材料采用屈服強度為450MPa的耐大氣腐蝕鋼；車體鋁型材采用6061－T6（σP0.2≥240MPa），鋁板材采用5083-H321（σP0.2≥215MPa）。該車底架由中梁、側梁、枕梁、端梁、縱橫梁、地板、擋板、浴盆等組成。中梁采用槽型冷彎型鋼與下蓋板、下翼緣等組焊而成，浴盆內部中梁表面采用鋁合金板進行包覆；枕梁為雙腹板箱形變截面結構；側梁采用冷彎槽鋼與鋁型材鉚接結構；采用材料為C級鑄鋼的整體式上心盤（直徑358mm）及整體式沖擊座。側墻由上側梁、側柱和側板等鋁材鉚接而成，上側梁、側柱等梁柱為鋁合金擠壓型材。端墻由上端梁、端柱、角柱和端板等鋁材鉚接而成，其上各梁柱均為鋁合金擠壓型材。為增強兩側墻及側墻與底架之間的連結剛度，車內設有撐桿，撐桿為鋁合金擠壓型材。

2 鋁合金貨車車體制造工藝和設備

2.1 鋁合金C80型敞車車體鉚接工藝

車體的鋁合金件之間及鋁合金件與鋼制零部件之間須采用專用拉鉚釘連接或鋁合金鉚釘鉚接，不得采用熱鉚。

以冷鉚替代熱鉚，以拉鉚釘替代高強度螺栓，是世界鉚接技術史上的一次革命性的改變，使諸多行業各型材料間的鉚接從外型到機理都發生了本質上的突破；哈克拉鉚釘，又稱環槽拉鉚釘或哈克(HUCK)螺栓，拉鉚釘緊固件和傳統的螺栓利用扭力旋轉產生緊固力是不一樣的，拉鉚釘緊固件依靠的是虎克定律原理，在拉鉚釘專用設備單向拉力的作用下，拉伸栓桿推擠套環，擠壓內部光滑的套環至螺桿凹槽形成套環和螺栓百分之百的結合，生成持久性的緊固力。在現實的生產操作中可用于車輛的如下連接：通用棚車和通用敞車的側柱與側梁之間、中梁間、腳凳與前后從板座與側梁間、中梁蓋板和上心盤的連接；前后從板座的安裝；轉向架立柱磨耗板的安裝；搭扣、扶手、繩栓的安裝；端梁與沖擊座的連接等。拉鉚釘安裝工具系統可分為氣動拉鉚設備和液壓拉鉚設備兩大類。氣動拉鉚設備是以壓縮空氣為動力，采用專用拉鉚工具在空氣壓力大于0.6MPa時進行安裝緊固件。拉鉚釘整個緊固過程僅需要5s～8s。液壓拉鉚設備的主要功能是用于對各型金屬合金車體及結構采用的較大直徑以及使用數量大的小型緊固件進行鉚接。液壓站、安裝工具、安裝槍頭及高壓油管組成此套設備。

2.2 鋁合金C80型敞車車體的防電化學腐蝕工藝

鐵路C80型敞車采用了鋁材與鋼材的鉚接結構，這樣的結構會在一定程度上發生電化學腐蝕，是影響車體壽命的一個主要危害。為防止鋼鋁間產生電化學腐蝕現象，須采用防電化腐蝕專用膠帶。該膠帶技術要求如下：使用環境溫度－40℃～＋70℃。在上述溫度范圍內不應降低其絕緣性能，且保持其完整形態，不得產生風化，剝落等現象。正常使用壽命不低于25年。

2.3 鋁合金備料和鉆孔工藝

鋁合金板材采用高壓水切割機和數控激光切割機完成。水射流切割技術又稱超高壓水刀。當水被加壓至很高的壓力并且從特制的噴嘴小開孔（其直徑為0.1mm～0.5mm）通過時, 可產生一道每秒達近千公尺（約音速的3倍）的水箭，此高速水箭可切割各種軟質材料包括食品, 紙張, 紙尿片, 橡膠及泡棉，此種切割被稱為純水切割。 而當少量的砂如石榴砂被加入水射流中與其混合時，所產生之加砂水射流, 實際上可切割任何硬質材料包括金屬, 復合材料, 石材及玻璃。激光切割是利用高功率密度的激光束掃描過材料表面，在極短時間內將材料加熱到幾千至上萬攝氏度，使材料熔化或氣化，再用高壓氣體將熔化或氣化物質從切縫中吹走，達到切割材料的目的；這種方法切割質量好、切割速度快且清潔、安全、無污染的特點。車體制造時的鋁合金備料主要采用高壓水切割機和數控激光切割機完成。

鉆孔工藝主要采用龍門鉆床完成，該設備龍門橫梁上設兩組鉆孔組件，每個組件設四套鉆孔單元和兩個壓緊風缸，沿縱向平行布置，沿橫梁移動。龍門行走設快進和工進，交流伺服電機驅動，旋轉編碼器半封閉控制兩行走機構同步。具有橫向位置激光探測系統，以控制每次鉆孔橫向位置，保證鉆孔位置一致。

2.4 鋁合金涂裝工藝

鋁合金C80型敞車車體根據設計需涂裝部分標識，主要在噴漆烘干室內完成。干式噴漆烘干室采用上送下吸、分段送排風的方式，使過噴漆霧及有機溶劑隨著氣流先經過地坑或折流板，再經過濾棉過濾、活性炭吸附，最后經排風管排至車間外，采用此種方式可延長過濾棉更換周期，降低運行費用，且凈化效率也較高。

若批量比較大，為了提高噴漆效率，保證漆膜質量，減少工作環境污染，可采用集中供漆系統供漆。通過對油漆的集中管理，有利于工廠的防火安全與勞動衛生條件的改善。集中供漆系統采用循環供漆方式，油漆在管路中始終處于循環狀態，油漆不沉淀，粘度及色澤均勻，有利于提高漆膜質量。集中供漆系統容易操作，供漆壓力可由集中供漆室內的背壓閥調節，一個泵可以帶兩支噴槍，通過噴漆室內槍站出口的調壓器可達到油漆壓力的精確控制。

3 結論

重載列車鋁合金車體制造技術在我國具備巨大的發展空間，有著廣闊的發展前景。鐵路重載、快速是鐵路運輸的發展方向，鐵路貨車商業運營速度，快運貨車應達到160km/h；21t～23t軸重鐵路通用貨車應普遍達到120km/h；25t軸重鐵路通用貨車的運營速度應不低于100km/h。由于多軸貨車的發展受到速度的制約，因此我國鐵路通用貨車仍以四軸貨車為主要車輛結構形式，以提高軸重為主來提高車輛載重量，軸重向23t～25t發展。鋁合金材質的重載、快速通用鐵路貨車將具有很大的發展優勢。

重載鋁合金車體制造技術有著廣闊的發展前景，現階段主要采用鉚接的方法制造鋁合金車體，而采用脈沖TIG和MIG焊接技術等離子弧及變極性等離子弧焊接技術等新的焊接方法將是重載鋁合金車體制造技術的重要研究方向。

[1]李星林，等.高速雙絲脈沖MIG焊的研究[J].電力電子技術，2008.

[2]王春山，等.鐵路重載提速貨車技術[M].中國鐵道出版社，2010.

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