城軌車輛一體式貫通道配套端墻結(jié)構(gòu)設(shè)計及焊接工藝

李磊，臧蘭蘭，畢長生

(1．中車大連機(jī)車車輛有限公司，遼寧大連116021;2．國網(wǎng)大連供電公司，遼寧 大連116032)

0 前言

隨著社會的快速發(fā)展，城市對便利交通的需求與日俱增，私家車輛的增多對交通造成的巨大壓力使得公共交通再次成為被關(guān)注的焦點［1］。地鐵車輛因其具有經(jīng)濟(jì)、快速、安全、節(jié)能等特點正逐步走進(jìn)人們的視線，并以其優(yōu)越的表現(xiàn)而受到青睞。地鐵車輛在承擔(dān)城市交通運輸工作的同時，也逐步演變?yōu)橐粋€城市發(fā)展水平的體現(xiàn)，因此地鐵車輛的設(shè)計理念也正在被重視起來［2］。貫通道系統(tǒng)作為車輛的連接機(jī)構(gòu)，其美觀實用性也備受關(guān)注，這對用于固定貫通道系統(tǒng)的端墻鋼結(jié)構(gòu)及相關(guān)的生產(chǎn)工藝提出了新的設(shè)計要求。由于一體式貫通道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的變化，實現(xiàn)車體連接時接口結(jié)構(gòu)也發(fā)生了相應(yīng)的變化。為了適應(yīng)其安裝要求，需從實際生產(chǎn)出發(fā)，對原有車輛結(jié)構(gòu)中的端墻結(jié)構(gòu)作出合理的設(shè)計改進(jìn)，使端墻結(jié)構(gòu)在滿足車輛基本強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，能夠具有良好的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安裝適應(yīng)性。文中將從一體式貫通道在城軌車輛中的應(yīng)用出發(fā)淺談端墻鋼結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計及焊接工藝。

1 貫通道簡介

城軌車輛貫通道位于兩節(jié)車廂的連接處，是連接兩車廂通道的重要組成部分［3－5］。作為車輛曲線通過時的關(guān)節(jié)部位，貫通道系統(tǒng)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)設(shè)計必須滿足乘客自由的在列車各客室之間穿行且沒有任何潛在的危險，并能在任何條件下保持整列車的連接。一體式貫通道不但具有組件少、結(jié)構(gòu)簡單的特點，同時還具有高等級的隔熱、隔音、防火和水密性能，主要應(yīng)用于相對較固定編組的車輛上。隨著地鐵車輛設(shè)計水平的提高，貫通道系統(tǒng)也朝著更安全、更美觀的方向邁進(jìn)，達(dá)到與車輛整體運行環(huán)境相匹配的目的。

1.1 貫通道的基本結(jié)構(gòu)

城軌車輛用貫通道主要由渡板總成、滑動側(cè)墻、側(cè)墻鎖閉機(jī)構(gòu)、頂板總成、帶有固定件的螺釘框和折棚6部分組成［6］，如圖1 所示。

(1)渡板總成。渡板總成由上渡板和下渡板組成，渡板總成能夠保證與連掛車輛運行過程中的各種復(fù)雜運動相適應(yīng)，在確保乘客安全通過的同時為站立的乘客提供安全的站立空間。具有足夠的強(qiáng)度和剛度，具有不少于8人/m2的承載能力，其中單個人的質(zhì)量按照60 kg計算。

(2)滑動側(cè)墻?；瑒觽?cè)墻總成包含以鋁合金型材為主體的側(cè)墻、上下橡膠擋板及覆蓋、滑桿機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)軸折頁等部件。滿足車輛對貫通道的要求，可滿足車輛在各種工況下的運動。

(3)側(cè)墻鎖閉機(jī)構(gòu)。由鎖桿機(jī)構(gòu)和安裝螺釘板組成，用來鎖閉側(cè)墻機(jī)構(gòu)。

(4)頂板總成。由雙層頂板和單層頂板構(gòu)成，單層板插入雙層板的槽內(nèi)，鉸鏈用螺釘與車體端墻面實現(xiàn)連接［3］。

(5)螺釘框。由U形鋁型材與壓板結(jié)構(gòu)焊接組成，通過沉頭內(nèi)六角螺釘來實現(xiàn)與車體端面的連接。通過壓板結(jié)構(gòu)、橡膠型材實現(xiàn)折棚總成與其兩端螺釘框的整體連接。

