跨坐式單軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架總組定位工裝設(shè)計(jì)

王志偉 葛懷普 趙明明 朱龍輝 吳月峰

(中車浦鎮(zhèn)龐巴迪運(yùn)輸系統(tǒng)有限公司，241060，蕪湖//第一作者，工程師)

跨坐式單軌系統(tǒng)采用橡膠輪胎和混凝土預(yù)制軌道梁，具有爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、占地少、噪聲低、運(yùn)量適中、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)[1]。跨坐式單軌車輛跨在軌道梁上運(yùn)行,軌道梁一般采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱型梁?？缱絾诬壾囕v除底部的走行輪外，在車體兩側(cè)下垂部分設(shè)有夾行于軌道梁兩側(cè)的導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪，以保證車輛沿軌道安全平穩(wěn)行駛[2]。

1 跨坐式單軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)

跨坐式單軌轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)理念與常規(guī)的軌道車輛相比有很大差異。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架的軌道均為雙股鋼軌，行走部位為鋼制輪對(duì)，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主要由橫、側(cè)梁組成，呈H型[3]。而跨坐式單軌車輛的軌道是復(fù)合石制材料制成的方形單軌道梁。單軌車輛轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架也完全突破了原有的設(shè)計(jì)，主要由基礎(chǔ)框架及側(cè)梁兩大部件組焊而成，結(jié)構(gòu)緊湊(見圖1)?；A(chǔ)框架是齒輪箱、電機(jī)及導(dǎo)向輪等大部件的主要承載載體。走行輪為橡膠輪胎，位于基礎(chǔ)框架的中心部位。導(dǎo)向輪在行走中起導(dǎo)向作用，位于基礎(chǔ)框架的兩側(cè)。側(cè)梁是穩(wěn)定輪及空簧部件的主要承載載體，穩(wěn)定輪主要在行走過程起穩(wěn)定作用，空簧主要起承載豎向載荷和豎向減震的作用。穩(wěn)定輪及導(dǎo)向輪對(duì)稱設(shè)置于軌道梁的兩側(cè)。

圖1 跨坐式單軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)示意圖

作為轉(zhuǎn)向架主要負(fù)載的兩大部件，基礎(chǔ)框架與側(cè)梁相對(duì)位置尺寸的精度將直接影響轉(zhuǎn)向架裝配及承載能力。

2 跨座式單軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架組裝工藝

2. 1 工藝路線

構(gòu)架組焊工藝流程如圖2所示：①完成側(cè)梁、基礎(chǔ)框架這兩大關(guān)鍵分部件的組焊；②在構(gòu)架總組工序進(jìn)行兩大部件之間的組裝與焊接；③構(gòu)架焊接完成后，進(jìn)行機(jī)加工及油漆作業(yè)。

圖2 跨坐式單軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架組焊工藝流程

圖3 跨坐式單軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架總組尺寸的控制要求

在試制過程中發(fā)現(xiàn)，圖示尺寸在構(gòu)架側(cè)梁端部超出了公差，經(jīng)對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)主要是由于組裝定位偏差及焊接變形引起。焊接變形通常是指因焊接高溫引起的尺寸收縮、角度變形及彎曲變形等。其中：尺寸收縮可以通過基礎(chǔ)件的工藝放量來實(shí)現(xiàn)焊后尺寸控制；角度變形及彎曲變形等必須通過合理的組裝定位工裝、焊接順序及預(yù)變形來實(shí)現(xiàn)控制。因此，構(gòu)架的最終尺寸控制主要通過基礎(chǔ)件工藝放量、焊接順序、焊接工裝及合理的預(yù)變形這四種方式實(shí)現(xiàn)。本文主要從焊接工裝優(yōu)化及預(yù)變形量化兩個(gè)方面通過優(yōu)化前后的對(duì)比，實(shí)現(xiàn)構(gòu)架關(guān)鍵尺寸的控制。

2. 2 優(yōu)化前工裝

2. 2. 1 優(yōu)化前的工裝結(jié)構(gòu)

