不锈钢地铁车体侧墙制造工艺改进策略

韩俊伟 贾伟男 李旸 张帅 袁冬

【摘要】随着国内外城市轨道交通的迅速发展，轨道车辆也迅速发展。 不锈钢地铁车辆以其无漆，低维护，轻量化，耐老化，耐腐蚀和耐磨等优良特性，已成为中国地铁乘用车的未来发展方向。

本文提出了一种优化地铁车身侧墙生产工艺的方法，将I-DEAS有限元分析引入生产工艺，充分利用数据计算和分析的优势，并结合数值模拟和实验测试来提高产品质量和生产效率。在整个车身制造过程中，可以使用此方法找到问题分析的对策。

【关键词】地铁  侧墙制造;工艺优化;有限元分析

1 不锈钢车体钢结构的基本介绍

本文以越南线车辆为例说明车体结构形式，车体断面及车体钢结构图如图1、图2所示。越南线车体全长： 间车体为19米，带司机室车体为 19.5米;车体最大宽度为2.8米 。车体呈鼓形，车体钢结构采用薄壁、筒型整体承载结构，由底架、侧墙、端墙、车顶组成，各部件是由柱、梁相互联接起来的骨架与其上面所焊接的外板组成，车体刚度由整个车体结构来保持[1]。

不锈钢车体结构设计形式多采用搭接方式，并使用连接件过渡;结构件所采用的板厚减薄，仅满足强度要求即可，不必再保留腐蚀量。 车体由底架、车顶、2扇侧墙、2块端墙六大模块组焊而成，大量采用薄板、薄板压型件和型材，充分利用不锈钢材料的高抗拉强度，减少材料的使用量，实现车体轻量化[2]。

2 侧墙工艺优化

2.1 工艺流程

不锈钢车体结构设计采用薄板、板梁搭接结构形式，决定了不锈钢车体制造的方法。不锈钢车体焊接主要采用点焊焊接工艺，车体结构部位不同，所采用的点焊方式也不同，不锈钢车体焊接主要采用单面双点（也可单面单点）、双面单点和迂回点焊的焊接方式。

2.2 问题表现与分析

通过在制造过程中进行批量跟踪和测量，发现装配焊接后的侧墙合格等级较低，并且大多数尺寸需要进行调整以确保定制之前的合格系数满足要求，但是定制是针对焊接后处理的。为了确保装配焊接后元件的尺寸，太多的调整不仅会影响生产效率，而且还要求在高温条件下执行，这会对型材的强度和刚度产生更大的影响，还会对元件的寿命造成隐患。通过跟踪和分析工具的定位和夹紧，并结合实际经验，发现问题的原因主要是以下方面：

（1）在组装和焊接侧墙时，支撑板和侧墙的外表面不能很好地配合，这在夹紧和松弛状态之间产生很大的差异。支撑板未紧密地附接到侧墙的外表面，导致侧墙在压缩和松弛两种状态下的大位移，这是组装焊接后侧墙尺寸过大的主要原因。

（2）侧墙工具部的压紧块的位置偏离上支撑板。工具的任务是固定要夹紧的工件并保持不需要额外变形的稳定状态，因此，从工具设计和操作技术的角度来看，安装位置必须直接在支撑固定装置的上方，但实际上由于限制在工具结构上，某些压力无法满足上述要求，并且由于工具夹力高达4 t，工件的下部在没有支撑的情况下被悬挂，这将不可避免地导致侧墙的焊接未对准。

（3）对上述问题的分析是基于实际生产经验，为了更好地分析原因并了解对策并验证上述分析的正确性，将I-DEAS引入仿真中，并在承压板与侧墙的结合处进行了计算分析。不同工作条件下压力块位置的输出质量之间的关系。

3 工艺有限元分析与优化策略

3.1 有限元分析

由于地铁的侧墙长而薄的板形轮廓，因此使用实体建模将使有限元的后续划分太大而难以解决。因此，在仿真中，使用实体板材进行建模，将单元划分为板单元，并根据侧墙的实际情况设置侧墙各部分的板厚。根据型材部分的厚度设置板厚，最后用不同的颜色指示侧板厚度设置。在侧墙的反向组装状态下模拟第一焊缝的压缩焊接过程。

