車體側墻精準預撓制造工藝研究及應用

金曉萍

中車株洲電力機車有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

綠色發展是構建高質量現代化經濟體系的必然要求，高速鐵路具有安全可靠、準時舒適、載客量高、耗時少、受天氣影響小等顯著優勢，被譽為可持續發展的綠色交通，因此未來要大力推進能源節約、綠色低碳方向的統籌發展。

隨著我國高速鐵路運營里程的逐年快速增加，節能環保、提高運營效能就越發重要，而列車的輕量化已成為高速客運機車車輛節能減排的重要手段，目前輕量化平面結構側墻已被廣泛應用于機車設計[1]，其中輕型材料、材料減重是車體輕量化設計的重要元素。本文所述車型的側墻蒙皮材質為2mm冷軋鋼板（非輕量化車型一般為3mm）。

為保證機車車體對車內設備形成足夠的支撐作用，車體在焊接完成后、車內設備安裝前需要有一定程度的上拱，這就需要對機車車體底架和側墻進行一定程度的預撓[2]。

某輕量化平面側墻結構的動力集中型動車，其側墻蒙皮與底架邊梁為對接焊縫，即邊梁銑臺階、側墻蒙皮搭于邊梁臺階處，通過對接焊縫連接。因此，對于側墻與底架撓度的匹配要求相當嚴格。因撓度不匹配會導致焊縫間隙過大或過小，且由于蒙皮板厚為2mm，抗變形能力較弱，所以焊接間隙過大會導致焊后蒙皮鼓包變形嚴重，影響側墻平面度；焊接間隙過小則需要切割修配，且由于修配切割也難以保證間隙均勻，所以不僅影響生產效率，而且焊后蒙皮平面度也同樣無法保證。因此，展開對輕量化平面結構側墻精準預撓的制造工藝研究及應用，對于提高焊接質量，提升車體側墻平面度，實現車體吊裝免修配具有重要意義。

2 側墻預撓的理論依據

車體主要由底架、側墻、司機室、端墻4個重要大部件組成，側墻焊接及吊裝工藝中最難的就是控制焊接變形、保證側墻平面度。

2.1 底架撓度設置

本文以某動力集中型動車為研究對象，要求車體吊裝時兩端枕梁間撓度為10mm，主要通過枕梁位置和車體中線位置落差為10mm的工裝（稱為駕車墩）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，形成滿足要求的上拱。

具體實施：兩枕梁位置駕車墩為基準位置，駕車墩高度尺寸為基準尺寸，車體中線位置駕車墩高度尺寸為基準尺寸+10mm，其他輔助支撐位置的駕車墩高度尺寸根據弧度曲線的理論值參考設置，如圖1所示。

圖1 車體吊裝時架車墩布置示意

2.2 側墻撓度設置

為保證車體吊裝時車體側墻與底架邊梁對接焊縫間隙均勻一致、滿足焊接要求，需要側墻組焊后與底架邊梁對接的一線具有與底架一致的撓度。由于司機室占據了部分底架尺寸，所以側墻的撓度為非對稱結構。

3 側墻預撓的工藝實施

3.1 撓度曲線設計

根據圖1所示，制定側墻蒙皮下邊緣的撓度曲線，將車體中心線處向上偏移10mm得點1，兩枕梁中心線處為點2、點3，以這3點畫圓弧。以車體II端最后一個架車墩處為點4，然后連接點3和點4，得出II端枕梁到II端最后一個架車墩間的撓度曲線。按照側墻蒙皮高度，將此曲線進行等距離復制，得出側墻蒙皮上邊緣撓度曲線，蒙皮中間對接位置仍為直線，如圖2所示。

圖2 側墻蒙皮分塊及劃線示意

3.2 蒙皮的工藝放量

蒙皮對接間隙要求2mm，蒙皮對接縫處設定位卡，定位卡長10mm、寬1.7mm（在蒙皮定位焊時，錘擊會有輕微間隙產生），以充分保證對接間隙。同時考慮到焊縫收縮及裝配誤差，側墻蒙皮II端放量10mm，I端放量5mm（此處有門框，尺寸精度要求高）。

