基于預(yù)制撓度的混合動力HXN6型機車車架制造工藝

邱友勝，李彬，李滿清，王會清，林元春

中車資陽機車有限公司 四川資陽 641301

1 序言

HXN6型機車是我公司2022年研制成功的國內(nèi)首臺大功率內(nèi)電混合動力機車，是一款全面響應(yīng)全球“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的代表機車，達(dá)到了世界一流水平。該機車車架有別于傳統(tǒng)內(nèi)燃機車，采用的是油箱體與車架一體的設(shè)計結(jié)構(gòu)，即車架中部裝配邊梁的腔體作為油箱腔體的一部分，沒有獨立的油箱體，這種結(jié)構(gòu)有效地減輕了車架重量，優(yōu)勢明顯[1]。但這種結(jié)構(gòu)使得中間邊梁立面高度達(dá)1485mm，左右邊梁通過油箱體連接形成了一個整體，剛度大，車架撓度若按傳統(tǒng)工藝制造，其技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)難以保證。因此，研究開發(fā)與之相適應(yīng)的車架撓度制造工藝是HXN6型機車車體生產(chǎn)亟需解決的問題。

撓度就是在受力或非均勻溫度變化時，桿件軸線在垂直于軸線方向的線位移或板殼中面在垂直于中面方向的線位移；機車車體鋼結(jié)構(gòu)在安裝各種設(shè)備后，車體鋼結(jié)構(gòu)制造中因各種應(yīng)力釋放及車體鋼結(jié)構(gòu)疲勞而導(dǎo)致車體鋼結(jié)構(gòu)中部產(chǎn)生向下的彎曲變形，這種變形會嚴(yán)重影響機車運行安全。為抵消機車設(shè)備安裝后產(chǎn)生的向下彎曲變形，并保證機車有一定富裕的向上彎曲量，防止機車車架產(chǎn)生向下的彎曲變形，在車體鋼結(jié)構(gòu)制造過程中，技術(shù)上將車體鋼結(jié)構(gòu)中部向上預(yù)制上拱弧線形反變形量并固化在車體鋼結(jié)構(gòu)上，形成正確的車體撓度曲線[2]。因為車架撓度是車體最終撓度形成的關(guān)鍵，所以我們對公司傳統(tǒng)的油箱分體式內(nèi)燃機車和無油箱的電力機車等車架結(jié)構(gòu)及預(yù)制撓度制造工藝進行分析，采取下料放量、部件預(yù)制、車架總成預(yù)制曲線等工藝措施，保證了該機車車架及車體的質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)。

2 機車結(jié)構(gòu)及工藝對比分析

2.1 HXN6型機車車架結(jié)構(gòu)特點

HXN6型機車車架主要由前端裝配、端部裝配1、中部裝配、端部裝配2、后端裝配等5部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，該車架沿縱向截面的高度在A、B附近變化大，為中部大、兩端小結(jié)構(gòu)。其中，端部裝配1、中部裝配、端部裝配2都有獨立的左右邊梁，通過大部件組焊形成獨立的整體，經(jīng)車架總組裝形成車架；組裝時各大部件間通過左右邊梁對接形成整體。該車中部裝配設(shè)計為整體油箱結(jié)構(gòu)，即中部裝配邊梁的腔體作為油箱腔體的一部分，沒有采取分離式油箱體，左右邊梁通過油箱體連接形成了一個整體，整體中部高度達(dá)1485mm。

圖1 HXN6型機車車架結(jié)構(gòu)示意

2.2 傳統(tǒng)內(nèi)燃機車車架結(jié)構(gòu)及工藝分析

DF12、DF7C、GK1C等傳統(tǒng)內(nèi)燃機車車架沒有大部件劃分，左右邊梁貫穿車架整個總長。組裝時，以左右邊梁為基礎(chǔ)組裝各橫梁而形成車架，油箱與車架為相互獨立的部件，沒有中部油箱體，左右邊梁縱向立面高度變化不大，整體高度約450mm，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)內(nèi)燃機車車架結(jié)構(gòu)示意

