鐵路車輛側(cè)墻張拉蒙皮失穩(wěn)變形控制工藝研究

王 宇 楊 馳 張 雷 張彤陽 麻彬彬

（中車西安車輛有限公司技術(shù)中心工藝部，西安 710086）

隨著我國鐵路事業(yè)的飛速發(fā)展，高速、美觀、舒適性等需求對(duì)鐵路車輛運(yùn)行質(zhì)量和外觀質(zhì)量等提出了更高要求?，F(xiàn)有的鐵路全封閉長、大車輛一般由底架、側(cè)墻、端墻、車頂及走行部等組成。為了提高質(zhì)量水平，人們對(duì)車體表面平整度、運(yùn)行風(fēng)阻和車體剛度等進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)。根據(jù)設(shè)計(jì)改進(jìn)，該類型車車體側(cè)墻一般采用框架覆蓋2.5mm高強(qiáng)鋼板蒙皮材料，這使得在側(cè)墻制造過程中如何控制側(cè)墻平面度成為整車制造的難點(diǎn)。如采用傳統(tǒng)制造工藝，側(cè)墻采用小板蒙皮拼焊、拉鉚，焊接量加大、焊縫增多、鉚釘頭外漏，很難滿足平面度等技術(shù)要求。

經(jīng)工藝論證，側(cè)墻制造如需滿足質(zhì)量要求，應(yīng)采用整板蒙皮制造工藝。整板蒙皮工藝能夠減少拼接焊縫，提高側(cè)墻平面度。但蒙皮板與側(cè)墻框架組焊時(shí)，薄板連續(xù)焊接會(huì)發(fā)生失穩(wěn)變形，局部出現(xiàn)外凸或內(nèi)凹，從而影響整車質(zhì)量。為了克服以上缺陷，側(cè)墻的制造除采用整板工藝還需增加張拉工藝。因此，對(duì)側(cè)墻蒙皮張拉工藝進(jìn)行相關(guān)研究，對(duì)提高車體表面平整度、增加車體剛度以及降低運(yùn)行風(fēng)阻都有重要意義。

1 蒙皮失穩(wěn)變形機(jī)理及其預(yù)防措施

1.1 蒙皮失穩(wěn)變形的機(jī)理

在蒙皮板和側(cè)墻框架的焊接過程中，焊接高溫使薄板產(chǎn)生了不均勻的焊接溫度場，此時(shí)由于側(cè)墻框架強(qiáng)度較大，蒙皮板受到約束作用，焊接完成后溫度恢復(fù)均勻，焊接區(qū)域就會(huì)形成殘余應(yīng)力。當(dāng)殘余應(yīng)力超過薄板的失穩(wěn)臨界應(yīng)力時(shí)，薄板就會(huì)發(fā)生變形。蒙皮的焊接變形多呈波浪狀，形式復(fù)雜，矯正時(shí)難度較大，變形過大時(shí)還會(huì)造成廢品。

1.2 蒙皮失穩(wěn)變形的預(yù)防措施

從蒙皮制造產(chǎn)生變形的機(jī)理來看，克服薄板內(nèi)的焊接殘余應(yīng)力，是避免蒙皮失穩(wěn)變形的有效手段。

制造工藝方面，預(yù)先評(píng)估焊接變形的方向和變形量，焊前將蒙皮板預(yù)拉伸產(chǎn)生拉伸力，抵消焊接殘余應(yīng)力，從而減小薄板的失穩(wěn)變形。較為有效的方法是采用蒙皮張拉工藝。

設(shè)計(jì)方面，合理設(shè)置焊接參數(shù)，選擇焊接形式、位置，減少焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。