3.3 側墻弦梁的焊接變形矯正

該型動車車體側墻的弦梁截面呈矩形（見圖3），由兩塊L形板拼接而成，使用專機進行自動焊。施焊過程為：完成一道焊縫后，專機翻轉180°，二次裝夾，然后焊接另一道焊縫。首節車試制時，完成第一道焊縫松裝夾后弦梁變形近300mm，無法翻轉進行二次裝夾，若強行裝夾則存在安全隱患、損傷設備，且可能導致焊縫開裂。為此，對工藝進行優化，在完成第一道焊縫后，增加條狀烤火釋放應力，待冷卻后松裝夾、翻轉180°，然后二次裝夾、焊接第二道焊縫。通過增加一道烤火工序，控制焊接變形的效果明顯（見圖4），滿足二次裝夾、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 應力釋放效果

3.4 側墻組裝

該型動車的車體側墻由蒙皮、小骨架（縱梁、橫梁、立柱構成）、弦梁總成及入口門框組成，組裝順序為將蒙皮吊至平臺，然后吊入弦梁總成、小骨架及入口門框。

（1）蒙皮定位組裝 按撓度曲線制作蒙皮定位樣板，樣板同樣設置并標記車體、門框中心線作為后工序的安裝定位基準，樣板的中心線在激光下料時通過激光刻線實現，定位精準。

將蒙皮按圖2依次吊入平臺后，首先確保蒙皮上的車體中心線（激光下料時刻線）與蒙皮定位樣板中心線重合，然后在保證蒙皮對接間隙2mm、錯變量不超過0.2mm的標準下實施定位焊。

（2）弦梁總成定位組裝 弦梁總成組裝時通過工裝靠背拉緊弦梁，使弦梁與靠背緊密貼合，實現弦梁撓度的預設。弦梁總成吊入側墻組裝臺位前，要在弦梁總成上通過打樣沖、劃線來標記車體中心線，吊入弦梁總成時需保證弦梁總成上的車體中心線與蒙皮上的車體中心線重合，偏差不超過1mm，定位夾緊，保證弦梁外板與工裝靠背緊密貼合，間隙≤1mm，然后對弦梁總成與蒙皮對接位置施定位焊。

（3）小骨架定位組裝 為便于對小骨架進行定位，側墻蒙皮下料時對每個小骨架最右側立柱位置及單獨安裝的立柱位置進行激光刻線處理（見圖5），同時在蒙皮組裝樣板上激光劃線門框中心線，組焊時就可根據劃線位置擺放側墻骨架及門框，避免組裝尺寸誤差，防呆防錯。

圖5 激光刻線骨架輔助定位

4 工藝應用情況

通過工藝優化，改善效果非常顯著。該型動車車體側墻蒙皮與邊梁的對接焊縫長約14m，工藝優化后，不僅保證了質量，而且對降低生產時間、降低員工的勞動作業強度的效果也非常顯著。同時，由于打磨的噪聲對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任務，對改善員工的作業環境也非常必要。

工藝優化前，該型動車車體側墻蒙皮與邊梁對接焊縫間隙最大達10mm以上，需要3～4道焊縫填充，且焊后打磨精整工作量巨大。工藝優化后，該位置間隙最大不超過4mm（見圖6），1道焊縫即可完成填充焊接，側墻立柱與底架的間隙也能夠很好地滿足焊接要求；每節臺的焊接、打磨精整時間減少3.5h。因為焊縫填充由3～4道下降至1道，所以焊接的熱輸入大幅降低，焊后蒙皮板幾乎無變形，節約調平時間4h。

圖6 側墻蒙皮與底架邊梁的對接效果

5 結束語

輕量化平面側墻結構動力集中型動車的車體側墻實施精準預撓的制造工藝，提高了裝配精度，減少了焊接、焊后打磨精整的工作量，解決了側墻蒙皮焊后變形大、調平困難的難題，節約了生產制造時間，降低了員工作業勞動強度，改善了員工的作業環境。此外，本文精準預撓工藝的成功案例，對輕量化鼓形側墻的制造也具有借鑒意義。