铁路车辆侧墙张拉蒙皮失稳变形控制工艺研究

王 宇 杨 驰 张 雷 张彤阳 麻彬彬

（中车西安车辆有限公司技术中心工艺部，西安 710086）

随着我国铁路事业的飞速发展，高速、美观、舒适性等需求对铁路车辆运行质量和外观质量等提出了更高要求。现有的铁路全封闭长、大车辆一般由底架、侧墙、端墙、车顶及走行部等组成。为了提高质量水平，人们对车体表面平整度、运行风阻和车体刚度等进行了设计改进。根据设计改进，该类型车车体侧墙一般采用框架覆盖2.5mm高强钢板蒙皮材料，这使得在侧墙制造过程中如何控制侧墙平面度成为整车制造的难点。如采用传统制造工艺，侧墙采用小板蒙皮拼焊、拉铆，焊接量加大、焊缝增多、铆钉头外漏，很难满足平面度等技术要求。

经工艺论证，侧墙制造如需满足质量要求，应采用整板蒙皮制造工艺。整板蒙皮工艺能够减少拼接焊缝，提高侧墙平面度。但蒙皮板与侧墙框架组焊时，薄板连续焊接会发生失稳变形，局部出现外凸或内凹，从而影响整车质量。为了克服以上缺陷，侧墙的制造除采用整板工艺还需增加张拉工艺。因此，对侧墙蒙皮张拉工艺进行相关研究，对提高车体表面平整度、增加车体刚度以及降低运行风阻都有重要意义。

1 蒙皮失稳变形机理及其预防措施

1.1 蒙皮失稳变形的机理

在蒙皮板和侧墙框架的焊接过程中，焊接高温使薄板产生了不均匀的焊接温度场，此时由于侧墙框架强度较大，蒙皮板受到约束作用，焊接完成后温度恢复均匀，焊接区域就会形成残余应力。当残余应力超过薄板的失稳临界应力时，薄板就会发生变形。蒙皮的焊接变形多呈波浪状，形式复杂，矫正时难度较大，变形过大时还会造成废品。

1.2 蒙皮失稳变形的预防措施

从蒙皮制造产生变形的机理来看，克服薄板内的焊接残余应力，是避免蒙皮失稳变形的有效手段。

制造工艺方面，预先评估焊接变形的方向和变形量，焊前将蒙皮板预拉伸产生拉伸力，抵消焊接残余应力，从而减小薄板的失稳变形。较为有效的方法是采用蒙皮张拉工艺。

设计方面，合理设置焊接参数，选择焊接形式、位置，减少焊接残余应力的产生。

2 蒙皮张拉工艺分析

2.1 张拉原理分析

蒙皮在拉伸过程中会经历弹性变形和塑性变形阶段。如图1所示，当张拉应力σ＜σp≈σs时，蒙皮只发生弹性变形。在拉伸状态下，将蒙皮点固焊接于车体侧墙骨架上，由于内应力的存在，蒙皮有回弹趋势，能够加强车体框架整体刚性，同时抵消焊接残余应力。当张拉应力继续升高σp≤σ≤Reh，材料处于滞弹性阶段，蒙皮产生部分塑性变形以及全部弹性变形，将此塑性变形的蒙皮点固于侧墙框架上，材料会出现一部分变形回弹，另一部分塑性变形为永久变形，不能恢复。此塑性变形能提高蒙皮的硬度、强度，弹性变形能够产生焊接变形抗力，提高框架刚度。所以，车体刚度变得更好，车体侧墙平面度得到保证。

图1 低碳钢应力应变曲线

综上所述，将蒙皮拉伸至微塑性变形阶段，可以达到良好的抗失稳变形效果，即张拉应力应达到σs（材料的屈服极限）。

2.2 蒙皮张拉工艺分析

现有的张拉工艺主要有三种形式，即手动螺旋张拉、液压张拉和加热张拉。手动螺旋张拉工艺设备结构简单，但张拉力小，劳动强度大，效率低，已基本淘汰。加热张拉工艺主要运用于公路客车行业，多用于长度较短、厚度0.8～1.0mm的板材张拉，对于大尺寸铁路车辆蒙皮而言，加热张拉膨胀不均匀，热胀量难以控制，此外高温作业也导致劳动环境恶劣，同时耗能大。液压张拉工艺张拉力大，耗能低，张拉力输出稳定易保持，但投资较大。据了解，目前还没有较为成熟的应用装备，多数为各企业自行配备。