(6)折棚。折棚由向內(nèi)開放的靈活U形棚布構(gòu)成，每個折環(huán)的下部設(shè)有兩個排水孔。折棚總成用棚布的材質(zhì)所需選用特制的阻燃、高強(qiáng)度、耐老化材料，在－35～+45℃范圍內(nèi)能夠正常使用［4］。棚布采用雙層中空式結(jié)構(gòu)，大大提高了整個折棚機(jī)構(gòu)的隔聲、隔熱性能。折棚各個折縫邊緣采用鋁合金型材鑲嵌，折棚體通過鎖閉機(jī)構(gòu)與螺釘框之間進(jìn)行連接［3］。

1.2 貫通道的性能特點

貫通道通常的運行溫度為－30～+80℃，結(jié)構(gòu)部件使用壽命為30年，折棚壽命不少于15年。貫通道需要具有良好的縱向伸縮性和橫向、垂向的柔性，以適應(yīng)車輛運行中振動并滿足安全通過曲線、道岔的要求;同時還應(yīng)具有減少空氣阻力的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及良好的氣密性和隔聲性能，在保證運行速度的前提下盡可能地為乘客提供舒適的乘車環(huán)境。此外，貫通道系統(tǒng)中涉及非金屬的材料還需要具有高等級的防火性能、煙霧測試和毒氣測試需符合行業(yè)內(nèi)國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其主要特點如下。

(1)貫通道采用端部快速解編方式，兩端設(shè)連接框，通過內(nèi)設(shè)旋轉(zhuǎn)解鎖裝置可以完成貫通道系統(tǒng)的快速連接鎖定和快速解編［3］。

(2)貫通道內(nèi)部設(shè)有內(nèi)飾板，顏色采用與客室內(nèi)裝顏色相同或相近顏色，保持車內(nèi)裝飾風(fēng)格的一致性。

(3)貫通道系統(tǒng)具有良好的防雨、防風(fēng)、防塵、隔音和隔熱功能，可滿足車輛在地下、地面線路運行的要求。

(4)貫通道能順利通過最惡劣的運行條件，并保證沒有零件損壞且運動不受到限制、無異響和摩擦聲。惡劣工況包括過半徑R彎道運行、直道進(jìn)入半徑R彎道運行、過半徑R的S曲線運行等工況，同時應(yīng)考慮在各個工況下車鉤分別拉伸最大量和壓縮最大量時的運行狀況。

1.3 貫通道的安裝

一體式貫通道系統(tǒng)是一個整體結(jié)構(gòu)，不可拆分，適用于固定編組的車輛上，與車體之間通過機(jī)械連接而成。安裝過程主要包含以下內(nèi)容。

(1)確保車體端墻結(jié)構(gòu)上的螺紋孔位置與螺釘框安裝孔相對應(yīng)。

(2)將螺紋孔上油漆等異物清除干凈。

(3)用起重機(jī)將折棚總成置于安裝位置，保證車廂側(cè)渡板總成位于中間渡板上方。

(4)慢慢抬起渡板頁直到恰當(dāng)?shù)卮钤谥虚g渡板上，使中間框上的滑動支撐位于車鉤上。

(5)用螺栓固定螺釘框，中間可使用定位銷定位，先對準(zhǔn)對角線上螺栓并預(yù)緊，隨后安裝其它螺栓。

(6)將兩節(jié)車廂靠近并連掛車鉤，重復(fù)從(1)～(5)的安裝步驟將折棚安裝到另外一節(jié)車廂的端墻上。

(7)用鑰匙鎖緊渡板上的直角回轉(zhuǎn)鎖，完成貫通道系統(tǒng)的安裝。

1.4 貫通道安裝注意事項

安裝過程中需注意，安裝過程中盡可能在折棚外部區(qū)域升降折棚總成，保證折棚機(jī)構(gòu)受力均勻，避免變形產(chǎn)生。運輸過程中需將貫通道機(jī)構(gòu)固定于車廂一側(cè)并支撐收緊，避免事故發(fā)生和機(jī)構(gòu)的損壞。