根据目前生产侧墙的情况，分别建立了三种工作条件：

（1）工作状态1：仪器的配合处于理论状态。压力块和支撑板保持在一条直线上，没有横向偏斜，并且支撑板与侧墙的外部轮廓完全齐平。

（2）工件条件2：从支撑板横向偏移350mm，并且侧墙模具支撑板表面完全靠近侧墙表面。

（3）工作状态3：工装压力块偏移了350mm，轴承板和侧墙未完全固定。

根据以上三个操作条件施加约束条件和载荷条件。

（1）约束：模拟实际的支撑板和定位块约束，并在模型中应用约束。

（2）荷载：煤球负荷-根据煤球的压力和表面计算煤球负荷，并在适当的位置施加外力负荷;温度负荷-根据自变形方法计算由焊接引起的热变形，而不考虑塑性变形，并将相变变形转换回温度，并将温度负荷应用于模型。

解决模拟后，获得以下结果：

工作条件1：最大位移为0.435mm，最大局部应力为45.6MPa。

工作条件2：最大位移为0.864mm，局部最大应力为47.9MPa。

工作条件3：最大位移为0.901mm，局部最大应力为48.2MPa。

由于对后侧墙组件的第一焊缝进行了模拟计算和分析，因此在三种工况下的位移变化都比较大。

（1）当压力块和支撑板不在一条直线上时，压力块中的侧墙位移和局部应力大大增加，尤其是位移变化最为明显，对侧墙组件质量的影响最大。保养压力块尝试与轴承板成一直线。

（2）当轴承板和侧墙未完全连接时，侧墙的位移将大大增加。支撑板应尽可能靠近侧墙的外轮廓。

（3）工作条件3的变化是工作条件1的变化的两倍以上。如果侧墙上的8条焊缝全部完成，情况将更加严重。

以上模拟分析和计算结果与实际生产情况和经验推测完全吻合，证实了对以往经验的定性分析。

3.2 工艺优化策略

根据分析的总结和模拟计算的结果，在实际生产中采取了以下措施以提高侧墙组成的质量和效率。

（1）调节压力块和支架位置。如果工具设计允许，则将压力块放置在尽可能大的直线上，使其直接位于支撑板上。

（2）测量支撑板，根据测量结果调整所有支撑板，确保其一致性和与侧墙外轮廓的良好配合，并严格按照当前汽车生产中的工作条件1的要求進行工作。

3.3 解决方案

（1）采用新的顶墙面板焊接工艺。上壁板分为9个部分，上壁板通过激光切割和弯曲制成。侧墙上方的5座顶壁板焊接到铜制工作台上，其平坦度很容易满足车身的平坦度要求。在侧墙形成过程中，将顶壁面板对接然后点焊。因此，侧墙板的挠度和平坦度可以满足设计要求。

（2）在检查数据后，此时墙板的松动并没有改善。经过实验改进后，添加了一个增强垫来代替墙板（侧墙合成过程中的点焊）;通过车辆跟踪，解决了壁板松弛和异常噪音的问题。对于已制造的现有车辆（无法点焊以增加强度的车辆），请对壁板的位置进行火焰调节，并调节壁板的平整度以使其行驶。

4 结论

通过优化工艺，将I-DEAS有限元分析软件引入现有车辆的生产中，并将传统的经验定性分析升级为定量数据计算和通过仿真数据分析进行实验分析。工艺优化方法是可行和有效的，上面仅以车身侧墙为例，以说明有限元分析在制造过程中的应用，扩展到整个产品制造过程。经验和有限元分析方法可以用作过程方法，偏差控制等的基础。了解对策以分析问题的原因，改进过程生产方法，使方法更科学，并提高生产过程的质量和效率。

通过以上过程，经过检验和静强度测试，该模型的装配质量和焊接质量均满足相关技术要求，证明了该过程合理可行。

参考文献

[1] 毛明丽. B型不锈钢地铁端墙制造工艺改进[J]. 中国高新技术企业， 2014， 000（004）：87-88.

[2] 张雪峰， 李威， 邵有发，等. 不锈钢地铁车新型补墙板结构在实际生产中的应用[J]. 电焊机， 2017， 47（001）：113-115.