2.3 蒙皮张拉工艺分析结论

经工艺分析，侧墙蒙皮板长度为18m，厚度为2.5mm，根据作业要求需持续提供较大张拉力。宜采用液压张拉工艺，将蒙皮板张拉至微塑性变形阶段，从而有效消除蒙皮板的焊接失稳变形。

根据前期调研结论，针对产品特点自行设计制造液压蒙皮张拉装置，以满足生产需要。

3 蒙皮张拉装置设计

3.1 张拉参数计算

侧墙蒙皮板采用Q295NHL耐候钢，总长17560mm，宽1250mm，厚2.5mm，查阅相关资料可知，屈服极限σs=235MPa，弹性模量E=206GPa。

3.1.1 蒙皮张拉拉力计算

式中，F0为张拉力；σs为材料屈服极限；S0为蒙皮横截面积。

代入相关数值计算可得：

3.1.2 蒙皮伸长量计算

式中，Δl为蒙皮伸长量；F0为张拉力；l0为蒙皮原长度；S0为蒙皮横截面积；E为材料弹性模量。

代入相关数值计算可得：

3.2 蒙皮张拉装置结构设计

如图2所示，整个设备主要液压系统、电控系统、钢制基础、固定端夹紧机构、拉伸端夹紧机构以及拉伸机构组成。

图2 张拉装置组成

3.2.1 钢制基础

设备采用独立钢制基础设计。整个钢制基础由四部分箱体结构组成，每个箱体内外均焊有多处加强筋板，整个钢制基础结构强度高，完全可以满足大吨位张拉。此外，箱体之间通过连接梁和螺栓连接，必要时四个箱体和张拉机其他主要构件均可拆卸、运输、重新装配。下面对箱型梁体稳定性进行计算。其主底座静态位移和座静态节应力分别如图3、图4所示。

图3 主底座静态位移

图4 主底座静态节应力

边界条件：对平台体一端面实施固定约束，对平台另一端施加载荷。

网格选用：二阶四面体网格。

分析结果：梁体在外载荷作用下应力为80MPa；变形量为2mm；安全系数为n=235/80=2.93。

3.2.2 固定端、拉伸端夹紧机构

两端夹紧机构均采用液压缸、杠杆、锯齿形夹块的结构。蒙皮板放置于工位后，液压缸推杆伸出，锯齿形夹块夹紧蒙皮，并使蒙皮产生局部齿状变形，有效防止大吨位张拉时蒙皮板滑移。

固定端夹紧机构通过两侧的夹块和底部的挡块固定在钢制基础上，可进行调整，从而满足不同长度蒙皮板的张拉需求。拉伸端夹紧机构通过导轨与钢制基础连接，保证拉伸过程中移动灵活。

3.2.3 拉伸机构

拉伸机构的拉力由液压缸提供，液压缸固定在拉伸机构箱体中，活塞杆通过专用连接部件同拉伸端夹紧机构连接。液压缸输出拉力的计算公式为：

式中，P为液压缸额定压力，取25MPa；a为压力损耗系数，取0.9；d1为液压缸缸径，取280mm；d2为活塞干直径，取160mm。

将相关数据代入式（5）计算可得：

由此可见，液压缸在额定压力下输出的拉力F大于此次张拉时的需用张拉力F0，因此不仅满足此次张拉要求，同时也可满足更大尺寸蒙皮的张拉。现根据需用张拉力F0计算液压缸实际工作所需的压力P0：

代入相关数据计算可得：

3.2.4 液压及电控系统

蒙皮张拉过程中，液压系统提供蒙皮的夹紧力和张拉力，操作人员通过电控系统操作面板上的按钮对液压系统进行控制，实现蒙皮的夹紧、拉伸和释放，以及整个设备的开关、急停，并设有旋钮用于调整液压系统压力。此外还设有显示面板，实时显示液压系统压力和蒙皮伸长量。

4 结论

通过分析，笔者对蒙皮张拉工艺参数进行了优化，并根据新的工艺要求设计制造了新型蒙皮张拉装置。采用新工艺参数和新增设备，有效地控制了侧墙制造过程中蒙皮失稳变形，车体表面平整光滑，整车质量满足了设计需求。