第３７卷 第４期 ２０１４年７月２０日 电力机车与城轨车辆 Ｅｋｃｔｒｉｃ ＬｏｃｏｍｏｔｉｖｅＳ＆Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｉｔ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ Ｖ０１．３７ Ｎｏ．４ Ｊｕ１．２０ｔｈ，２０１４ ・研究开发・ 武汉轨道交通４号线车辆车体 尺寸控制的分析及改进 孙瑶，陈阿海，刘军良，李梁，黄军才 （南车株洲电力机车有限公司技术中心，湖南株洲４１２００１） 摘 要：文章主要针对武汉轨道交通４号线车辆试制中出现的车体尺寸超差的问题，对尺寸超差原因 和车体焊接工艺进行了分析，从车体组焊工装设置、焊接顺序等方面进行了工艺改进和验证，为建立一种使用 内藏门的微鼓型断面Ｂ型车体制造平台创造条件。 关键词：轨道交通；车体；反变形；尺寸控制 中图分类号：Ｕ２７０．３２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—１ １８７（２０１４）０４—００４２—０２ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｃａｒ ｂｏｄｙ ｏｆ Ｗｕｈａｎ Ｒａｉｌ Ｔｒａｎｓｉｔ Ｌｉｎｅ ４ ｖｅｈｉｃｌｅ ＳＵＮ Ｙａｏ，ＣＨＥＮ Ａ－ｈａｉ，ＬＩＵ Ｊｕｎ－ｌｉａｎｇ，ＬＩ Ｌｉａｎｇ，ＨＵＡＮＧ Ｊｕｎ—ｃａｉ （Ｒ＆Ｄ ｃｅｎｔｅｒ，ＣＳＲ Ｚｈｕｚｈｏｕ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｕｚｈｏｕ ４１２００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｍａｉｎｌｙ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎ ｏｆ ｅｘｃｅｅｄｉｎｇ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｃａｒ ｂｏｄｙ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｘｃｅｅｄｉｎｇ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｃａｒ ｂｏｄｙ ｄｕｒｉｎｇ ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎｉｎｇ ｆｏｒ Ｗｕｈａｎ Ｒａｉｌ Ｔｒａｎｓｉｔ Ｌｉｎｅ ４ ｖｅｈｉｃｌｅ．Ｉｔ ｍａｋｅｓ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｃａｒ ｂｏｄｙ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｏｏｌｓ ｓｅｔｔｉｎｇ ａｎｄ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅ．Ｉｔ ｍａｋｅｓ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ａ ｔｙｐｅ Ｂ ｃａｒ ｂｏｄｙ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｗｉｔｈ ｐｏｃｋｅｔ ｓｌｉｄｉｎｇ ｄｏｏｒｓ ａｎｄ ｔｉｎｙ ｄｒｕｍ ｔｙｐｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒａｉｌ ｔｒａｎｓｉｔ；ｃａｒ ｂｏｄｙ；ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ 在武汉轨道交通４号线车辆试制过程中，车体组 此，重点从车体结构的变化和原有工艺的可行性方面 进行分析。 