DF12、DF7C、GK1C等內(nèi)燃機車車架撓度的形成，傳統(tǒng)工藝是通過氧乙炔火焰加熱烤制方式。即車架在組裝正面附件前，以車架4個外旁承為支撐基準(zhǔn)，先將車架置于水平位置，車架兩端向下壓、中部位置向上頂，固定后形成車架預(yù)制工藝曲線，然后利用氧乙炔火焰在左右邊梁確定位置加熱，冷卻后形成要求的車架撓度曲線及數(shù)值[2]。

HXN6型機車車架中部為整體油箱結(jié)構(gòu)，中部裝配左右邊梁，通過油箱體形成整體，沿縱向截面高度尺寸變化劇烈，中部立面高度達(dá)1485mm，中部整體剛度比傳統(tǒng)內(nèi)燃機車大得多。如果采用傳統(tǒng)內(nèi)燃機車車架撓度烤火制造工藝，車架兩端向下壓、中部位置向上頂，由于中部裝配剛度遠(yuǎn)高于兩端，所以在圖1的A、B處無法形成理想的光滑弧形，就會在中部裝配兩端形成“死彎”。

通過以上分析，DF12、DF7C、GK1C等公司的傳統(tǒng)內(nèi)燃機車車架撓度制造工藝不適用于HXN6型機車車架撓度生產(chǎn)。

2.3 電力機車車架結(jié)構(gòu)及工藝分析

HXD1C、HXD1型電力機車車架左右邊梁貫穿車架全長。組裝時，以左右邊梁為基礎(chǔ)組裝端部牽引梁、枕梁、變壓器等形成車架，左右邊梁縱向立面高度沒有變化，如圖3所示。

圖3 HXD1C、HXD1型電力機車車架結(jié)構(gòu)示意

HXD1C、HXD1型電力機車車架撓度制造工藝采用的是反變形法預(yù)制工藝，主要流程如下。

1）在車架總組裝時不考慮撓度，按平直方案組裝。

2）在車架一調(diào)工位和二調(diào)工位，將支撐工裝各支撐點高度按工藝計算參數(shù)設(shè)置成高低不等的水平支撐點，各支撐點形成光滑弧線。

3）采用拉、頂方式將車架強制固定在各支撐點上，形成車架向上拱曲的光滑弧線。

4）車架一調(diào)工位和二調(diào)工位組焊作業(yè)完成后，將車架預(yù)制的撓度固化，從而形成車架撓度的制造工藝。

HXN6型機車車架中部為整體油箱結(jié)構(gòu)，中部剛度大，兩端剛度低，如采用HXD1C、HXD1型電力機車車架撓度反變形法預(yù)制工藝，由于中部裝配剛度大，因此無法形成光滑弧形，只會在中部裝配兩端形成“死彎”[3]（見圖1中A、B位置）。

綜上分析，HXD1C、HXD1型電力機車車架撓度反變形法預(yù)制工藝不適用于HXN6機車車架撓度預(yù)制。因此，需研發(fā)適用于HXN6型機車車架撓度預(yù)制的工藝。

3 撓度預(yù)制工藝方案

經(jīng)上述分析，烤火法撓度制造工藝和反變形法預(yù)制撓度工藝均不適用于HXN6型機車車架撓度生產(chǎn)，結(jié)合我國其他機車制造業(yè)的經(jīng)驗，決定采取工藝放量方式進行車架撓度預(yù)制的研究。

工藝放量撓度預(yù)制工藝就是根據(jù)車架制造各流程中摸索出的尺寸變化經(jīng)驗數(shù)據(jù)，優(yōu)化計算工藝數(shù)據(jù)后預(yù)置在各加工工序[4]：在下料、大部件組裝、車架總組裝時，將應(yīng)為直線邊的物料加工成帶預(yù)制弧線邊的物料；組裝時，將應(yīng)是平面的部件組裝變?yōu)閹ьA(yù)制弧面的部件；車架總組裝時，將本是平面的車架上平面組裝成帶預(yù)制工藝弧面的車架上平面。