2 端墻鋼結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

一體式貫通道需要與車體端墻間進(jìn)行機(jī)械連接，因此地鐵車輛的端墻鋼結(jié)構(gòu)除了需要滿足車體承載要求的同時，保證車輛之間貫通道的安裝，使乘客能在車廂內(nèi)自由通行，還需要考慮電氣走線座固定位置、制動腳踏泵的安裝和生產(chǎn)工藝的可操作性，本著安全、環(huán)保、節(jié)約成本的前提，力爭打造更加優(yōu)質(zhì)精品化的城軌車輛。

2.1 一體式貫通道端墻鋼結(jié)構(gòu)方案

城市軌道車輛車體端墻結(jié)構(gòu)選用SUS301系不銹鋼薄板，通過電阻點焊搭接方式組焊構(gòu)成，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、免涂裝等特點。端墻鋼結(jié)構(gòu)主要用于車輛兩端封閉，并作為兩輛車之間貫通道的連接基礎(chǔ)，由上部橫梁、側(cè)彎梁、小立柱和底部橫梁共同組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。其設(shè)計在滿足功能的同時，還應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度以承受車輛運用過程中的各種載荷。

圖2 端墻鋼結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 端墻鋼結(jié)構(gòu)方案工藝優(yōu)勢

根據(jù)焊接標(biāo)準(zhǔn)，考慮板材之間的搭配并選擇合適的焊接參數(shù)組焊端墻，合理控制電阻點焊熔核直徑，以此控制整個端墻結(jié)構(gòu)的承載能力。通過模型的有限元分析，計算結(jié)果滿足對車體鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求。

該端墻方案在原有方案基礎(chǔ)上做出了如下改進(jìn)。

(1)符合一體式貫通道的安裝方式。

(2)頂部橫梁在車輛寬度方向上為通長結(jié)構(gòu)，能夠更好地保證頂部蒙皮的焊接平整度。

(3)頂部橫梁裝配改進(jìn)為9根豎梁的整體性橫梁支撐結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)端墻上部整體性和承載能力。

(4)門口處作出大開口設(shè)計，能夠更好地與貫通道進(jìn)行連接，改善包裹度和美觀度。

(5)減少異形件的設(shè)計，在保證端墻性能同時降低生產(chǎn)難度。

3 端墻結(jié)構(gòu)焊接工藝

3.1 接頭應(yīng)力有限元計算分析

參照點焊接頭剪切拉伸疲勞試驗方法的規(guī)定制備試件幾何模型［7］(圖3)，運用有限元分析軟件初步分析不同板厚搭接點焊接頭在剪切拉伸試驗中的應(yīng)力大小及分布情況，并依據(jù)此分析結(jié)果初步確定焊接參數(shù)。為了防止不等厚板焊接試樣在剪切拉伸試驗過程中產(chǎn)生偏心作用，在上、下板均焊上墊板，以保證焊接接頭受力均勻［8－9］。

圖3 幾何模型

建立有限元模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分析模型如圖4所示。焊縫附近區(qū)域為重點計算區(qū)域，單元尺寸設(shè)置為0．2 mm ×0．2 mm ×1．0 mm，電阻點焊接頭計算單元為13 100，節(jié)點數(shù)為19 500。模型為3D實體模型，單元類型為C3D8。

圖4 有限元分析模型

冷軋SUS301L奧氏體不銹鋼的基本參數(shù)根據(jù)其軋制程度的不同而存在差異，模擬主要針對焊接較多的端墻蒙皮與壓型彎梁材料進(jìn)行分析，該種材料較普通的碳鋼材料具有強(qiáng)度高、硬度大、電阻率高、導(dǎo)熱性差以及線膨脹系數(shù)大的特點，其物理屬性見表1。

表1 SUS301L鋼的物理性能

考慮熔核、熱影響區(qū)和母材的材料差異，模擬過程依附于試驗中室溫(293 K)下測得的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線來控制材料的應(yīng)力應(yīng)變特性，如圖5所示。

圖5 母材應(yīng)力－應(yīng)變曲線

3.2 計算結(jié)果及分析

圖6 為電阻點焊接頭在進(jìn)行剪切拉伸模擬狀態(tài)下的應(yīng)力分布云圖。焊縫接合面邊緣處易出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，即裂紋起始位置。

