高速動(dòng)車組鋁合金司機(jī)室焊接結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)

楊成　周波

摘要：根據(jù)高速動(dòng)車組司機(jī)室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，將司機(jī)室分拆成幾大模塊分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)論述。通過模塊化設(shè)計(jì)，降低了結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，保證了裝配精度和外輪廓尺寸，能夠滿足頭車流線型氣動(dòng)外形對輪廓度的要求。

關(guān)鍵詞：高速動(dòng)車組；鋁合金司機(jī)室；模塊化設(shè)計(jì)

前言

隨著列車運(yùn)行速度的提高，列車與周圍空氣的相互作用加劇，空氣動(dòng)力學(xué)問題越來越突出。列車頭部外形的流線化直接影響到整個(gè)列車的氣動(dòng)特性，良好的車頭外輪廓可有效降低運(yùn)行時(shí)的空氣阻力及列車交會(huì)壓力波等問題。高速動(dòng)車組鋁合金司機(jī)室由外層蒙皮和內(nèi)部骨架組焊而成，是典型的大型焊接結(jié)構(gòu)。因焊接結(jié)構(gòu)變形大，傳統(tǒng)的整體拼接組焊模式無法可靠控制產(chǎn)品外形和焊縫質(zhì)量，且檢驗(yàn)和調(diào)修難度高，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。因此在設(shè)計(jì)階段引入模塊化設(shè)計(jì)理念，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的同時(shí)，降低司機(jī)室結(jié)構(gòu)的工藝復(fù)雜性，控制焊接變形量，以滿足頭車流線型氣動(dòng)外形對輪廓度的要求。

1鋁合金司機(jī)室結(jié)構(gòu)概述

為最大程度降低氣動(dòng)阻力，司機(jī)室外輪廓呈流線型圓滑過渡狀，由多個(gè)不同曲面拼接而成，對整體輪廓度要求較高。司機(jī)室的特殊外形決定了其零件大部分為三維折彎件，組件中存在多種曲面連接結(jié)構(gòu)，組裝時(shí)需精確定位，保證結(jié)構(gòu)外輪廓尺寸精度，制造難度非常大。

基于模塊化設(shè)計(jì)理念，司機(jī)室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)兼顧組焊工藝設(shè)計(jì)，盡量降低工藝復(fù)雜程度。根據(jù)對司機(jī)室結(jié)構(gòu)的分析，將司機(jī)室拆分成左側(cè)墻、頂棚、右側(cè)墻、前端墻、后端墻、前窗橫梁等幾大模塊，同時(shí)司機(jī)室組焊工藝和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分拆一一對應(yīng)，各大模塊在不同工位完成組焊、檢驗(yàn)、調(diào)修、交驗(yàn)，最后拼裝成完整的司機(jī)室結(jié)構(gòu)，用部件質(zhì)量保證整體質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)分級設(shè)計(jì)、制造，模塊化生產(chǎn)。

2司機(jī)室型材

司機(jī)室各大模塊主要由不同截面的蒙皮和支撐梁組焊而成，蒙皮和支撐梁均由牌號為EN AW-6005A的鋁合金拉伸而成。該型號鋁合金既具有中等強(qiáng)度，又可擠壓出形狀較為復(fù)雜的薄壁空心型材，滿足司機(jī)室結(jié)構(gòu)對材料輕量化、強(qiáng)韌性、三維彎曲成形、焊接性和加工性的要求。生產(chǎn)時(shí)先對型材進(jìn)行三維折彎，而后經(jīng)熱處理和機(jī)加工制成所需零件。

在型材截面上集成模塊化的焊接接頭，接頭由標(biāo)準(zhǔn)化的焊接背板和坡口組成，根據(jù)接頭型式和焊縫熔深選擇不同的組合。這種模塊化的焊接接頭在生產(chǎn)時(shí)可以省去安裝焊接背板和打磨坡口的時(shí)間，提高裝配精度和焊接效率；集成的焊接背板又起到一定的限位作用，可提高裝配精度，保證焊縫熔深和余高均勻，提高焊接質(zhì)量；同時(shí)，在建模和制圖時(shí)，可直接從數(shù)據(jù)庫調(diào)用模塊化的焊接接頭，提高設(shè)計(jì)效率。

蒙皮：根據(jù)車頭流線外形，將蒙皮分成若干通長的組成部分，采用不同的型材截面。截面上分布若干T字形加強(qiáng)筋，提高蒙皮的抗彎和抗變形能力。各部分蒙皮根據(jù)相對應(yīng)位置的車頭外形，由多點(diǎn)成形三維拉彎而成，經(jīng)熱處理和機(jī)加工，再組焊成司機(jī)室各大模塊所需蒙皮組件。