3.1 車架撓度的下料工藝放量

HXN6型機車車架剛度主要集中在中部裝配，工藝設(shè)計上將中部裝配左右邊梁沿縱向進行不等工藝放量成弧線，以形成撓度預(yù)制曲線，將左右邊梁各內(nèi)外側(cè)板本應(yīng)為直線的上邊工藝放量成帶弧線的曲線邊。圖4a所示為內(nèi)外側(cè)板設(shè)計形狀及尺寸，圖4b所示為內(nèi)外側(cè)板工藝放量形狀及尺寸，車架外旁承距離為14760mm，撓度值要求為18～22mm，分配到中部裝配撓度值為8～10mm，考慮到后序加工的回彈量及焊接收縮量，內(nèi)外側(cè)板下料工藝放量為11mm，下料尺寸由設(shè)計長度尺寸6760mm放量為6765mm[5]。

為保證中部裝配左右邊梁組裝質(zhì)量，中間各隔板應(yīng)根據(jù)內(nèi)外側(cè)板上邊曲線適當(dāng)增加高度放量。

3.2 車架撓度組裝預(yù)制

車架撓度組裝預(yù)制主要分為中部裝配左右邊梁組裝、中部裝配組裝及車架總組裝撓度預(yù)制等3個組裝工序。

（1）中部裝配左右邊梁組裝撓度預(yù)制 中部裝配左右邊梁是箱形結(jié)構(gòu)，主要由內(nèi)外側(cè)板（平面）、上蓋板（工藝預(yù)制成曲面）、下蓋板（平面）、前后腹板（曲面）和隔板組成，截面結(jié)構(gòu)長寬比大，內(nèi)外側(cè)為大平面。組裝時，采取內(nèi)側(cè)板為基準(zhǔn)面進行組裝的臥裝法，流程為：以內(nèi)側(cè)板為基準(zhǔn)，置于平臺上→在內(nèi)側(cè)板上劃線組裝隔板→組裝各外側(cè)板→組裝前后腹板→焊接→組裝下蓋板→組裝上蓋板。組裝時注意內(nèi)外側(cè)板上下邊對齊并垂直于平臺面，上蓋板沿內(nèi)外側(cè)板上曲線邊組裝成光滑曲面，曲面弦高11mm，保證撓度預(yù)制工藝數(shù)值。

（2）中部裝配組裝撓度預(yù)制 中部裝配主要由左右邊梁、橫梁裝配1、橫梁裝配2和油箱體等組成，其中，左右邊梁下平面組成平面，上平面按工藝預(yù)制組成曲面。采用正裝法，流程為：以左右邊梁下平面板為基準(zhǔn)，置于平臺上→組裝橫梁裝配1、橫梁裝配2→油箱體一次組裝→焊接→油箱體二次裝→焊接。組裝時控制左右邊梁上曲面組成的大曲面同一截面位置左右水平高度差≤2mm。

控制要點如下：

1）組裝平臺平面度≤2mm/3m，3m平尺檢測；水平高度差≤2mm，水準(zhǔn)儀檢測。

2）左右邊梁上曲面一致。以橫向中心線為基準(zhǔn)，向兩端劃等距離線為測量點，測量對角線，兩對角線差≤3mm，10m盤尺檢測。

3）截面左右高度差。左右邊梁兩端4個點水平高度差≤2mm，以橫向中心線為基準(zhǔn)，向兩端劃等距離線為測量點，水準(zhǔn)儀檢測；平尺檢測左右邊梁上曲面，橫向各截面，平尺與左右邊梁上曲面閃縫≤2mm。

