懸掛式空鐵列車車體制造工藝研究

梁連杰 童玉鵬 金文濤 王紅波 周祿軍

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇 南京 210031)

懸掛式空鐵列車屬于單軌交通系統(tǒng)，是一種中低運(yùn)量的城市軌道交通類型，主要用于高鐵、城際鐵路、長途汽車站、機(jī)場、碼頭之間聯(lián)絡(luò)線，旅游區(qū)、主題樂園等往返線以及景點(diǎn)間連接線[1]。懸掛式空鐵列車具有建設(shè)成本較低，安全性高，占地少，空間適應(yīng)性強(qiáng)以及綠色環(huán)保、噪聲低、環(huán)境協(xié)調(diào)性好等特點(diǎn)[2]。懸掛式空鐵列車的制造技術(shù)在我國尚屬開始階段，列車車體的制造是復(fù)雜而系統(tǒng)的工程，因此對其車體的制造工藝方法進(jìn)行分析及優(yōu)化能夠有效地提高車體質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，為后續(xù)項(xiàng)目的執(zhí)行提供經(jīng)驗(yàn)。

1 懸掛式空鐵列車車體結(jié)構(gòu)

車體采用輕量化設(shè)計(jì)，采用大型中空鋁合金擠壓型材組焊成整體的殼體承載結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足EN 12663要求。車體主要由底架、側(cè)墻、車頂、端墻、司機(jī)室及零件等模塊組成，各模塊之間采用焊接的方式組成一個(gè)整體，車體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 懸掛式空鐵車體結(jié)構(gòu)

2 懸掛式空鐵列車車體制造工藝

2.1 底架制造工藝

底架作為最重要的部件之一，主要承擔(dān)著垂向載荷，由3塊鋁合金平地板和2根底架邊梁構(gòu)成。邊梁與邊梁、邊梁與地板之間均采用插接形式組裝，組裝后采用IGM自動焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接，底架的制造工藝流程如下：(1)底架型材反裝組裝；(2)底架反面定位焊；(3)底架由反裝翻轉(zhuǎn)為正裝；(4)底架正面定位焊；(5)底架正面焊縫滿焊及探傷；(6)底架由正裝翻轉(zhuǎn)為反裝；(7)底架反面焊縫滿焊及探傷；(8)底架端梁組焊及零件組焊；(9)底架調(diào)修及交檢。

根據(jù)底架邊梁和地板的結(jié)構(gòu)，采用反裝組裝有利于控制底架寬度與焊接間隙，保證焊接質(zhì)量。底架焊接后要保證地板橫向上撓0～3 mm，焊接變形的方向主要為焊縫橫向收縮，如何利用后一道焊縫收縮應(yīng)力，使之與前一道焊縫的收縮應(yīng)力相抵消是制定合理焊接順序的依據(jù)。在底架焊接過程中，正面和反面焊縫均采用由兩側(cè)向中心焊接的順序，即先焊接焊縫1與焊縫4，再焊接焊縫2和焊縫3，兩側(cè)的第2道焊縫會抵消第1道的橫向應(yīng)力，如圖2所示。如采用中心向兩側(cè)焊接，中心焊縫焊后向下變形，兩側(cè)焊接繼續(xù)帶動中心焊縫向下變形，就會形成“大鍋底”狀態(tài)。

圖2 底架正、反裝組焊示意圖

底架端梁組焊是完成底架與端梁的組裝和焊接，需在工裝剛性固定的前提下進(jìn)行端梁的組裝與定位焊作業(yè)，如圖3所示。底架端梁組裝質(zhì)量是底架交車尺寸保證的關(guān)鍵，在組裝時(shí)應(yīng)注意各尺寸的測量，如：底架長度、底架寬度及底架對角線差。為控制端梁組焊后的平面度，在端梁組裝時(shí)須增加工藝撐桿對端梁進(jìn)行反變形操作，端梁中部往外2～3 mm。反變形法是在構(gòu)件未焊前，先將構(gòu)件預(yù)制成人為的變形，使其變形方向與焊接引起的變形相反，則焊后構(gòu)件的變形和預(yù)制變形相互抵消，達(dá)到構(gòu)件變形減小或消除焊接變形[3]。底架端梁與地板正面焊縫為對接全熔透焊縫，反面焊縫為卷邊角焊縫，焊縫長度較長，正反面焊縫焊接時(shí)均從車中往兩側(cè)焊接，先焊接反面焊縫后焊接正面焊縫，并采用分段跳焊的方式減少焊接變形量，如圖3所示。

