不銹鋼地鐵車體側墻制造工藝改進策略

韓俊偉 賈偉男 李旸 張帥 袁冬

【摘要】隨著國內外城市軌道交通的迅速發展，軌道車輛也迅速發展。 不銹鋼地鐵車輛以其無漆，低維護，輕量化，耐老化，耐腐蝕和耐磨等優良特性，已成為中國地鐵乘用車的未來發展方向。

本文提出了一種優化地鐵車身側墻生產工藝的方法，將I-DEAS有限元分析引入生產工藝，充分利用數據計算和分析的優勢，并結合數值模擬和實驗測試來提高產品質量和生產效率。在整個車身制造過程中，可以使用此方法找到問題分析的對策。

【關鍵詞】地鐵 ?側墻制造;工藝優化;有限元分析

1 不銹鋼車體鋼結構的基本介紹

本文以越南線車輛為例說明車體結構形式，車體斷面及車體鋼結構圖如圖1、圖2所示。越南線車體全長： 間車體為19米，帶司機室車體為 19.5米;車體最大寬度為2.8米 。車體呈鼓形，車體鋼結構采用薄壁、筒型整體承載結構，由底架、側墻、端墻、車頂組成，各部件是由柱、梁相互聯接起來的骨架與其上面所焊接的外板組成，車體剛度由整個車體結構來保持[1]。

不銹鋼車體結構設計形式多采用搭接方式，并使用連接件過渡;結構件所采用的板厚減薄，僅滿足強度要求即可，不必再保留腐蝕量。 車體由底架、車頂、2扇側墻、2塊端墻六大模塊組焊而成，大量采用薄板、薄板壓型件和型材，充分利用不銹鋼材料的高抗拉強度，減少材料的使用量，實現車體輕量化[2]。

2 側墻工藝優化

2.1 工藝流程

不銹鋼車體結構設計采用薄板、板梁搭接結構形式，決定了不銹鋼車體制造的方法。不銹鋼車體焊接主要采用點焊焊接工藝，車體結構部位不同，所采用的點焊方式也不同，不銹鋼車體焊接主要采用單面雙點（也可單面單點）、雙面單點和迂回點焊的焊接方式。

2.2 問題表現與分析

通過在制造過程中進行批量跟蹤和測量，發現裝配焊接后的側墻合格等級較低，并且大多數尺寸需要進行調整以確保定制之前的合格系數滿足要求，但是定制是針對焊接后處理的。為了確保裝配焊接后元件的尺寸，太多的調整不僅會影響生產效率，而且還要求在高溫條件下執行，這會對型材的強度和剛度產生更大的影響，還會對元件的壽命造成隱患。通過跟蹤和分析工具的定位和夾緊，并結合實際經驗，發現問題的原因主要是以下方面：

（1）在組裝和焊接側墻時，支撐板和側墻的外表面不能很好地配合，這在夾緊和松弛狀態之間產生很大的差異。支撐板未緊密地附接到側墻的外表面，導致側墻在壓縮和松弛兩種狀態下的大位移，這是組裝焊接后側墻尺寸過大的主要原因。

（2）側墻工具部的壓緊塊的位置偏離上支撐板。工具的任務是固定要夾緊的工件并保持不需要額外變形的穩定狀態，因此，從工具設計和操作技術的角度來看，安裝位置必須直接在支撐固定裝置的上方，但實際上由于限制在工具結構上，某些壓力無法滿足上述要求，并且由于工具夾力高達4 t，工件的下部在沒有支撐的情況下被懸掛，這將不可避免地導致側墻的焊接未對準。

（3）對上述問題的分析是基于實際生產經驗，為了更好地分析原因并了解對策并驗證上述分析的正確性，將I-DEAS引入仿真中，并在承壓板與側墻的結合處進行了計算分析。不同工作條件下壓力塊位置的輸出質量之間的關系。

3 工藝有限元分析與優化策略

3.1 有限元分析

由于地鐵的側墻長而薄的板形輪廓，因此使用實體建模將使有限元的后續劃分太大而難以解決。因此，在仿真中，使用實體板材進行建模，將單元劃分為板單元，并根據側墻的實際情況設置側墻各部分的板厚。根據型材部分的厚度設置板厚，最后用不同的顏色指示側板厚度設置。在側墻的反向組裝狀態下模擬第一焊縫的壓縮焊接過程。