（3）車架總組裝撓度預(yù)制 HXN6型機車車架組裝時選用正面作為組裝基準(zhǔn)，即采用倒裝法。組裝時，在組裝工裝上按工藝計算數(shù)值沿車架中心向縱向兩端墊上不同高度墊塊，車架設(shè)計撓度值要求為18～22mm，后序作業(yè)過程中撓度主要受車架縱向在圖5中A、B位置的剛度陡變帶來的角度變化的影響，工藝上要求A、B位置保證墊高11mm；同時，在車架外旁承對應(yīng)位置的組裝工裝上（見圖5中C、D位置）加35mm高墊塊，以形成車架撓度預(yù)制工藝曲線。中部裝配的上平面倒置于組裝工裝平面上，要求橫向中心線對齊；端部裝配1、端部裝配2倒置在組裝工裝上，與中部裝配連接處左右邊梁接齊，其后通過液壓缸壓緊、固定在車架曲線后，進行點焊及一次焊接。

控制要點如下：

1）組裝工裝平臺平面度≤2mm/3m，采用3m平尺檢測；水平高度差≤2mm，采用水準(zhǔn)儀檢測。

2）邊梁直線度。中部左右邊梁與端部裝配1、端部裝配2左右邊梁連接后全長范圍內(nèi)直線度≤3mm，采用粉線、等高塊檢測。

3）由于端部裝配1、端部裝配2外旁承位置墊高了35mm，前端裝配和后端裝配組裝時，不能以組裝工裝平臺為基準(zhǔn)組裝，必須以端部裝配1、端部裝配2左右邊梁下蓋板為基準(zhǔn)組裝，前端裝配和后端裝配必須垂直于端部裝配1、端部裝配2左右邊梁下蓋板。

4）車架長度檢測。由于端部裝配1、端部裝配2外旁承位置墊高了30mm，前端裝配和后端裝配組裝后會形成“八”字形狀，上窄下寬。檢測時，測量位置直接影響測量的準(zhǔn)確性，因此，測量位置應(yīng)在圖5所示E、F處，即端部裝配1、端部裝配2左右邊梁上蓋板與前端裝配和后端裝配連接位置。

車架焊接及鐵地板、正反面附件組焊都伴隨著大量的熱輸入，會造成車架撓度的變化，為控制和減少對撓度的影響，在進行后序作業(yè)時應(yīng)注意以下兩點。

1）由于車架翻轉(zhuǎn)胎兩環(huán)旋轉(zhuǎn)存在較大的同步誤差，兩環(huán)夾緊車架位置4點高差較大；為防止車架扭曲變形和撓度發(fā)生較大變化，車架框架焊接，以及鐵地板、反面附件組焊時不應(yīng)在翻轉(zhuǎn)胎上進行，而應(yīng)在放置水平支撐上進行。

2）車架后序作業(yè)時，為減少撓度變化，需對預(yù)制撓度作一定的固定；即鐵地板、正反面附件組裝與焊接時，水平支撐外旁承位置（正面焊接時支撐端部裝配1、端部裝配2外旁承框內(nèi)，反面焊接時支撐端部裝配1、端部裝配2左右邊梁外旁承位置上蓋板處），用千斤頂支撐中部裝配邊梁中間位置，左右邊梁各1個，在支撐時頂實即可。

4 撓度預(yù)制工藝應(yīng)用效果

我們對兩臺HXN6型機車車架按撓度預(yù)制工藝進行驗證評價，跟蹤實測各工序組焊完后撓度變化數(shù)據(jù)見表1。由撓度變化數(shù)據(jù)看，車架各工序撓度變化有一定規(guī)律性，數(shù)值誤差為1～2mm，均滿足工藝及設(shè)計技術(shù)指標(biāo)，說明撓度預(yù)制工藝能夠滿足HXN6型機車車架撓度預(yù)制需求。

表1 車架各工序組焊后撓度變化 （mm）

5 結(jié)束語

1）HXN6型機車車架的撓度預(yù)制工藝合理、可行，該工藝能滿足設(shè)計技術(shù)要求。同時證明機車車架撓度可以采取非傳統(tǒng)烤火工藝，通過從下料到車架組裝各工序預(yù)置工藝量的方式獲得。

2）通過采取車架預(yù)制撓度工藝，不僅解決了HXN6型機車車架撓度難以保證的問題，降低對操作者技能等級要求，而且避免了傳統(tǒng)烤火工藝帶來的能源浪費及烤火對材料組織性能產(chǎn)生的不利影響，實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的目的。