2 蒙皮張拉工藝分析

2.1 張拉原理分析

蒙皮在拉伸過程中會(huì)經(jīng)歷彈性變形和塑性變形階段。如圖1所示，當(dāng)張拉應(yīng)力σ＜σp≈σs時(shí)，蒙皮只發(fā)生彈性變形。在拉伸狀態(tài)下，將蒙皮點(diǎn)固焊接于車體側(cè)墻骨架上，由于內(nèi)應(yīng)力的存在，蒙皮有回彈趨勢，能夠加強(qiáng)車體框架整體剛性，同時(shí)抵消焊接殘余應(yīng)力。當(dāng)張拉應(yīng)力繼續(xù)升高σp≤σ≤Reh，材料處于滯彈性階段，蒙皮產(chǎn)生部分塑性變形以及全部彈性變形，將此塑性變形的蒙皮點(diǎn)固于側(cè)墻框架上，材料會(huì)出現(xiàn)一部分變形回彈，另一部分塑性變形為永久變形，不能恢復(fù)。此塑性變形能提高蒙皮的硬度、強(qiáng)度，彈性變形能夠產(chǎn)生焊接變形抗力，提高框架剛度。所以，車體剛度變得更好，車體側(cè)墻平面度得到保證。

圖1 低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線

綜上所述，將蒙皮拉伸至微塑性變形階段，可以達(dá)到良好的抗失穩(wěn)變形效果，即張拉應(yīng)力應(yīng)達(dá)到σs（材料的屈服極限）。

2.2 蒙皮張拉工藝分析

現(xiàn)有的張拉工藝主要有三種形式，即手動(dòng)螺旋張拉、液壓張拉和加熱張拉。手動(dòng)螺旋張拉工藝設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，但張拉力小，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，已基本淘汰。加熱張拉工藝主要運(yùn)用于公路客車行業(yè)，多用于長度較短、厚度0.8～1.0mm的板材張拉，對(duì)于大尺寸鐵路車輛蒙皮而言，加熱張拉膨脹不均勻，熱脹量難以控制，此外高溫作業(yè)也導(dǎo)致勞動(dòng)環(huán)境惡劣，同時(shí)耗能大。液壓張拉工藝張拉力大，耗能低，張拉力輸出穩(wěn)定易保持，但投資較大。據(jù)了解，目前還沒有較為成熟的應(yīng)用裝備，多數(shù)為各企業(yè)自行配備。

2.3 蒙皮張拉工藝分析結(jié)論

經(jīng)工藝分析，側(cè)墻蒙皮板長度為18m，厚度為2.5mm，根據(jù)作業(yè)要求需持續(xù)提供較大張拉力。宜采用液壓張拉工藝，將蒙皮板張拉至微塑性變形階段，從而有效消除蒙皮板的焊接失穩(wěn)變形。

根據(jù)前期調(diào)研結(jié)論，針對(duì)產(chǎn)品特點(diǎn)自行設(shè)計(jì)制造液壓蒙皮張拉裝置，以滿足生產(chǎn)需要。

3 蒙皮張拉裝置設(shè)計(jì)

3.1 張拉參數(shù)計(jì)算

側(cè)墻蒙皮板采用Q295NHL耐候鋼，總長17560mm，寬1250mm，厚2.5mm，查閱相關(guān)資料可知，屈服極限σs=235MPa，彈性模量E=206GPa。

3.1.1 蒙皮張拉拉力計(jì)算

式中，F(xiàn)0為張拉力；σs為材料屈服極限；S0為蒙皮橫截面積。

代入相關(guān)數(shù)值計(jì)算可得：

3.1.2 蒙皮伸長量計(jì)算

式中，Δl為蒙皮伸長量；F0為張拉力；l0為蒙皮原長度；S0為蒙皮橫截面積；E為材料彈性模量。

代入相關(guān)數(shù)值計(jì)算可得：

3.2 蒙皮張拉裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，整個(gè)設(shè)備主要液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、鋼制基礎(chǔ)、固定端夾緊機(jī)構(gòu)、拉伸端夾緊機(jī)構(gòu)以及拉伸機(jī)構(gòu)組成。

圖2 張拉裝置組成

3.2.1 鋼制基礎(chǔ)