圖3 端梁組焊順序示意圖

2.2 側(cè)墻制造工藝

空鐵列車的側(cè)墻為兩側(cè)對稱結(jié)構(gòu)，單側(cè)側(cè)墻由1個(gè)側(cè)墻大模塊、1個(gè)中模塊和1個(gè)小模塊組成，每個(gè)模塊均由側(cè)墻立柱和橫梁組焊而成，結(jié)構(gòu)較為簡單。側(cè)墻立柱采用焊接性能和力學(xué)性能優(yōu)良的6005A-T6鋁合金擠壓型材，并對型材進(jìn)行了一定的拉彎處理，以滿足輪廓度要求。

側(cè)墻模塊焊接主要是完成立柱與橫梁的焊接，每個(gè)側(cè)墻模塊以反裝狀態(tài)組裝，通過工裝的輪廓匹配側(cè)墻立柱的輪廓，由于橫梁及立柱的剛性較小，采用剛性固定的方法減小焊接變形，防止立柱發(fā)生扭曲變形。良好的焊接位置可以提高焊縫的質(zhì)量，通過借助翻轉(zhuǎn)變位機(jī)，使側(cè)墻立柱與橫梁的焊縫位置均為PA或PB位置。側(cè)墻制造工藝流程如下：(1)側(cè)墻立柱型材與橫梁反裝組裝；(2)立柱與橫梁反面焊縫滿焊；(3)側(cè)墻骨架由反裝翻轉(zhuǎn)為正裝；(4)立柱與橫梁正面焊縫滿焊；(5)側(cè)墻模塊調(diào)修、探傷及交檢。

側(cè)墻模塊制造時(shí)須重點(diǎn)保證側(cè)墻的寬度、立柱的外輪廓度以及模塊的對角差等尺寸。立柱輪廓度影響車體總成后的車體寬度及車輛總裝落成后的限界，模塊對角差影響玻璃的安裝以及車體總成時(shí)的車門相關(guān)尺寸。

2.3 端墻制造工藝

端墻由3塊鋁合金擠壓型材和2個(gè)補(bǔ)強(qiáng)門角拼焊而成，結(jié)構(gòu)較為簡單。由于正反均為平面，端墻組焊在多孔平臺上生產(chǎn)，采用先反裝后正裝，再焊門角，焊后打磨，保證門的高度、寬度及對角差和端墻外表面的平面度。端墻組焊工藝流程如下：(1)端墻上墻板與側(cè)部板反裝組裝；(2)反面焊縫定位焊滿焊；(3)端墻由反裝翻轉(zhuǎn)為正裝；(4)正面焊縫定位焊與滿焊；(5)端墻門角組焊；(6)端墻調(diào)修、探傷及交檢。

端墻生產(chǎn)過程中，需利用撐桿對門寬及門對角差進(jìn)行控制，并利用壓緊裝置壓緊墻板，保證端墻的平面度，特別是后續(xù)安裝貫通道位置的端墻平面度。端墻補(bǔ)強(qiáng)門角位置的焊縫交叉為應(yīng)力集中區(qū)域，焊后打磨應(yīng)對焊縫拐角位置修磨成圓滑過渡。

2.4 車頂制造工藝

由于懸掛式空鐵列車是車體吊掛在轉(zhuǎn)向架下方運(yùn)行，車體與轉(zhuǎn)向架間用高強(qiáng)度鉚釘鉚接的懸吊機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接，因此車頂是與轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵接口，尤其是牽枕緩。該車牽枕緩結(jié)構(gòu)相對于其他A、B型鋁合金牽枕緩進(jìn)行了簡化，枕梁、車鉤梁均為一次擠壓成型的型材，大幅減少了焊接工作量及變形。車頂?shù)慕M焊工藝流程如下：(1)牽枕緩與車頂邊梁反裝組裝；(2)車頂橫梁反裝組裝；(3)車頂反面焊縫焊接；(4)車頂由反裝狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為正裝狀態(tài)；(5)車頂正面焊縫焊接；(6)車頂零件組焊；(7)車頂探傷及交檢。

為控制牽枕緩的整體平面度，車頂采取反裝組裝的方式，以牽枕緩的枕梁機(jī)加工面為基準(zhǔn)面，通過工裝約束進(jìn)行邊梁、橫梁的定位組裝，在完成反面焊縫焊接后，將車頂翻轉(zhuǎn)變?yōu)檎b狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 車頂正、反裝組焊示意圖

