不銹鋼地鐵車體側(cè)墻制造工藝改進(jìn)策略

韓俊偉 賈偉男 李旸 張帥 袁冬

【摘要】隨著國內(nèi)外城市軌道交通的迅速發(fā)展，軌道車輛也迅速發(fā)展。 不銹鋼地鐵車輛以其無漆，低維護(hù)，輕量化，耐老化，耐腐蝕和耐磨等優(yōu)良特性，已成為中國地鐵乘用車的未來發(fā)展方向。

本文提出了一種優(yōu)化地鐵車身側(cè)墻生產(chǎn)工藝的方法，將I-DEAS有限元分析引入生產(chǎn)工藝，充分利用數(shù)據(jù)計(jì)算和分析的優(yōu)勢，并結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測試來提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。在整個(gè)車身制造過程中，可以使用此方法找到問題分析的對(duì)策。

【關(guān)鍵詞】地鐵 ?側(cè)墻制造;工藝優(yōu)化;有限元分析

1 不銹鋼車體鋼結(jié)構(gòu)的基本介紹

本文以越南線車輛為例說明車體結(jié)構(gòu)形式，車體斷面及車體鋼結(jié)構(gòu)圖如圖1、圖2所示。越南線車體全長： 間車體為19米，帶司機(jī)室車體為 19.5米;車體最大寬度為2.8米 。車體呈鼓形，車體鋼結(jié)構(gòu)采用薄壁、筒型整體承載結(jié)構(gòu)，由底架、側(cè)墻、端墻、車頂組成，各部件是由柱、梁相互聯(lián)接起來的骨架與其上面所焊接的外板組成，車體剛度由整個(gè)車體結(jié)構(gòu)來保持[1]。

不銹鋼車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式多采用搭接方式，并使用連接件過渡;結(jié)構(gòu)件所采用的板厚減薄，僅滿足強(qiáng)度要求即可，不必再保留腐蝕量。 車體由底架、車頂、2扇側(cè)墻、2塊端墻六大模塊組焊而成，大量采用薄板、薄板壓型件和型材，充分利用不銹鋼材料的高抗拉強(qiáng)度，減少材料的使用量，實(shí)現(xiàn)車體輕量化[2]。

2 側(cè)墻工藝優(yōu)化

2.1 工藝流程

不銹鋼車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用薄板、板梁搭接結(jié)構(gòu)形式，決定了不銹鋼車體制造的方法。不銹鋼車體焊接主要采用點(diǎn)焊焊接工藝，車體結(jié)構(gòu)部位不同，所采用的點(diǎn)焊方式也不同，不銹鋼車體焊接主要采用單面雙點(diǎn)（也可單面單點(diǎn)）、雙面單點(diǎn)和迂回點(diǎn)焊的焊接方式。

2.2 問題表現(xiàn)與分析

通過在制造過程中進(jìn)行批量跟蹤和測量，發(fā)現(xiàn)裝配焊接后的側(cè)墻合格等級(jí)較低，并且大多數(shù)尺寸需要進(jìn)行調(diào)整以確保定制之前的合格系數(shù)滿足要求，但是定制是針對(duì)焊接后處理的。為了確保裝配焊接后元件的尺寸，太多的調(diào)整不僅會(huì)影響生產(chǎn)效率，而且還要求在高溫條件下執(zhí)行，這會(huì)對(duì)型材的強(qiáng)度和剛度產(chǎn)生更大的影響，還會(huì)對(duì)元件的壽命造成隱患。通過跟蹤和分析工具的定位和夾緊，并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問題的原因主要是以下方面：

（1）在組裝和焊接側(cè)墻時(shí)，支撐板和側(cè)墻的外表面不能很好地配合，這在夾緊和松弛狀態(tài)之間產(chǎn)生很大的差異。支撐板未緊密地附接到側(cè)墻的外表面，導(dǎo)致側(cè)墻在壓縮和松弛兩種狀態(tài)下的大位移，這是組裝焊接后側(cè)墻尺寸過大的主要原因。