该项目的车辆断面与一般标准的鼓型车体不同， 焊完成后对车体外形尺寸进行测量时发现．客室门处 车体宽度尺寸整体偏小。该车体宽度设计要求为：车体 最大宽度处２ ８００ ｍｍ．公差为０／一８ ｍｍ。而实际测量值 在２ ７８５～２ ７９０ ｍｍ之间。 为微鼓型，车体最大宽度处与底架宽度相同，均为 ２ ８００ ｍｍ（一般标准鼓型车体底架宽度为２ ８００ ｍｍ， 车体最大宽度为２ ９００ｍｍ左右）。目前国内Ｂ型车主 要有３种断面：Ｖ型断面；微鼓型断面（鼓型Ｉ断面）； １ 车体宽度偏小问题原因分析 针对武汉轨道交通４号线车辆车体试制中出现的 车体宽度尺寸超差问题，从设计、工艺和设备等方面进 标准鼓型断面（鼓型ＩＩ断面）。图１为３种车体的断面 对比。 行相关分析及验证。 首先对车体组焊工装重新检查，未发现异常，排除 了设备工装方面的原因。接下来从车体整体宽度与顶 盖、底架宽度的关系着手分析，通过分析发现，与类似 项目比较，顶盖和底架的宽度均控制在标准范围内。因 收稿日期：２０１３—１２—２４ 与Ｖ型断面相比。微鼓型断面能更好地利用限界 轮廓．增加车辆载客面积，座椅高度处空间增加，使客 室更加美观、大气、宽敞，提高乘坐舒适度。但另一方 面，此类车体制造难度大，车体鼓型拐点处更容易受焊 接应力影响，对焊接工艺的要求更高。 作者简介：孙瑶，２００９年毕业于北京交通大学测控技术与仪器专业．现从事城轨车辆市场技术支持工作。 ４２— 一孙瑶等・武汉轨道交通４号线车辆车体尺寸控制的分析及改进・２０１４年第４期 图１ 不ｌ司车体断面对比 该项目客室车门采用内藏门而非塞拉门，根据内 藏门安装结构的需要，车体结构也发生变化：门立柱型 材截面宽度增加，但整体型材厚度和壁厚都有所减小 （见图２）。截面形式的不同使车体底架上部刚度和顶 盖下部刚度有所改变，这将导致底架与门立柱、顶盖与 门立柱焊接处变形增大。 一 ‘ ６ ４ ４０ （ａ）武汉轨道交通４号线车辆 （ｂ）其他塞拉门车辆 图２门立柱截面 通过对车体其他尺寸进行测量．发现车体的结构 差异带来的影响除车体宽度偏小之外还造成车体轮廓 度超差。 轮廓度是一种曲面或曲线准确度描述概念．测量起 来比较复杂。在实际生产中我们制作了一种专门测量 车体轮廓度的检测模板，根据相关标准和工艺要求，本 项目车体外形轮廓与检测模板问不得超过３ ｍｍ间隙。 对车体宽度偏小的位置进行检测．发现轮廓度普 遍内凹６ ｍｍ左右，车体左右两侧的轮廓内凹直接使 车体宽度偏小１２ ｍｍ。 标准鼓型断面车体中间宽、上下窄．且门立柱型材 厚度达到８５ ｍｍ，这保证了车体具有足够的刚度和强 度，因此焊接变形对于车体整体轮廓影响不大。而该项 目焊接门立柱与顶盖、底架的内侧焊缝时均会产生较 大的焊接变形，将门立柱向车体纵向中心线“拉”．因此 焊后会导致车体轮廓内凹，车宽减小。 ２工艺改进措施 该项目车体全部采用铝合金材料，其热导率大，焊接 时热输入扩散快。同时又因铝合金线膨胀系数较大，焊 接变形大，焊接方向或者焊接顺序的不同直接影响焊后 收缩量和收缩方向，因此在焊接顺序上应进行调整。 根据车体结构的力学特点和铝合金材料的焊接工 艺特征，结合实际测量情况，从以下几个方面对工艺方 法进行了改进。 １）车体总组焊前，将顶盖吊装至台位上点焊后，测 量每个门处的车体宽度。 ２）如果车体宽度较小（一般取值为＜２ ７９７ ｍｍ），则 需采用刚性固定和反变形结合的方法来控制焊后变 形。如果仅采用刚性固定法，焊后依然有残余变形，且 焊接应力较大。 首先在该处门立柱鼓型拐点内侧适当位置加工艺 撑杆以固定门立柱型材，并设置一定的反变形以保证 在加撑固定后车体宽度达到２ ７９７ ｍｍ以上。此过程需 遵循两个原则：一要保证加撑杆之后的尺寸在２ ７９７～ ２ ８０５ ｍｍ之间，二是测量的轮廓度数据需≤３ ｍｍ。如 果在实际操作中，无法同时满足上述两个原则，则需使 用拉紧装置或顶压装置在装配公差范围内调整顶盖内 宽和底架外宽，直至同时满足。设置的反变形量需根据 焊前所测宽度数据而定，二者相差不应超过１０ ｍｍ。 