動車組司機室鋼結構制造工藝探討

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摘要:時速160km∕h動力集中動車組是我國普速客車換型的主力產品,司機室鋼結構包括側墻、前墻組成和閘墻等部件。文中從工藝分析、工藝策劃和工藝實施3個方面對司機室鋼結構制造工藝進行了研究。通過焊接工藝評定確定Q460E鋼的焊接材料和焊接工藝參數;通過采用合理工藝流程和工裝等工藝措施,司機室側墻組焊后使用弧形檢測樣板檢測弧形間隙≤2mm;司機室鋼結構組焊后滿足焊接和裝配尺寸要求。

關鍵詞:司機室鋼結構;組焊工裝;焊接工藝評定

軌道交通作為國家發展進程中的重要基礎設施,在經濟發展中起著不可或缺的作用,更與國計民生息息相關。國家和各地方政府加快完善基礎設施建設,勢必會為鐵路客車帶來國內市場的又一個“黃金期”。在不斷提高旅客出行服務體驗的前提下,鐵路客車的改革勢在必行。我國目前已經擁有具有完全自主知識產權、時速達到350km∕h和250km∕h的標準動車組“復興號”。隨著新型城鎮化的發展和區域城市群的形成,為提高運輸組織效率和旅客出行服務,減少基礎投入和設備維護成本,時速160km∕h動力集中動車組項目應運而生[1]。作為“復興號”動車組的系列產品,時速160km∕h動力集中動車組項目參照動力分散動車組進行優化設計,采用流線型外形,內部服務設施設備與既有動車組基本一致,適用于所有普速電氣化鐵路,將成為我國普速客車換型的主力產品。

1復雜結構制造工藝分析

司機室鋼結構包括側墻、前墻組成和閘墻等部件,如圖1所示。司機室采用流線型外形,側墻鋼結構外表面呈三維弧形,三維弧形準確性增加了側墻鋼結構制造難度。司機室鋼結構總組成時閘墻落入兩側墻間,前墻組成安裝彎梁弧形與側墻弧形相匹配,很難保證總組成后鋼結構各個尺寸。司機室結構材料為Q460E鋼,相比較常用的耐候鋼05CuPCrNi及09CuPCrNi,Q460E鋼具有良好的強度、韌性及低溫沖擊性能,在使用前應確定相對應的焊接材料和焊接工藝參數。司機室鋼結構總組成后需要組焊開閉機構安裝座,安裝座位置如圖2所示。安裝座、定位銷和裙板孔等相互配合安裝開閉機構,安裝座組焊時要求精度高,公差為±1mm。相鄰開閉機構安裝座安裝平面存在角度差,操作者手工組對無法滿足安裝座精度和角度差要求。

2工藝策劃要點

2.1焊接材料與工藝參數確定

通過對生產現場實際情況進行分析,結合相關生產進度要求,焊接方法選定為氬-二氧化碳氣體保護焊[2]。Q460E材質化學成分要求見表1,執行標準為GB∕T1591—2008[3]。通過對焊絲執行標準TB∕T2374—2008[4]的研究,按照焊絲選用等強匹配的原則,選取ϕ1.2mm的ER55-G實心焊絲作為Q460E鋼的焊材。ER55-G焊絲化學成分和熔覆金屬力學性能見表2和表3。通過梳理司機室鋼結構焊接接頭形式、板厚組合等信息,確定制作Q460E材質的6mm+6mm角接和6mm+6mm對接接頭的焊接工藝評定,焊接接頭宏觀試樣如圖3所示,工藝評定按照ISO15614-1標準要求執行[5]。通過工藝評定確定了焊接工藝參數,見表4,其中保護氣體選用φ(Ar)82%+φ(CO2)18%,氣體流量為18L∕min。

2.2工藝流程

通過對圖樣和各部件特點進行分析,為更好地控制鋼結構尺寸和焊接變形,將司機室鋼結構生產工序進行細化,分為側墻骨架組焊、側墻組焊、閘墻組焊和前墻組成組焊。各部件組焊完成后進行尺寸檢查,尺寸檢查合格后進行總組成組焊[6]。司機室鋼結構焊接工藝流程如圖4所示。

2.3工裝方案

為保證司機室側墻三維弧形,將側墻生產工序分為側墻骨架組焊和側墻合成組焊。如圖5a所示為側墻合成工裝,工裝橫撐上增加2~5個隨形定位塊,側墻組焊時要求蒙皮與隨形定位塊貼合,使用壓緊裝置將其壓緊后方可焊接。利用三維數據設計軟件設計側墻弧形檢測樣板,如圖5b所示。側墻組焊完成后使用樣板對弧形進行檢測,要求間隙≤2mm,對不合格區域進行調整,直至合格,并要求司機室總組成后再次對側墻弧形進行檢測。圖5司機室側墻鋼結構工裝和樣板