車頂?shù)闹饕缚p是牽枕緩與車頂邊梁的連接焊縫，由于此處的焊縫比較密集，部分焊縫的焊接位置不良，焊接拐角較多，極易出現(xiàn)氣孔、裂紋等焊接缺陷，對焊工的技能要求較高。焊接時(shí)先焊接立向焊縫再焊接水平長直焊縫，避免在拐角處起收弧，枕梁與車頂邊梁焊接順序如圖5所示。

圖5 枕梁與車頂邊梁焊接順序示意圖

此處焊后引起的橫向收縮比較大，因此在焊前需要用工藝撐桿撐緊車頂邊梁，以防焊后橫向收縮引起邊梁扭曲變形。枕梁與車頂邊梁連接處的焊縫極為重要，其質(zhì)量好壞直接關(guān)系到行車安全，因此在焊后需進(jìn)行無損探傷，確保內(nèi)部無焊接缺陷。

2.5 車體總成制造工藝

車體總成是將底架、側(cè)墻、車頂、端墻以及司機(jī)室等各個(gè)部件組裝和焊接為一個(gè)整體。空鐵列車車體制造工藝流程如圖6所示。

圖6 車體制造工藝流程圖

與A、B型鋁合金地鐵相比，空鐵列車車體長度較短，車體的剛度較大，車體不設(shè)撓度。由于車體為懸掛式，為保證車頂枕梁的平面度，車體總成時(shí)以反裝狀態(tài)組裝和焊接，如圖7所示。

圖7 車體總成組焊圖

車體各部件組裝后，通過工藝撐桿對車體寬度、高度、對角線差以及門區(qū)的相關(guān)尺寸等進(jìn)行控制，防止焊接變形造成尺寸超差。另外，在端墻組裝時(shí)，還需要進(jìn)行一定的反變形處理。車體總成部件間的焊接，要先焊接側(cè)墻立柱與底架、車頂?shù)膬?nèi)部焊縫，再焊接側(cè)墻立柱與底架、車頂?shù)耐獠亢缚p，焊接時(shí)均采用從中間向兩端，對稱焊接的方式。先進(jìn)行車體內(nèi)部焊縫的焊接，車體向內(nèi)產(chǎn)生橫向焊接收縮，不至于車體焊后側(cè)墻外翻，導(dǎo)致車體寬度超差。

端墻外部和內(nèi)部焊縫的焊接，先焊接外部焊縫后焊接內(nèi)部焊縫，使端墻焊接后呈外倒?fàn)顟B(tài)，有利于后續(xù)兩車輛間的貫通道連掛和密封。

由于端墻的板厚僅為2.7 mm，板厚較薄，與車頂及底架的連接為對接橫焊焊縫，焊接時(shí)需嚴(yán)格控制焊接熱輸入，防止過燒現(xiàn)象。端墻與側(cè)墻立柱為搭接立向上焊縫焊接，焊接時(shí)進(jìn)行分段焊接，減少焊接變形，保證端墻板的平面度不大于2 mm/2 m。鋁合金焊接變形與材料本身剛度、焊接結(jié)構(gòu)是否合理、防止焊接變形的約束力大小、焊接電流大小、焊接速度快慢、冷卻方式等很多因素有關(guān)，任意改變其中一項(xiàng)則焊接變形隨之改變。所以，焊接變形大小很難用理論公式計(jì)算出來，只能通過大量的焊接試驗(yàn)總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)數(shù)值及合理的焊接順序來加以控制。

空鐵列車車體以反裝狀態(tài)完成焊接后，通過翻轉(zhuǎn)變位設(shè)備將整個(gè)車體翻轉(zhuǎn)為正裝狀態(tài)(見圖8)。翻轉(zhuǎn)需利用合理的工裝對車體進(jìn)行約束，并控制翻轉(zhuǎn)速度，保證翻轉(zhuǎn)變位設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的同步性，防止翻轉(zhuǎn)過程中的車體扭曲變形。

圖8 整車翻轉(zhuǎn)過程圖

3 結(jié)論

通過對懸掛式空鐵列車結(jié)構(gòu)及制造工藝方法進(jìn)行分析，為同類產(chǎn)品制造工藝方法提供了技術(shù)指導(dǎo)。特別是整車翻轉(zhuǎn)工藝為首次使用，是否需要整車翻轉(zhuǎn)還需要根據(jù)車體結(jié)構(gòu)及工藝水平、工裝設(shè)備情況進(jìn)行整體考慮。目前，首列新能源懸掛式空鐵列車已完成交付并進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)的驗(yàn)證工作，后續(xù)項(xiàng)目的空鐵列車也在加緊制造過程中。