王强 郭峰 郑立伟 吴深 付力强 李洋
中车唐山机车车辆有限公司 河北 唐山 064000
摘要：车体的结构组成根据所选用的材料略有不同，但主要部件由底架、车顶、侧墙、端墙等组成。同时，车体侧墙是高速动车组车体的关键部件之一，其制造质量直接影响到车体外观、列车行驶的安全可靠性。基于此，本文对高速动车组车体侧墙装配偏差应用研究进行了详细的探讨。
关键词：高速动车组；车体；侧墙；装配偏差
铝合金车体与碳钢车体制造完全不同，铝合金车体制造是一项综合且复杂的技术，单纯追求设计技术及工艺技术并不能取得很好的效果。型材及部件装配公差控制不仅影响制造中焊接参数的调整，还直接影响车体大部件焊接质量。因铝合金焊接比钢焊接难度大得多，任何不合理位置补焊都会对质量造成致命隐患。因此，设计时应充分考虑焊接工艺、尺寸公差的综合控制、部件分体装配的可行性、各部件接口的合理性等问题，对铝合金车体设计制造具有重要意义。
一、铝合金车体的特点
世界上最早的铝合金车是1952年英国研制的伦敦地铁电动车。铝合金车体的发展经历了板梁期、开口型材期和现在的大型中空挤压型材期3个发展阶段，现在逐渐走向成熟。铝合金车体具有如下优点：
1、能大幅度降低车辆自重，在车长相同的条件下，与钢质车相比自重降低大约30%～35%，强度重量比约为钢的2倍。钢质车、不锈钢车、铝合金车车体重量之比为10：8：6。
2、具有较小的密度及杨氏模量，所以铝合金对冲击载荷有较高能量吸收能力，可降低振动，减少噪声。
3、可运用大型中空挤压型材进行气密性设计，提高车辆密封性能，从而提升旅客舒适度。
4、采用大型中空挤压型材制造的板块式结构，可减少车体同设备间连接元件的重量与数量。
5、减少维修费用，延长使用寿命。
二、装配偏差建模
针对大部件装配中某关键工序，分析研究其各种输入偏差(零件、定位、工装等)和输出偏差(总成关键尺寸)的统计特性及分布规律，利用三维偏差分析软件建立其三维装配偏差传递模型，以定量描述其输入偏差和输出质量的数学关系。在不同零件偏差或工艺定位方式等输入条件下，利用这些模型对装配总成的尺寸质量进行虚拟分析与预测，结合工程经验研究装配偏差是否接受的问题，为实际工程应用建立理论计算基础．
通过引进技术资料分析和生产经验总结，系统分析各级零部件、分总成和总成的基准设计规律，保证零件加工、装配、检测等基准系统一致性，通过优化基准孔、线、面等工艺设计方法，减少由于基准不协调所带来的装配偏差累积，并优化大部件统一基准的设计技术规范(包括其设计准则、类型、命名、标注和实现方式等)。同时，从测量可靠性、测点一致性、测点可诊断性和检测效率等方面研究测点设计方法，并优化大部件总成检测点的设计技术规范(包括其设计准则、类型、命名、检测方式等)。对面积较大、形状复杂或易变形的大部件采用N-2-1定位准则，在零部件最大平面增加N-3个定位点。
为使高速列车车体焊装与检测对象在整车坐标系的某一坐标方向的偏差只会导致夹具上的焊装与检测对象在该坐标方向的平移，采用网格平行性准则，使基准面平行于车体整车坐标系网格，不会产生零件的旋转，在焊装与检测中不会引起其他坐标方向原本不存在的偏差，使焊装与检测得以正确进行。将统一基准系统引入零部件，保证前后基准一致，组装后的大部件焊接总成尽可能采用组成零件已有的基准中的部分基准作为总成基准，即基准的继承。
建立侧墙零部件定位基准，Y向定位：侧墙在X方向(车身前后方向，从前到后为X正方向)端部500mm内布置一组定位点，中间每隔4000～6000mm处布置一组定位点；每组定位点在Z方向(车身上下方向，从下到上为Z正方向)上有三处，上定位点距离顶部500mm内，下定位点距离底部500mm内，中部定位点在中线附近选取。Z向定位：在X方向上距离端部500mm内上下各布置一个定位点，中间每隔4000～6000mm处底部布置一个定位点。X向定位：在Z方向中心位置布置一个定位点。