（2）側(cè)墻工具部的壓緊塊的位置偏離上支撐板。工具的任務(wù)是固定要夾緊的工件并保持不需要額外變形的穩(wěn)定狀態(tài)，因此，從工具設(shè)計(jì)和操作技術(shù)的角度來看，安裝位置必須直接在支撐固定裝置的上方，但實(shí)際上由于限制在工具結(jié)構(gòu)上，某些壓力無法滿足上述要求，并且由于工具夾力高達(dá)4 t，工件的下部在沒有支撐的情況下被懸掛，這將不可避免地導(dǎo)致側(cè)墻的焊接未對(duì)準(zhǔn)。

（3）對(duì)上述問題的分析是基于實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，為了更好地分析原因并了解對(duì)策并驗(yàn)證上述分析的正確性，將I-DEAS引入仿真中，并在承壓板與側(cè)墻的結(jié)合處進(jìn)行了計(jì)算分析。不同工作條件下壓力塊位置的輸出質(zhì)量之間的關(guān)系。

3 工藝有限元分析與優(yōu)化策略

3.1 有限元分析

由于地鐵的側(cè)墻長而薄的板形輪廓，因此使用實(shí)體建模將使有限元的后續(xù)劃分太大而難以解決。因此，在仿真中，使用實(shí)體板材進(jìn)行建模，將單元?jiǎng)澐譃榘鍐卧⒏鶕?jù)側(cè)墻的實(shí)際情況設(shè)置側(cè)墻各部分的板厚。根據(jù)型材部分的厚度設(shè)置板厚，最后用不同的顏色指示側(cè)板厚度設(shè)置。在側(cè)墻的反向組裝狀態(tài)下模擬第一焊縫的壓縮焊接過程。

根據(jù)目前生產(chǎn)側(cè)墻的情況，分別建立了三種工作條件：

（1）工作狀態(tài)1：儀器的配合處于理論狀態(tài)。壓力塊和支撐板保持在一條直線上，沒有橫向偏斜，并且支撐板與側(cè)墻的外部輪廓完全齊平。

（2）工件條件2：從支撐板橫向偏移350mm，并且側(cè)墻模具支撐板表面完全靠近側(cè)墻表面。

（3）工作狀態(tài)3：工裝壓力塊偏移了350mm，軸承板和側(cè)墻未完全固定。

根據(jù)以上三個(gè)操作條件施加約束條件和載荷條件。

（1）約束：模擬實(shí)際的支撐板和定位塊約束，并在模型中應(yīng)用約束。

（2）荷載：煤球負(fù)荷-根據(jù)煤球的壓力和表面計(jì)算煤球負(fù)荷，并在適當(dāng)?shù)奈恢檬┘油饬ω?fù)荷;溫度負(fù)荷-根據(jù)自變形方法計(jì)算由焊接引起的熱變形，而不考慮塑性變形，并將相變變形轉(zhuǎn)換回溫度，并將溫度負(fù)荷應(yīng)用于模型。

解決模擬后，獲得以下結(jié)果：

工作條件1：最大位移為0.435mm，最大局部應(yīng)力為45.6MPa。

工作條件2：最大位移為0.864mm，局部最大應(yīng)力為47.9MPa。

工作條件3：最大位移為0.901mm，局部最大應(yīng)力為48.2MPa。

由于對(duì)后側(cè)墻組件的第一焊縫進(jìn)行了模擬計(jì)算和分析，因此在三種工況下的位移變化都比較大。

（1）當(dāng)壓力塊和支撐板不在一條直線上時(shí)，壓力塊中的側(cè)墻位移和局部應(yīng)力大大增加，尤其是位移變化最為明顯，對(duì)側(cè)墻組件質(zhì)量的影響最大。保養(yǎng)壓力塊嘗試與軸承板成一直線。