優(yōu)化前工裝為對(duì)稱結(jié)構(gòu)如圖4所示，包含主體結(jié)構(gòu)、限位塊、快速夾緊裝置及定位銷。構(gòu)架優(yōu)化前組裝的示意圖如圖5所示，操作步驟如下：

1) 把兩側(cè)側(cè)梁部件預(yù)組裝到基礎(chǔ)框架上；

2) 把側(cè)梁預(yù)組工裝組裝到基礎(chǔ)框架工裝上，用定位銷定位，使接觸面緊密貼合；

3) 夾緊定位工裝快夾裝置；

4)y方向通過限位塊定位，x方向通過基礎(chǔ)框架折彎圓弧側(cè)梁進(jìn)行自定位；

5) 定位焊接。

圖4 構(gòu)架優(yōu)化前的工裝結(jié)構(gòu)

圖5 構(gòu)架優(yōu)化前的組裝示意圖

2. 2. 2 優(yōu)化前的工裝缺點(diǎn)

通過試驗(yàn)與驗(yàn)證，優(yōu)化前的工裝在使用過程中存在較大的不足，無法滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。主要缺點(diǎn)如下：

1) 無法實(shí)現(xiàn)側(cè)梁上端定位組裝控制；

2) 依靠基礎(chǔ)框架折彎特征無法實(shí)現(xiàn)對(duì)側(cè)梁x方向的準(zhǔn)確定位；

3) 僅適用于側(cè)梁裝配過程，因工裝影響后道工序的焊接作業(yè)，所以在后道工序焊接前需拆除此工裝，導(dǎo)致了焊接變形無工裝控制；

4) 裝配過程調(diào)整無法量化，無法計(jì)算組裝過程偏差及變形的規(guī)律性；

5) 組裝過程需借助激光測量儀及卷尺等量具，且需不斷復(fù)核，組裝誤差較大，生產(chǎn)效率低下；

6) 構(gòu)架焊后尺寸控制不穩(wěn)定，尺寸波動(dòng)大。

2. 3 優(yōu)化后工裝

2. 3. 1 優(yōu)化后的工裝結(jié)構(gòu)

工裝的改善優(yōu)化不但需要解決老工裝的缺點(diǎn)，還要考慮組裝后進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)需具備充足的操作空間。基于此，工裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)為組合式結(jié)構(gòu)，包含兩個(gè)模塊，如圖6所示。其中：x向控制模塊(見圖7)包含主體骨架、定位銷及調(diào)整螺桿，主要功能為實(shí)現(xiàn)側(cè)梁x方向的組裝定位，以及控制焊接過程x方向的焊接變形；y向控制模塊(見圖8)主要功能為實(shí)現(xiàn)側(cè)梁在y方向的對(duì)稱組裝定位，包含主體骨架、定位銷及調(diào)整螺桿。構(gòu)架總組工序焊縫呈對(duì)稱狀態(tài)分布于側(cè)梁部件兩側(cè)，可通過合理設(shè)計(jì)焊接順序來有效控制其焊接變形。因而，y向控制模塊僅在組裝過程中使用，組裝完成后移除，為后續(xù)焊接作業(yè)預(yù)留作業(yè)空間。

圖6 構(gòu)架優(yōu)化后的組合工裝結(jié)構(gòu)

圖7 x向控制模塊

優(yōu)化后的工裝用可讀刻度調(diào)整螺桿代替優(yōu)化前工裝的快速夾緊裝置及限位塊，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)夾緊位置量化調(diào)節(jié)控制(見圖9)。帶刻度的調(diào)整螺桿包括端部夾緊頭、螺套及刻度螺桿，端部夾緊頭采用可調(diào)整結(jié)構(gòu)便于使用過程中的校正與更換，刻度螺桿尾部采用激光刻打刻度標(biāo)尺，用以量化調(diào)節(jié)量，便于記錄、追溯、對(duì)比、分析與優(yōu)化等。