根據目前生產側墻的情況，分別建立了三種工作條件：

（1）工作狀態1：儀器的配合處于理論狀態。壓力塊和支撐板保持在一條直線上，沒有橫向偏斜，并且支撐板與側墻的外部輪廓完全齊平。

（2）工件條件2：從支撐板橫向偏移350mm，并且側墻模具支撐板表面完全靠近側墻表面。

（3）工作狀態3：工裝壓力塊偏移了350mm，軸承板和側墻未完全固定。

根據以上三個操作條件施加約束條件和載荷條件。

（1）約束：模擬實際的支撐板和定位塊約束，并在模型中應用約束。

（2）荷載：煤球負荷-根據煤球的壓力和表面計算煤球負荷，并在適當的位置施加外力負荷;溫度負荷-根據自變形方法計算由焊接引起的熱變形，而不考慮塑性變形，并將相變變形轉換回溫度，并將溫度負荷應用于模型。

解決模擬后，獲得以下結果：

工作條件1：最大位移為0.435mm，最大局部應力為45.6MPa。

工作條件2：最大位移為0.864mm，局部最大應力為47.9MPa。

工作條件3：最大位移為0.901mm，局部最大應力為48.2MPa。

由于對后側墻組件的第一焊縫進行了模擬計算和分析，因此在三種工況下的位移變化都比較大。

（1）當壓力塊和支撐板不在一條直線上時，壓力塊中的側墻位移和局部應力大大增加，尤其是位移變化最為明顯，對側墻組件質量的影響最大。保養壓力塊嘗試與軸承板成一直線。

（2）當軸承板和側墻未完全連接時，側墻的位移將大大增加。支撐板應盡可能靠近側墻的外輪廓。

（3）工作條件3的變化是工作條件1的變化的兩倍以上。如果側墻上的8條焊縫全部完成，情況將更加嚴重。

以上模擬分析和計算結果與實際生產情況和經驗推測完全吻合，證實了對以往經驗的定性分析。

3.2 工藝優化策略

根據分析的總結和模擬計算的結果，在實際生產中采取了以下措施以提高側墻組成的質量和效率。

（1）調節壓力塊和支架位置。如果工具設計允許，則將壓力塊放置在盡可能大的直線上，使其直接位于支撐板上。

（2）測量支撐板，根據測量結果調整所有支撐板，確保其一致性和與側墻外輪廓的良好配合，并嚴格按照當前汽車生產中的工作條件1的要求進行工作。

3.3 解決方案

（1）采用新的頂墻面板焊接工藝。上壁板分為9個部分，上壁板通過激光切割和彎曲制成。側墻上方的5座頂壁板焊接到銅制工作臺上，其平坦度很容易滿足車身的平坦度要求。在側墻形成過程中，將頂壁面板對接然后點焊。因此，側墻板的撓度和平坦度可以滿足設計要求。

（2）在檢查數據后，此時墻板的松動并沒有改善。經過實驗改進后，添加了一個增強墊來代替墻板（側墻合成過程中的點焊）;通過車輛跟蹤，解決了壁板松弛和異常噪音的問題。對于已制造的現有車輛（無法點焊以增加強度的車輛），請對壁板的位置進行火焰調節，并調節壁板的平整度以使其行駛。

4 結論

通過優化工藝，將I-DEAS有限元分析軟件引入現有車輛的生產中，并將傳統的經驗定性分析升級為定量數據計算和通過仿真數據分析進行實驗分析。工藝優化方法是可行和有效的，上面僅以車身側墻為例，以說明有限元分析在制造過程中的應用，擴展到整個產品制造過程。經驗和有限元分析方法可以用作過程方法，偏差控制等的基礎。了解對策以分析問題的原因，改進過程生產方法，使方法更科學，并提高生產過程的質量和效率。

通過以上過程，經過檢驗和靜強度測試，該模型的裝配質量和焊接質量均滿足相關技術要求，證明了該過程合理可行。

參考文獻

[1] 毛明麗. B型不銹鋼地鐵端墻制造工藝改進[J]. 中國高新技術企業， 2014， 000（004）：87-88.

[2] 張雪峰， 李威， 邵有發，等. 不銹鋼地鐵車新型補墻板結構在實際生產中的應用[J]. 電焊機， 2017， 47（001）：113-115.