上述两项措施主要是对门立柱型材进行刚性固 定，在控制车体宽度的基础上同时保证车体的整体轮 廓外形。使用工艺撑杆固定车体宽度能有效防止焊后 收缩引起门立柱拐点处向车体纵向中心偏移。 ３）固定好撑杆后，先焊接车体外侧侧墙门立柱与 底架边梁处打底焊缝，然后焊接内侧对应焊缝，最后对 外侧焊缝进行盖面。 ４）若焊前测量车体宽度较大，则分两种情况处理。 ａ．当宽度测量值处于２ ７９７ ２ ８００ ｍｍ时。无需采 取顶压工装。此时应采取的焊接顺序与３）相同。 ｂ．当宽度测量值处于２ ８００～２ ８０５ ｍｍ时，无需采 用拉紧装置，此时采取的焊接顺序为：先焊接车体内侧 门立柱与底架边梁打底焊缝．然后焊接外侧对应焊缝， 最后对内侧焊缝进行盖面。 ５）当焊前测量车体宽度＞２ ８０５ ｍｍ时，则需通过拉 紧装置对门立柱型材刚性固定．并设置一定的反变形 量使固定后的车体宽度在２ ８０５ ｍｍ以内，以防焊后残 余变形，从而有效控制车体宽度。 （下转第５３页） ——４３—— 吴志明・轨道车辆铝合金厚板搅拌摩擦焊焊接工艺研究・２０１４年第４期 ２．４．２车钩板搅拌摩擦焊拉伸力学性能试验 口。从检测结果可以看出，车钩板搅拌摩擦焊焊缝一致 采用优化的焊接参数对车钩板进行焊接．在２０ ｍｍ 性及稳定性较好，其抗拉强度平均值约为２２７．７ ＭＰａ． 厚铝合金板的２条焊缝上共取５个试样进行拉伸测 接头拉伸力学性能满足标准要求。 试，检测结果如表４所示。 ２．４．３ ＦＳＷ接头弯曲性能试验 表４车钩板ＦＳＷ接头拉伸力学性能试验数据 弯曲试验结果各接头形式侧弯均能达到１５０。无裂 纹．表明搅拌摩擦焊接头弯曲性能符合ＩＳＯ ２５２３９的 要求。 ２．４．４接头拉伸力学性能对比 将分别采用ＭＩＧ焊和ＦＳＷ两种不同焊接工艺的 接头试件进行拉伸力学性能对比，其试验数据如表５ 所示。从表中可以看出，采用ＦＳＷ工艺的铝合金焊接 所有试样均断于焊缝外的热影响区．为４５。斜断 接头强度要高于采用ＭＩＧ焊工艺的接头。 表５ ＭＩＧ焊工艺接头与ＦＳＷ工艺接头拉伸力学性能试验对比数据 ３铝合金厚板搅拌摩擦焊注意事项 接头强度及结构安全性的要求越来越高。搅拌摩擦焊 通过大量的ＦＳＷ焊接试验，发现对铝合金厚板采 以其机械性能好、焊接效率高、制造成本低等优势，成 用ＦＳＷ工艺时要注意如下细节： 为铝合金列车车体制造的主流趋势，成功研发出轨道 车辆铝合金厚板搅拌摩擦焊工艺，对整车质量的提高 １）开发合适的搅拌头需要进行大量的焊接工艺试 验，搅拌头的形状及搅拌针的长度对焊接质量至关重要； 有深远的影响。 ２）焊接厚板需重点关注对搅拌摩擦焊特有的Ｓ线、 参考文献： ＨＯＯＫ缺陷的控制： ３）焊接方向对于对搭接接头型式的厚板ＦＳＷ焊接 ［１］李占国，李光，佟建华，等．大厚度飞机铝合金搅拌摩擦焊性能研 究［Ｊ］＿航空制造技术，２００９（２２）：６８—７１． 有着重要的影响。 ［２Ｊ栾国红，郭德伦，张田仓，等．铝合金的搅拌摩擦焊［Ｊ１．焊接技术， ４结束语 ２００３，３２（１）：１－４． 随着列车速度的不断提高，对列车减轻自重、提高 （责任编辑夏金凤） （上接第４３页） 未再出现车体宽度和轮廓度超差的现象，这次的工艺 ６）对焊前宽度使用工装进行调整时．须保证同一 改进为建立一种使用内藏门的微鼓型断面Ｂ型车车 个车门前后位置测得的车体宽度之差在３ ｍｍ以内。 体制造平台创造了条件。 ３验证及总结 参考文献： 该项目车体组焊工艺改进后，对接续生产的３节 ［１］徐超．反变形在控制焊接变形中的应用［Ｊ］．金属加工（热加工）， ２Ｏｌ１（１Ｏ）． 车体进行了跟踪检测．检测结果表明改进后的工艺具 ［２】王卫，李书香．铝薄板焊接刚性固定减少变形工艺应用［Ｊ】．科学 有很强的可行性。生产的车体宽度得到明显的控制和 与财富，２ｏ１３（８）． 改善，车体宽度实测值在２ ７９２ ２ ８００ ｌｑｌ／ｌｑ左右，车体 ［３］胡煌辉．铝合金焊接技能［Ｍ］．北京：中国劳动社会保障出版社， ２００５ 轮廓度也完全满足检验要求。后续批量制造的车体也 （责任编辑吴秀丽） 一 一