支撐梁：根據(jù)司機(jī)室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及強(qiáng)度要求，支撐梁為不同截面形狀的中空或開口薄壁拉伸型材，強(qiáng)度高，重量輕，同時(shí)又可以將車頭擋風(fēng)玻璃及側(cè)窗玻璃所需安裝面和車內(nèi)設(shè)備安裝所需C型槽集成到拉伸型材上，圖3為主支撐縱梁的型材截面。支撐梁經(jīng)三維拉彎成形、熱處理和機(jī)加工，得到司機(jī)室骨架所需零件。支撐梁三維拉彎時(shí)，易出現(xiàn)截面畸變、翹曲等工藝缺陷，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，盡量避免支撐梁的脊線曲率突變，降低拉彎難度，提高三維拉彎的成品率。

3司機(jī)室模塊化焊接結(jié)構(gòu)

各大模塊根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，分解成由蒙皮零件組焊成的蒙皮組件和由支撐梁組焊成的骨架，分別在不同的工位進(jìn)行組裝焊接。

3.1蒙皮組焊

蒙皮焊接接口均為V型對接接口，焊縫全熔透，表面打磨平滑，焊縫質(zhì)量等級高，成形好。組焊時(shí)，將蒙皮定位并固定到專用工裝上，根據(jù)現(xiàn)場工況研配焊縫接口。研配時(shí)，在蒙皮零件上做好標(biāo)記，保證焊接時(shí)的裝配精度。控制好環(huán)境溫度和濕度，采用合理的焊接工藝和焊接順序，以保證焊接質(zhì)量，控制焊接變形。

3.2骨架組焊

骨架組焊時(shí)，根據(jù)司機(jī)室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理分配各個(gè)組單元，優(yōu)先組焊形狀公差等級和裝配精度要求高、為其他設(shè)備提供安裝接口的骨架部分，如玻璃安裝面等。各支撐梁之間采用全熔透的HV型對接焊縫，保證連接強(qiáng)度和焊接質(zhì)量。根據(jù)工藝文件依次將支撐梁定位并固定到專用工裝上，采用合適的焊接順序施焊。

3.3蒙皮和骨架組焊

蒙皮和骨架之間根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，既有對接焊縫，又有角焊縫。主支撐梁與蒙皮內(nèi)表面之間采用全熔透的HV型對接焊縫連接，焊縫等級較高，以保證焊接質(zhì)量和連接強(qiáng)度。次支撐梁與蒙皮的T字形加強(qiáng)筋之間采用角焊縫的形式連接，既能保證連接強(qiáng)度，減少焊接準(zhǔn)備時(shí)間，同時(shí)由于焊縫位于加強(qiáng)筋上，可有效降低焊接變形量，保證蒙皮表面圓滑。

3.4司機(jī)室總成組焊

司機(jī)室結(jié)構(gòu)各大模塊在不同工位焊接完成，經(jīng)檢驗(yàn)滿足公差和焊接質(zhì)量要求后，交到預(yù)組裝工位，按照司機(jī)室組焊結(jié)構(gòu)樹制定組裝工序，采用不同的工裝夾具，合理的焊接順序，與車體其他大部件一起組焊，最后完成整個(gè)司機(jī)室和頭車車體的組焊。因大部分焊接接頭已在各模塊組焊過程中完成，在司機(jī)室總成組焊過程中，焊接接頭較少，相對應(yīng)由焊接引起的變形也較小，易于控制司機(jī)室外輪廓尺寸和焊縫質(zhì)量。

4模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

綜合以上分析，采用模塊化設(shè)計(jì)，將司機(jī)室結(jié)構(gòu)由繁至簡分成若干模塊，分級設(shè)計(jì)、制造，有以下顯著特點(diǎn)：

1、各模塊焊接過程中，由專用工裝固定各零部件，通過制定合適的焊接工藝和焊接順序，組裝精度高，易于控制焊接變形，可重復(fù)性好，且對工人的操作技術(shù)要求較低。

2、各模塊的焊接接頭滿足可視、可達(dá)、可檢的要求，易于焊接施工和焊縫質(zhì)量檢測。

3、大部分機(jī)加工工序集中在零件生產(chǎn)過程當(dāng)中，各模塊組焊完成后無需機(jī)加工，易于控制機(jī)加工精度，同時(shí)減少對大型機(jī)加設(shè)備和工裝夾具的需求，降低機(jī)加難度，節(jié)約生產(chǎn)成本。

5結(jié)論

通過對鋁合金司機(jī)室焊接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析，引入模塊化設(shè)計(jì)理念，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、焊縫質(zhì)量、制造工藝性和經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對司機(jī)室組件及整體焊接變形的精確控制，保證了司機(jī)室各組件的裝配精度和司機(jī)室總成的外輪廓尺寸，滿足了頭車流線型氣動(dòng)外形對輪廓度的要求。