（2）當(dāng)軸承板和側(cè)墻未完全連接時(shí)，側(cè)墻的位移將大大增加。支撐板應(yīng)盡可能靠近側(cè)墻的外輪廓。

（3）工作條件3的變化是工作條件1的變化的兩倍以上。如果側(cè)墻上的8條焊縫全部完成，情況將更加嚴(yán)重。

以上模擬分析和計(jì)算結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)情況和經(jīng)驗(yàn)推測完全吻合，證實(shí)了對(duì)以往經(jīng)驗(yàn)的定性分析。

3.2 工藝優(yōu)化策略

根據(jù)分析的總結(jié)和模擬計(jì)算的結(jié)果，在實(shí)際生產(chǎn)中采取了以下措施以提高側(cè)墻組成的質(zhì)量和效率。

（1）調(diào)節(jié)壓力塊和支架位置。如果工具設(shè)計(jì)允許，則將壓力塊放置在盡可能大的直線上，使其直接位于支撐板上。

（2）測量支撐板，根據(jù)測量結(jié)果調(diào)整所有支撐板，確保其一致性和與側(cè)墻外輪廓的良好配合，并嚴(yán)格按照當(dāng)前汽車生產(chǎn)中的工作條件1的要求進(jìn)行工作。

3.3 解決方案

（1）采用新的頂墻面板焊接工藝。上壁板分為9個(gè)部分，上壁板通過激光切割和彎曲制成。側(cè)墻上方的5座頂壁板焊接到銅制工作臺(tái)上，其平坦度很容易滿足車身的平坦度要求。在側(cè)墻形成過程中，將頂壁面板對(duì)接然后點(diǎn)焊。因此，側(cè)墻板的撓度和平坦度可以滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）在檢查數(shù)據(jù)后，此時(shí)墻板的松動(dòng)并沒有改善。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后，添加了一個(gè)增強(qiáng)墊來代替墻板（側(cè)墻合成過程中的點(diǎn)焊）;通過車輛跟蹤，解決了壁板松弛和異常噪音的問題。對(duì)于已制造的現(xiàn)有車輛（無法點(diǎn)焊以增加強(qiáng)度的車輛），請(qǐng)對(duì)壁板的位置進(jìn)行火焰調(diào)節(jié)，并調(diào)節(jié)壁板的平整度以使其行駛。

4 結(jié)論

通過優(yōu)化工藝，將I-DEAS有限元分析軟件引入現(xiàn)有車輛的生產(chǎn)中，并將傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)定性分析升級(jí)為定量數(shù)據(jù)計(jì)算和通過仿真數(shù)據(jù)分析進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。工藝優(yōu)化方法是可行和有效的，上面僅以車身側(cè)墻為例，以說明有限元分析在制造過程中的應(yīng)用，擴(kuò)展到整個(gè)產(chǎn)品制造過程。經(jīng)驗(yàn)和有限元分析方法可以用作過程方法，偏差控制等的基礎(chǔ)。了解對(duì)策以分析問題的原因，改進(jìn)過程生產(chǎn)方法，使方法更科學(xué)，并提高生產(chǎn)過程的質(zhì)量和效率。

通過以上過程，經(jīng)過檢驗(yàn)和靜強(qiáng)度測試，該模型的裝配質(zhì)量和焊接質(zhì)量均滿足相關(guān)技術(shù)要求，證明了該過程合理可行。

參考文獻(xiàn)

[1] 毛明麗. B型不銹鋼地鐵端墻制造工藝改進(jìn)[J]. 中國高新技術(shù)企業(yè)， 2014， 000（004）：87-88.

[2] 張雪峰， 李威， 邵有發(fā)，等. 不銹鋼地鐵車新型補(bǔ)墻板結(jié)構(gòu)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]. 電焊機(jī)， 2017， 47（001）：113-115.