梁連杰 童玉鵬 金文濤 王紅波 周祿軍

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇 南京 210031)

懸掛式空鐵列車屬于單軌交通系統(tǒng)，是一種中低運量的城市軌道交通類型，主要用于高鐵、城際鐵路、長途汽車站、機場、碼頭之間聯絡線，旅游區(qū)、主題樂園等往返線以及景點間連接線[1]。懸掛式空鐵列車具有建設成本較低，安全性高，占地少，空間適應性強以及綠色環(huán)保、噪聲低、環(huán)境協調性好等特點[2]。懸掛式空鐵列車的制造技術在我國尚屬開始階段，列車車體的制造是復雜而系統(tǒng)的工程，因此對其車體的制造工藝方法進行分析及優(yōu)化能夠有效地提高車體質量，提高生產效率，為后續(xù)項目的執(zhí)行提供經驗。

1 懸掛式空鐵列車車體結構

車體采用輕量化設計，采用大型中空鋁合金擠壓型材組焊成整體的殼體承載結構，其結構強度滿足EN 12663要求。車體主要由底架、側墻、車頂、端墻、司機室及零件等模塊組成，各模塊之間采用焊接的方式組成一個整體，車體結構如圖1所示。

圖1 懸掛式空鐵車體結構

2 懸掛式空鐵列車車體制造工藝

2.1 底架制造工藝

底架作為最重要的部件之一，主要承擔著垂向載荷，由3塊鋁合金平地板和2根底架邊梁構成。邊梁與邊梁、邊梁與地板之間均采用插接形式組裝，組裝后采用IGM自動焊接機器人進行焊接，底架的制造工藝流程如下：(1)底架型材反裝組裝；(2)底架反面定位焊；(3)底架由反裝翻轉為正裝；(4)底架正面定位焊；(5)底架正面焊縫滿焊及探傷；(6)底架由正裝翻轉為反裝；(7)底架反面焊縫滿焊及探傷；(8)底架端梁組焊及零件組焊；(9)底架調修及交檢。

根據底架邊梁和地板的結構，采用反裝組裝有利于控制底架寬度與焊接間隙，保證焊接質量。底架焊接后要保證地板橫向上撓0～3 mm，焊接變形的方向主要為焊縫橫向收縮，如何利用后一道焊縫收縮應力，使之與前一道焊縫的收縮應力相抵消是制定合理焊接順序的依據。在底架焊接過程中，正面和反面焊縫均采用由兩側向中心焊接的順序，即先焊接焊縫1與焊縫4，再焊接焊縫2和焊縫3，兩側的第2道焊縫會抵消第1道的橫向應力，如圖2所示。如采用中心向兩側焊接，中心焊縫焊后向下變形，兩側焊接繼續(xù)帶動中心焊縫向下變形，就會形成“大鍋底”狀態(tài)。

圖2 底架正、反裝組焊示意圖

底架端梁組焊是完成底架與端梁的組裝和焊接，需在工裝剛性固定的前提下進行端梁的組裝與定位焊作業(yè)，如圖3所示。底架端梁組裝質量是底架交車尺寸保證的關鍵，在組裝時應注意各尺寸的測量，如：底架長度、底架寬度及底架對角線差。為控制端梁組焊后的平面度，在端梁組裝時須增加工藝撐桿對端梁進行反變形操作，端梁中部往外2～3 mm。反變形法是在構件未焊前，先將構件預制成人為的變形，使其變形方向與焊接引起的變形相反，則焊后構件的變形和預制變形相互抵消，達到構件變形減小或消除焊接變形[3]。底架端梁與地板正面焊縫為對接全熔透焊縫，反面焊縫為卷邊角焊縫，焊縫長度較長，正反面焊縫焊接時均從車中往兩側焊接，先焊接反面焊縫后焊接正面焊縫，并采用分段跳焊的方式減少焊接變形量，如圖3所示。

圖3 端梁組焊順序示意圖

2.2 側墻制造工藝

空鐵列車的側墻為兩側對稱結構，單側側墻由1個側墻大模塊、1個中模塊和1個小模塊組成，每個模塊均由側墻立柱和橫梁組焊而成，結構較為簡單。側墻立柱采用焊接性能和力學性能優(yōu)良的6005A-T6鋁合金擠壓型材，并對型材進行了一定的拉彎處理，以滿足輪廓度要求。

側墻模塊焊接主要是完成立柱與橫梁的焊接，每個側墻模塊以反裝狀態(tài)組裝，通過工裝的輪廓匹配側墻立柱的輪廓，由于橫梁及立柱的剛性較小，采用剛性固定的方法減小焊接變形，防止立柱發(fā)生扭曲變形。良好的焊接位置可以提高焊縫的質量，通過借助翻轉變位機，使側墻立柱與橫梁的焊縫位置均為PA或PB位置。側墻制造工藝流程如下：(1)側墻立柱型材與橫梁反裝組裝；(2)立柱與橫梁反面焊縫滿焊；(3)側墻骨架由反裝翻轉為正裝；(4)立柱與橫梁正面焊縫滿焊；(5)側墻模塊調修、探傷及交檢。

側墻模塊制造時須重點保證側墻的寬度、立柱的外輪廓度以及模塊的對角差等尺寸。立柱輪廓度影響車體總成后的車體寬度及車輛總裝落成后的限界，模塊對角差影響玻璃的安裝以及車體總成時的車門相關尺寸。