2.4安裝座組對工裝實施

針對安裝座安裝精度和角度差要求,經過圖樣和工裝可行性分析,制作1套開閉機構安裝座組對工裝。工裝采用鋁合金框架結構,使用過程中易于裝卸,方便運輸。為了保證安裝座精度和角度差,工裝以車鉤安裝孔為基準,鋁合金框架組裝后使用數控機床加工,使用三坐標測量機對工裝進行檢測,不合格尺寸需要重新使用數控機床加工直到滿足尺寸精度要求。使用時,將開閉機構安裝座與工裝使用螺栓固定,用螺栓使工裝基準孔與車鉤安裝孔重合后,確定了安裝座的尺寸和角度。安裝座與司機室鋼結構點固焊后將工裝卸下,測量圖樣中所要求的尺寸,尺寸合格后才可進行焊接。

3制造工藝實施

3.1司機室側墻組焊

用吊鏈吊運立柱組件、邊梁組成和腰梁組件等料件吊運至工裝處。組對時要求立柱組成與工裝貼嚴,邊梁組成與弧形定位塊貼嚴,間隙保持在1mm以內,并用快速卡子將料件與工裝夾緊。按照圖樣尺寸放入側墻角鐵,要求角鐵與立柱組件間隙≤1mm。為避免焊接帶來的收縮,邊梁組成與腰梁組件和立柱組件間增加支撐桿,如圖6b所示。側墻合成組對時要求墻板和骨架與定位塊貼嚴,間隙不超過1mm。組對窗口組成和小件時要求窗口組成與骨架研配,小件尺寸符合圖樣要求。料件組對完成后使用壓桿將側墻骨架與墻板壓緊、點固焊。組焊完成后使用側墻弧形檢測樣板檢測弧形。

3.2司機室總組成組焊

(1)將閘墻吊運至總組成工裝,閘墻中心與工裝中心對齊,偏差≤1mm。保證司機室閘墻內外平面與立柱組件平面重合,利用拉桿拉動兩側司機室邊梁,滿足司機室側墻板間距3127+20mm后,將司機室閘墻與側墻進行點固焊。(2)利用線墜測量司機室閘墻立柱、門框等垂直度,保證部件與線墜偏差不超過2mm。司機室側墻前端與前墻組成組對時,推動前墻組成工裝到指定位置,用定位銷將工裝定位。兩者匹配弧形出現偏差時,可以使用拉桿配合弧形壓緊裝置,調整弧形偏差。組對時要求弧形偏差≤1mm,側墻前端與前端連接板間隙≤2mm。組對完成后進行點固焊。考慮到司機室組焊后的焊接變形,為保持側墻三維弧形和司機室鋼結構尺寸,需要在司機室側墻間增加工藝拉桿。拉桿支撐點應該在邊梁和腰梁等組成件上,拉桿數量不少于7根,拉桿位置如圖7所示。拉桿支撐后保證司機室側墻與工裝弧形板貼嚴。按照圖樣要求對司機室組成進行焊接,焊接可參照WPS文件,依次焊接司機室閘墻部位、腰梁組成部位、彎梁組成部位。按照從中心向兩側、分段焊接的方式焊接。所有的焊縫冷卻至室溫后再將工裝拆卸,并對焊縫進行打磨清理。

4結論

(1)司機室側墻通過工裝等工藝措施組焊后,使用弧形檢測樣板檢測弧形間隙≤2mm。(2)通過焊接工藝評定確定Q460E鋼的焊接材料和焊接工藝參數,保證司機室鋼結構的強度,有效控制了焊接變形。(3)通過合理工藝流程,使用組焊工裝,實現司機室鋼結構的組焊,組焊完成后寬度(3360±3)mm,高度(3033±3)mm,長度(3514±5)mm,滿足司機室鋼結構焊接和裝配尺寸要求。

參考文獻:

[1]楊雨佳,閆石磊,于海,等.時速160公里動力集中動車組車頂制造工藝研究[J].金屬加工,2019(6):29-31.

[2]王宗杰.熔焊方法及設備[M].北京:機械工業出版社,2013.

[3]中國國家標準化管理委員會.GB∕T1591—2008低合金高強度結構鋼[S].北京:中國標準出版社.

[4]中國人民共和國鐵道部.TB∕T2374—2008鐵道車輛用耐大氣腐蝕鋼及不銹鋼焊接材料[S].北京:中國鐵道出版社.

[5]ISO技術委員會.ISO15614-1—2004金屬材料焊接工藝規范和合格試驗[S].瑞士日內瓦:國際標準組織.

[6]黃治軼,耿非,李威.鐵路客車側墻大板工藝與側墻小板工藝分析[J].城市軌道交通研究,2008,5(9):29-31.

作者：張野 胡立國 張強 周勇 裴起 單位：中車長春軌道客車股份有限公司