設(shè)備采用獨(dú)立鋼制基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。整個(gè)鋼制基礎(chǔ)由四部分箱體結(jié)構(gòu)組成，每個(gè)箱體內(nèi)外均焊有多處加強(qiáng)筋板，整個(gè)鋼制基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，完全可以滿足大噸位張拉。此外，箱體之間通過連接梁和螺栓連接，必要時(shí)四個(gè)箱體和張拉機(jī)其他主要構(gòu)件均可拆卸、運(yùn)輸、重新裝配。下面對(duì)箱型梁體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。其主底座靜態(tài)位移和座靜態(tài)節(jié)應(yīng)力分別如圖3、圖4所示。

圖3 主底座靜態(tài)位移

圖4 主底座靜態(tài)節(jié)應(yīng)力

邊界條件：對(duì)平臺(tái)體一端面實(shí)施固定約束，對(duì)平臺(tái)另一端施加載荷。

網(wǎng)格選用：二階四面體網(wǎng)格。

分析結(jié)果：梁體在外載荷作用下應(yīng)力為80MPa；變形量為2mm；安全系數(shù)為n=235/80=2.93。

3.2.2 固定端、拉伸端夾緊機(jī)構(gòu)

兩端夾緊機(jī)構(gòu)均采用液壓缸、杠桿、鋸齒形夾塊的結(jié)構(gòu)。蒙皮板放置于工位后，液壓缸推桿伸出，鋸齒形夾塊夾緊蒙皮，并使蒙皮產(chǎn)生局部齒狀變形，有效防止大噸位張拉時(shí)蒙皮板滑移。

固定端夾緊機(jī)構(gòu)通過兩側(cè)的夾塊和底部的擋塊固定在鋼制基礎(chǔ)上，可進(jìn)行調(diào)整，從而滿足不同長度蒙皮板的張拉需求。拉伸端夾緊機(jī)構(gòu)通過導(dǎo)軌與鋼制基礎(chǔ)連接，保證拉伸過程中移動(dòng)靈活。

3.2.3 拉伸機(jī)構(gòu)

拉伸機(jī)構(gòu)的拉力由液壓缸提供，液壓缸固定在拉伸機(jī)構(gòu)箱體中，活塞桿通過專用連接部件同拉伸端夾緊機(jī)構(gòu)連接。液壓缸輸出拉力的計(jì)算公式為：

式中，P為液壓缸額定壓力，取25MPa；a為壓力損耗系數(shù)，取0.9；d1為液壓缸缸徑，取280mm；d2為活塞干直徑，取160mm。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（5）計(jì)算可得：

由此可見，液壓缸在額定壓力下輸出的拉力F大于此次張拉時(shí)的需用張拉力F0，因此不僅滿足此次張拉要求，同時(shí)也可滿足更大尺寸蒙皮的張拉?，F(xiàn)根據(jù)需用張拉力F0計(jì)算液壓缸實(shí)際工作所需的壓力P0：

代入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算可得：

3.2.4 液壓及電控系統(tǒng)

蒙皮張拉過程中，液壓系統(tǒng)提供蒙皮的夾緊力和張拉力，操作人員通過電控系統(tǒng)操作面板上的按鈕對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)蒙皮的夾緊、拉伸和釋放，以及整個(gè)設(shè)備的開關(guān)、急停，并設(shè)有旋鈕用于調(diào)整液壓系統(tǒng)壓力。此外還設(shè)有顯示面板，實(shí)時(shí)顯示液壓系統(tǒng)壓力和蒙皮伸長量。

4 結(jié)論

通過分析，筆者對(duì)蒙皮張拉工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并根據(jù)新的工藝要求設(shè)計(jì)制造了新型蒙皮張拉裝置。采用新工藝參數(shù)和新增設(shè)備，有效地控制了側(cè)墻制造過程中蒙皮失穩(wěn)變形，車體表面平整光滑，整車質(zhì)量滿足了設(shè)計(jì)需求。