楊成　周波

摘要：根據(jù)高速動車組司機室結(jié)構(gòu)特點，應用模塊化設計技術，將司機室分拆成幾大模塊分別進行結(jié)構(gòu)設計，并對關鍵技術進行了重點論述。通過模塊化設計，降低了結(jié)構(gòu)復雜程度，保證了裝配精度和外輪廓尺寸，能夠滿足頭車流線型氣動外形對輪廓度的要求。

關鍵詞：高速動車組；鋁合金司機室；模塊化設計

前言

隨著列車運行速度的提高，列車與周圍空氣的相互作用加劇，空氣動力學問題越來越突出。列車頭部外形的流線化直接影響到整個列車的氣動特性，良好的車頭外輪廓可有效降低運行時的空氣阻力及列車交會壓力波等問題。高速動車組鋁合金司機室由外層蒙皮和內(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，且檢驗和調(diào)修難度高，生產(chǎn)效率低，勞動強度大。因此在設計階段引入模塊化設計理念，在滿足結(jié)構(gòu)強度要求的同時，降低司機室結(jié)構(gòu)的工藝復雜性，控制焊接變形量，以滿足頭車流線型氣動外形對輪廓度的要求。

1鋁合金司機室結(jié)構(gòu)概述

為最大程度降低氣動阻力，司機室外輪廓呈流線型圓滑過渡狀，由多個不同曲面拼接而成，對整體輪廓度要求較高。司機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。

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

2司機室型材

司機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度，又可擠壓出形狀較為復雜的薄壁空心型材，滿足司機室結(jié)構(gòu)對材料輕量化、強韌性、三維彎曲成形、焊接性和加工性的要求。生產(chǎn)時先對型材進行三維折彎，而后經(jīng)熱處理和機加工制成所需零件。

在型材截面上集成模塊化的焊接接頭，接頭由標準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)時可以省去安裝焊接背板和打磨坡口的時間，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，在建模和制圖時，可直接從數(shù)據(jù)庫調(diào)用模塊化的焊接接頭，提高設計效率。

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)相對應位置的車頭外形，由多點成形三維拉彎而成，經(jīng)熱處理和機加工，再組焊成司機室各大模塊所需蒙皮組件。

支撐梁：根據(jù)司機室結(jié)構(gòu)特點及強度要求，支撐梁為不同截面形狀的中空或開口薄壁拉伸型材，強度高，重量輕，同時又可以將車頭擋風玻璃及側(cè)窗玻璃所需安裝面和車內(nèi)設備安裝所需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、熱處理和機加工，得到司機室骨架所需零件。支撐梁三維拉彎時，易出現(xiàn)截面畸變、翹曲等工藝缺陷，因此在設計時，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，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，在蒙皮零件上做好標記，保證焊接時的裝配精度。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，根據(jù)司機室結(jié)構(gòu)特點，合理分配各個組單元，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)量和連接強度。次支撐梁與蒙皮的T字形加強筋之間采用角焊縫的形式連接，既能保證連接強度，減少焊接準備時間，同時由于焊縫位于加強筋上，可有效降低焊接變形量，保證蒙皮表面圓滑。

3.4司機室總成組焊

司機室結(jié)構(gòu)各大模塊在不同工位焊接完成，經(jīng)檢驗滿足公差和焊接質(zhì)量要求后，交到預組裝工位，按照司機室組焊結(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，最后完成整個司機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，在司機室總成組焊過程中，焊接接頭較少，相對應由焊接引起的變形也較小，易于控制司機室外輪廓尺寸和焊縫質(zhì)量。

4模塊化設計的特點

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

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，可重復性好，且對工人的操作技術要求較低。

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

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

5結(jié)論

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