圖6 應(yīng)力分布云圖

根據(jù)Mises屈服準(zhǔn)則，等效應(yīng)力率先達(dá)到屈服強(qiáng)度的位置將出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，裂紋的擴(kuò)展路徑與應(yīng)力分布和應(yīng)力集中狀況有著必然的聯(lián)系［8］。由試驗結(jié)果可知，焊接接頭邊緣熱影響區(qū)位置是裂紋源產(chǎn)生的位置，該處應(yīng)力集中最大。電阻點焊于骨架板上焊點熱影響區(qū)處率先出現(xiàn)屈服。選擇模型上通過熱影響區(qū)最大應(yīng)力處試件橫向方向為路徑提取計算所得應(yīng)力值，在不同的外力水平下，得到圖7所示的應(yīng)力分布情況。圖7是應(yīng)力在模型上的橫向分布，應(yīng)力最高點位于中間(焊縫處)。計算結(jié)果表明，電阻點焊模型在外加面均布應(yīng)力為30 MPa 時發(fā)生屈服［8］。

圖7 電阻點焊接頭應(yīng)力分布

由此可見，試件的破壞位置在應(yīng)力峰值處(產(chǎn)生最大應(yīng)力處)出現(xiàn)，計算所得應(yīng)力隨著外加載荷的增大而增大，電阻點焊熔核邊緣為焊縫質(zhì)量的主要關(guān)注位置。

3.3 端墻結(jié)構(gòu)焊點布置

基于以上分析結(jié)果可知，對于電阻點焊接頭承載薄弱位置為焊點周圍熱影響區(qū)附近，結(jié)合應(yīng)力分布狀態(tài)及承載能力分析，同時為保證美觀度并綜合考慮車間設(shè)備規(guī)格及生產(chǎn)能力，確定端墻鋼結(jié)構(gòu)電阻點焊焊點布置如圖8所示。

對于不銹鋼薄板的電阻點焊，已經(jīng)掌握了較為成熟的參數(shù)配置方法。工藝參數(shù)選擇原則如下:焊接電極的端面形狀為圓形，電極端面直徑為5．0～6．0 mm。根據(jù)材料和厚度初步選定電極壓力和焊接時間，然后調(diào)節(jié)焊接電流，得到不同的電流焊接試樣;經(jīng)檢查熔核直徑符合要求后，再在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)調(diào)節(jié)電極壓力、焊接時間和焊接電流，進(jìn)行試樣的焊接和檢驗，直到焊點質(zhì)量完全符合技術(shù)條件所規(guī)定的要求為止。為了保證冷作硬化不銹鋼板的點焊質(zhì)量，需結(jié)合該種材料的點焊工藝特點，采用較小的焊接電流、較短的焊接時間和較高的電極壓力，以防止產(chǎn)生縮孔、裂紋等缺陷。通過準(zhǔn)確地控制加熱時間、焊接時間及焊接電流，來防止熱影響區(qū)晶粒長大和出現(xiàn)晶間腐蝕現(xiàn)象，進(jìn)而確保端墻結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度能夠滿足整車強(qiáng)度要求，同時能夠適應(yīng)一體式貫通道的安裝連接要求，見表2。

圖8 端墻結(jié)構(gòu)焊點布置

表2 端墻結(jié)構(gòu)焊點分布及工藝參數(shù)

4 結(jié)論

(1)一體式貫通道以其結(jié)構(gòu)簡單、美觀度高、隔熱隔聲性能強(qiáng)等優(yōu)勢成功應(yīng)用于各大城市地鐵車輛的設(shè)計中，適用于一體式貫通道的端墻鋼結(jié)構(gòu)新方案能夠滿足現(xiàn)有貫通道的安裝和使用要求。

(2)應(yīng)用數(shù)值模擬軟件對電阻點焊承載時的應(yīng)力分布作出分析，得到電阻點焊接頭處應(yīng)力分布趨勢，同時確定了決定焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵部位。

(3)結(jié)合實際生產(chǎn)條件及焊接設(shè)備，給出具有參考意義的不銹鋼端墻結(jié)構(gòu)電阻點焊工藝方案，為城軌車輛的模塊化設(shè)計打下了基礎(chǔ)。