2.3 端墻制造工藝

端墻由3塊鋁合金擠壓型材和2個補強門角拼焊而成，結構較為簡單。由于正反均為平面，端墻組焊在多孔平臺上生產，采用先反裝后正裝，再焊門角，焊后打磨，保證門的高度、寬度及對角差和端墻外表面的平面度。端墻組焊工藝流程如下：(1)端墻上墻板與側部板反裝組裝；(2)反面焊縫定位焊滿焊；(3)端墻由反裝翻轉為正裝；(4)正面焊縫定位焊與滿焊；(5)端墻門角組焊；(6)端墻調修、探傷及交檢。

端墻生產過程中，需利用撐桿對門寬及門對角差進行控制，并利用壓緊裝置壓緊墻板，保證端墻的平面度，特別是后續(xù)安裝貫通道位置的端墻平面度。端墻補強門角位置的焊縫交叉為應力集中區(qū)域，焊后打磨應對焊縫拐角位置修磨成圓滑過渡。

2.4 車頂制造工藝

由于懸掛式空鐵列車是車體吊掛在轉向架下方運行，車體與轉向架間用高強度鉚釘鉚接的懸吊機構進行連接，因此車頂是與轉向架的關鍵接口，尤其是牽枕緩。該車牽枕緩結構相對于其他A、B型鋁合金牽枕緩進行了簡化，枕梁、車鉤梁均為一次擠壓成型的型材，大幅減少了焊接工作量及變形。車頂的組焊工藝流程如下：(1)牽枕緩與車頂邊梁反裝組裝；(2)車頂橫梁反裝組裝；(3)車頂反面焊縫焊接；(4)車頂由反裝狀態(tài)翻轉為正裝狀態(tài)；(5)車頂正面焊縫焊接；(6)車頂零件組焊；(7)車頂探傷及交檢。

為控制牽枕緩的整體平面度，車頂采取反裝組裝的方式，以牽枕緩的枕梁機加工面為基準面，通過工裝約束進行邊梁、橫梁的定位組裝，在完成反面焊縫焊接后，將車頂翻轉變?yōu)檎b狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 車頂正、反裝組焊示意圖

車頂的主要焊縫是牽枕緩與車頂邊梁的連接焊縫，由于此處的焊縫比較密集，部分焊縫的焊接位置不良，焊接拐角較多，極易出現氣孔、裂紋等焊接缺陷，對焊工的技能要求較高。焊接時先焊接立向焊縫再焊接水平長直焊縫，避免在拐角處起收弧，枕梁與車頂邊梁焊接順序如圖5所示。

圖5 枕梁與車頂邊梁焊接順序示意圖

此處焊后引起的橫向收縮比較大，因此在焊前需要用工藝撐桿撐緊車頂邊梁，以防焊后橫向收縮引起邊梁扭曲變形。枕梁與車頂邊梁連接處的焊縫極為重要，其質量好壞直接關系到行車安全，因此在焊后需進行無損探傷，確保內部無焊接缺陷。

2.5 車體總成制造工藝

車體總成是將底架、側墻、車頂、端墻以及司機室等各個部件組裝和焊接為一個整體?？砧F列車車體制造工藝流程如圖6所示。

圖6 車體制造工藝流程圖

與A、B型鋁合金地鐵相比，空鐵列車車體長度較短，車體的剛度較大，車體不設撓度。由于車體為懸掛式，為保證車頂枕梁的平面度，車體總成時以反裝狀態(tài)組裝和焊接，如圖7所示。

圖7 車體總成組焊圖

車體各部件組裝后，通過工藝撐桿對車體寬度、高度、對角線差以及門區(qū)的相關尺寸等進行控制，防止焊接變形造成尺寸超差。另外，在端墻組裝時，還需要進行一定的反變形處理。車體總成部件間的焊接，要先焊接側墻立柱與底架、車頂的內部焊縫，再焊接側墻立柱與底架、車頂的外部焊縫，焊接時均采用從中間向兩端，對稱焊接的方式。先進行車體內部焊縫的焊接，車體向內產生橫向焊接收縮，不至于車體焊后側墻外翻，導致車體寬度超差。

端墻外部和內部焊縫的焊接，先焊接外部焊縫后焊接內部焊縫，使端墻焊接后呈外倒狀態(tài)，有利于后續(xù)兩車輛間的貫通道連掛和密封。

由于端墻的板厚僅為2.7 mm，板厚較薄，與車頂及底架的連接為對接橫焊焊縫，焊接時需嚴格控制焊接熱輸入，防止過燒現象。端墻與側墻立柱為搭接立向上焊縫焊接，焊接時進行分段焊接，減少焊接變形，保證端墻板的平面度不大于2 mm/2 m。鋁合金焊接變形與材料本身剛度、焊接結構是否合理、防止焊接變形的約束力大小、焊接電流大小、焊接速度快慢、冷卻方式等很多因素有關，任意改變其中一項則焊接變形隨之改變。所以，焊接變形大小很難用理論公式計算出來，只能通過大量的焊接試驗總結出經驗數值及合理的焊接順序來加以控制。

空鐵列車車體以反裝狀態(tài)完成焊接后，通過翻轉變位設備將整個車體翻轉為正裝狀態(tài)(見圖8)。翻轉需利用合理的工裝對車體進行約束，并控制翻轉速度，保證翻轉變位設備運轉的同步性，防止翻轉過程中的車體扭曲變形。

圖8 整車翻轉過程圖

3 結論

通過對懸掛式空鐵列車結構及制造工藝方法進行分析，為同類產品制造工藝方法提供了技術指導。特別是整車翻轉工藝為首次使用，是否需要整車翻轉還需要根據車體結構及工藝水平、工裝設備情況進行整體考慮。目前，首列新能源懸掛式空鐵列車已完成交付并進行各項試驗的驗證工作，后續(xù)項目的空鐵列車也在加緊制造過程中。