軌道交通整體承載式鋁合金車輛車體撓度的預制方法及試驗研究

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務部， 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，會受到車內及車外的設備質量以及乘客質量的垂向載荷的作用，產生垂向位移。該位移的大小受到垂向載荷的質量、分布位置，以及車輛車體設計結構的影響。

減小該垂向載荷下的位移對車輛的影響，在車體制造時，會預先對車體進行反向位移預制(亦稱“預制撓度”)，即通過焊接過程中熱和力的作用，使車體制造時在垂向產生一個均勻分布的塑性變形，該變形量能夠抵消后續車輛整備、載客及運行后產生的垂向位移，如圖1所示。本文以鋁合金車輛實際制造為例，詳細分析研究了車體撓度的預制原理與方法，以及車輛整備及載客后的撓度變化。

a) 無預制撓度的車輛垂向位移

1 軌道交通車輛車體撓度試驗原理

本文選取整體承載式鋁合金車輛的多個車體，并對其進行抵抗垂向載荷作用下位移的反向位移預制，該方向位移預制稱為車體撓度預制。車體制造完工后，對車輛整備及其載客工況進行試驗，獲得車體垂向位移，即撓度回彈數據，并對其進行分析。

車體結構主要由底架、側墻、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構示意圖Fig.2 Diagram of car body structure of the integral load-bearing aluminum alloy vehicle

車體撓度的預制原理是通過在組焊前對工裝夾具進行撓度設定而成。工裝在進行撓度預制時，首先將部件裝夾至設定的理論撓度，在車體產生彈性變形后通過焊接熱作用轉化為塑性變形，同時在焊接過程中車體還會產生反方向的焊接變形，焊接完畢后車體則會呈現出部分預制撓度值的回彈，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

2 車體撓度預制試驗方法

本試驗預先對車輛三維模型進行垂向加載仿真計算，根據得到的車體位移量的上限值，結合制造經驗將整車的理論撓度預設為12～17 mm。根據車體的結構組成以及大量的車體組焊制造數據得知，欲得到車體組焊后的最終撓度值，需要在側墻單件組焊以及加工時預制撓度值，然后在大部件拼焊時再次進行撓度預制，而后經過火焰調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墻單件組焊、側墻加工、車體總組成組焊、車體總組成調修等4個環節進行試驗與數據跟蹤，獲得車體撓度值的變化機理與結論。

本試驗中車體側墻單件組焊時的預制撓度取18 mm，其加工時的預制撓度取17 mm，其示意見圖4。車體總組成組焊時的預制撓度取20 mm，其示意見圖5，且在組焊出胎后對車體進行尺寸調修。車體每步組焊完工后，使用萊卡全站儀對車體進行一次尺寸檢測，最終獲得車體撓度數據。車體撓度測量位置如圖6所示。

圖4 側墻組焊與加工撓度預制示意圖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

車體制造完工后進行整備，安裝牽引設備、制動設備、空調設備及內飾設備，采用砝碼加載模擬乘客質量。根據文獻[2]中5.4.3條“特殊設計載荷與結構失效載荷之間應預留必要的安全裕度”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行測量，測量位置如圖7所示。其中，V1與V2為車體兩側邊梁在長度中心的位移值，V101、V102、V201、V202分別為車體邊梁在轉向架中心的位移值。因對車體加載垂向載荷時，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行撓度尺寸測量，最終獲得車體測量數據。

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

3 車體撓度預制試驗和垂向加載試驗結果分析

3.1 車體撓度預制試驗結果分析

如圖8所示，車體側墻單件工裝預制撓度為18 mm的條件下，組焊后側墻單件撓度為16.9～18.0 mm。如圖9所示，側墻加工工裝預制撓度為17 mm的條件下，加工后側墻單件撓度為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，經再一次的火焰調修后車體的撓度值最終下降至12.8～15.2 mm。

圖8 車體側墻單件組焊后撓度值Fig.8 Deflection value of car body side wall after welding

圖9 車體側墻單件加工后的撓度值Fig.9 Deflection value of car body side wall after cutting

試驗結果表明，車體總組成組焊之前工裝預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；側墻單件撓度損失較小，損失值約為1 mm，這是因為側墻焊接變形與撓度預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?。卉圀w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制的反方向，撓度預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 車體經火焰調修后的撓度值Fig.11 Deflection value of car body after flame adjustment

火焰調修后通過火焰加熱作用再一次產生熱變形，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制會對車體尺寸產生影響，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行一次調修，將車體尺寸調修至合理的公差帶范圍內，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。因此，為便于后續工序的施工，在車體工序能夠保證撓度在設計范圍的基礎上應適當降低其撓度值。

3.2 車體垂向加載試驗結果分析

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。從實際的加載結果可以看出，車體預制的撓度值完全能夠滿足設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

4 結論

1) 為抵抗整體承載式鋁合金車輛受自身設備載重和乘客載重而產生的位移，需要在車體組焊時進行撓度預制。車體撓度預制方法主要是在車體組焊各工步中對工裝進行撓度預設，利用工裝夾緊力和焊接熱作用產生塑性變形而得到。

2) 由于不同組焊工步時焊接后回彈量不同，導致車體的預設撓度也不同，故應在車體焊接前將回彈量加入預設撓度值中。經反復組焊試驗，整體承載式鋁合金車輛側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修后的回彈量為4.8～7.2 mm。故在車體組焊前預設撓度時，將此回彈量加入工裝預設撓度之中。在同類鋁合金軌道車輛制造過程中，均可參照此方法進行撓度預制。

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，證明車體撓度的預制可以有效抵抗垂向載荷產生的位移，使車輛運行過程中不會發生下凹變形。