圖8 y向控制模塊

圖9 帶刻度的調(diào)整螺桿

2. 3. 2 優(yōu)化后的工裝優(yōu)點(diǎn)

1) 增加了側(cè)梁端部定位結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)側(cè)梁上端定位組裝的控制、量化和記錄；

2) 增加了y方向定位結(jié)構(gòu)，提高了定位穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，原通過折彎特征實(shí)現(xiàn)側(cè)梁y方向定位僅作為優(yōu)化后工裝的輔助參考；

3) 采用組合模塊，焊接變形較大位置保留對(duì)應(yīng)的工裝模塊，以控制焊接變形；

4) 采用帶刻度的調(diào)整螺桿，實(shí)現(xiàn)了各調(diào)節(jié)位置的量化以及焊接變形量化，從而實(shí)現(xiàn)工藝放量優(yōu)化及穩(wěn)定控制；

5) 組裝偏差可讀可控，不需要復(fù)核，提高了生產(chǎn)效率；

6) 通過組裝偏差及焊接變形量化值與構(gòu)架最終檢驗(yàn)尺寸進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)了快速、高效的反饋控制。

2. 3. 3 工藝步驟

優(yōu)化后的工藝步驟為：

1) 兩側(cè)梁落胎;

2) 組裝x向控制模塊，采用定位銷定位在基礎(chǔ)框架工裝上，用螺栓固定(見圖10)；

3) 組裝y向控制模塊，采用定位銷定位在x向控制模塊上(見圖11);

4) 對(duì)稱調(diào)節(jié)工裝各處夾緊螺桿,以滿足產(chǎn)品尺寸要求,然后進(jìn)行定位焊接;

5) 移除y向控制模塊,進(jìn)行后續(xù)滿焊作業(yè)。

采用自帶刻度的夾緊螺桿完成各夾緊位置的調(diào)節(jié)后,編號(hào)記錄調(diào)節(jié)量。通過與構(gòu)架最終結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在下一構(gòu)架組裝時(shí)進(jìn)行微調(diào)完善，待產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定控制后，把各處刻度讀數(shù)就近標(biāo)識(shí)與對(duì)應(yīng)位置形成工藝標(biāo)準(zhǔn)。再次組裝時(shí)根據(jù)標(biāo)示值實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)，以提高工作效率。

圖10 x向控制模塊組裝

圖11 y向控制模塊組裝

2. 4 優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)對(duì)比

首先，優(yōu)經(jīng)后的工裝提高了生產(chǎn)效率，組裝時(shí)間由原來的194 min減少至約62 min，生產(chǎn)效率提升了約2倍；其次，優(yōu)化后的工裝可以進(jìn)行精確組裝定位、焊接變形控制及量化預(yù)變形，可實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)架側(cè)梁尺寸有效控制。選取工裝優(yōu)化前后的組焊構(gòu)架各三件進(jìn)行焊后尺寸檢測對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 優(yōu)化前后構(gòu)架關(guān)鍵尺寸處偏差測量結(jié)果對(duì)比 mm

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)制作的組合式工裝，實(shí)現(xiàn)了跨坐式單軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的側(cè)梁精確組裝定位、焊接過程變形控制及預(yù)變形量化，有效控制了產(chǎn)品x方向和y方向的尺寸。該組合式工裝結(jié)構(gòu)可以在定位完成后移除干涉焊接作業(yè)的模塊，從而為后續(xù)的焊接作業(yè)預(yù)留出足夠的作業(yè)空間。

刻度螺桿的創(chuàng)新采用，實(shí)現(xiàn)了組裝尺寸及焊接變形的量化，滿足組裝過程對(duì)尺寸記錄、可追溯性方面的要求，為組裝尺寸的對(duì)比分析、優(yōu)化、預(yù)變形量設(shè)置等提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。通過不斷優(yōu)化調(diào)節(jié)量，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品尺寸的有效快速控制，以及產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)步提升。