长期以来，侧墙的焊接质量不稳定，大多情况下墙板外侧棱边高出窗下板，需进行大量翻修工作，且翻修打磨后在接头处还留下了下凹缺陷。侧墙由5种挤压铝合金型材装配焊接而成。根据侧墙组成建立尺寸链分析模型，考虑零件在外侧连接1、2、3和4处均为完全对接装配而成，则形成的侧墙Z向高度就是各零件按侧墙空间方位在Z向的高度和各对接处间隙之和，通过侧墙Y、Z向尺寸链分析给出侧墙组成的关键控制特征尺寸。依据侧墙单工位的装配过程，建立零件的制造偏差、夹具的定位偏差在夹具定位、过定位点夹紧、和过定位夹持力释放回弹三个阶段中的传递关系。
三、装配偏差结果讨论与分析
1、偏差统计结果。侧墙检测数据的处理是获取侧墙尺寸质量的途径，可检验工艺调整的效果，及时发现装配中的潜在质量问题，以及进一步分析偏差源，在促进侧墙质量、提高生产效率方面起着重要作用。
通过左、右侧墙正、反装工位夹紧状态、反装工位焊完状态和正装工位焊完状态的均值分布情况测量数据。侧墙调修前状态下，大部分测点的均值都在公差范围内；总体均值也接近理论值；分布极差与中间工序相比，有所缩小。但均值超差的测点较多，后续调修量大。调修后各测点均值明显改善，分布极差也大幅缩小。但即使在调修后，上墙板控制侧墙高度依然超差。在调修过程中，出现这样一种情况：假如要保证侧墙轮廓度，则侧墙高度无法保证，一般会过小。侧墙反装工位夹紧状态、反装工位焊完状态、调修前状态和调修后状态表明，侧墙各测点的估计6值的平均值在调修前状态达到了最大值13.3mm，极差超差的测点也较多。通过调修，在调修后状态，大部分测点极差都缩小到2以内。估计6值的平均值也大幅降低到3.8mm。长远来看，为了监控中间工序的生产状况，必须为每一步工序单独设置相应的外形控制标准。
图1给出了左右侧墙调修前后的CⅡ指数图，左侧墙调修前CⅡ指数为27．3，调修后降低到7.4；右侧墙调修前CⅡ指数为20.7，调修后降低到10.0。相对于侧墙测点±2mm的公差带，侧墙CⅡ指数偏大，尤其在调修前，侧墙装配质量的稳定性亟待提高。
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2、工装配合状况
1)压块位置波动较大，经常与其下侧的支撑板不在一条直线上，此种情况下，侧墙的焊接变形会有所增大，不利于保证侧墙装配质量的稳定性。
2)支撑板与侧墙贴合不良，两者的间隙常超过10mm，贴合良好的部位也不到30％。
为检验工装配合对侧墙装配质量的影响，专门进行了以下的侧墙定位夹紧/松开试验。
随着夹块的夹紧、松开，相应支撑板与侧墙间隙会变化1～2mm，在支撑板5测量位置一处甚至达4.3mm。由测量结果可知，工装定位配合的不严密，导致了侧墙装配尺寸的明显波动。
四、结论
本文提出的侧墙装配偏差传递关系模型考虑了部件、夹具定位等多偏差源下的侧墙装配质量的复杂影响关系，更加符合侧墙装配工艺的特点．分析结果表明：
1、零件尺寸整体好，但部分关键断面尺寸仍可提升，尺寸波动需加强监控。
2、从反装-正装-调修过程中，均值变化大，但最终均值状态较好，合格率有一定上升。
3、从反装-正装-调修过程中，波动较严重，导致最终产品尺寸波动大，CⅡ指数减小，调修量大。
4、左右工装差异小，正装预变形一致性好。
5、压块位置变化大、与定位支撑板常不在一条直线上，需优化位置并规范工人操作；多数定位支撑板与侧墙贴合不良，易导致尺寸波动，需系统校准定位支撑块。
参考文献：
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