中车唐山机车车辆有限公司河北唐山063035
摘要：随着我国高铁建设规模的不断扩大，其相关技术的水平也有了较大的提高，在此基础上，我国的高铁标准体系正逐渐的走向世界,本文根据高速动车组司机室结构特点，应用模块化设计技术，将司机室分拆成几大模块分别进行结构设计，并对关键技术进行了重点论述。通过模块化设计，降低了结构复杂程度，保证了装配精度和外轮廓尺寸，能够满足头车流线型气动外形对轮廓度的要求。
关键词：高速动车组；铝合金司机室；模块化设计
引言
随着列车运行速度的提高，列车与周围空气的相互作用加剧，空气动力学问题越来越突出。列车头部外形的流线化直接影响到整个列车的气动特性，良好的车头外轮廓可有效降低运行时的空气阻力及列车交会压力波等问题。高速动车组铝合金司机室由外层蒙皮和内部骨架组焊而成，是典型的大型焊接结构。因焊接结构变形大，传统的整体拼接组焊模式无法可靠控制产品外形和焊缝质量，且检验和调修难度高，生产效率低，劳动强度大。因此在设计阶段引入模块化设计理念，在满足结构强度要求的同时，降低司机室结构的工艺复杂性，控制焊接变形量，以满足头车流线型气动外形对轮廓度的要求。
1铝合金司机室结构概述
为最大程度降低气动阻力，司机室外轮廓呈流线型圆滑过渡状，由多个不同曲面拼接而成，对整体轮廓度要求较高。司机室的特殊外形决定了其零件大部分为三维折弯件，组件中存在多种曲面连接结构，组装时需精确定位，保证结构外轮廓尺寸精度，制造难度非常大。
基于模块化设计理念，司机室结构设计的同时兼顾组焊工艺设计，尽量降低工艺复杂程度。根据对司机室结构的分析，将司机室拆分成左侧墙、顶棚、右侧墙、前端墙、后端墙、前窗横梁等几大模块，同时司机室组焊工艺和设计结构分拆一一对应，各大模块在不同工位完成组焊、检验、调修、交验，最后拼装成完整的司机室结构，用部件质量保证整体质量，实现分级设计、制造，模块化生产。
2司机室型材
司机室各大模块主要由不同截面的蒙皮和支撑梁组焊而成，蒙皮和支撑梁均由牌号为ENAW-6005A的铝合金拉伸而成。该型号铝合金既具有中等强度，又可挤压出形状较为复杂的薄壁空心型材，满足司机室结构对材料轻量化、强韧性、三维弯曲成形、焊接性和加工性的要求。生产时先对型材进行三维折弯，而后经热处理和机加工制成所需零件。
在型材截面上集成模块化的焊接接头，接头由标准化的焊接背板和坡口组成，根据接头型式和焊缝熔深选择不同的组合。这种模块化的焊接接头在生产时可以省去安装焊接背板和打磨坡口的时间，提高装配精度和焊接效率；集成的焊接背板又起到一定的限位作用，可提高装配精度，保证焊缝熔深和余高均匀，提高焊接质量；同时，在建模和制图时，可直接从数据库调用模块化的焊接接头，提高设计效率。
蒙皮：根据车头流线外形，将蒙皮分成若干通长的组成部分，采用不同的型材截面。截面上分布若干T字形加强筋，提高蒙皮的抗弯和抗变形能力。各部分蒙皮根据相对应位置的车头外形，由多点成形三维拉弯而成，经热处理和机加工，再组焊成司机室各大模块所需蒙皮组件。
支撑梁：根据司机室结构特点及强度要求，支撑梁为不同截面形状的中空或开口薄壁拉伸型材，强度高，重量轻，同时又可以将车头挡风玻璃及侧窗玻璃所需安装面和车内设备安装所需C型槽集成到拉伸型材上，图3为主支撑纵梁的型材截面。支撑梁经三维拉弯成形、热处理和机加工，得到司机室骨架所需零件。支撑梁三维拉弯时，易出现截面畸变、翘曲等工艺缺陷，因此在设计时，尽量避免支撑梁的脊线曲率突变，降低拉弯难度，提高三维拉弯的成品率。
3司机室模块化焊接结构
各大模块根据结构需要，分解成由蒙皮零件组焊成的蒙皮组件和由支撑梁组焊成的骨架，分别在不同的工位进行组装焊接。
3.1蒙皮组焊
蒙皮焊接接口均为V型对接接口，焊缝全熔透，表面打磨平滑，焊缝质量等级高，成形好。组焊时，将蒙皮定位并固定到专用工装上，根据现场工况研配焊缝接口。研配时，在蒙皮零件上做好标记，保证焊接时的装配精度。控制好环境温度和湿度，采用合理的焊接工艺和焊接顺序，以保证焊接质量，控制焊接变形。
3.2骨架组焊
骨架组焊时，根据司机室结构特点，合理分配各个组单元，优先组焊形状公差等级和装配精度要求高、为其他设备提供安装接口的骨架部分，如玻璃安装面等。各支撑梁之间采用全熔透的HV型对接焊缝，保证连接强度和焊接质量。根据工艺文件依次将支撑梁定位并固定到专用工装上，采用合适的焊接顺序施焊。
3.3蒙皮和骨架组焊
蒙皮和骨架之间根据结构需要，既有对接焊缝，又有角焊缝。主支撑梁与蒙皮内表面之间采用全熔透的HV型对接焊缝连接，焊缝等级较高，以保证焊接质量和连接强度。次支撑梁与蒙皮的T字形加强筋之间采用角焊缝的形式连接，既能保证连接强度，减少焊接准备时间，同时由于焊缝位于加强筋上，可有效降低焊接变形量，保证蒙皮表面圆滑。
3.4司机室总成组焊
司机室结构各大模块在不同工位焊接完成，经检验满足公差和焊接质量要求后，交到预组装工位，按照司机室组焊结构树制定组装工序，采用不同的工装夹具，合理的焊接顺序，与车体其他大部件一起组焊，最后完成整个司机室和头车车体的组焊。因大部分焊接接头已在各模块组焊过程中完成，在司机室总成组焊过程中，焊接接头较少，相对应由焊接引起的变形也较小，易于控制司机室外轮廓尺寸和焊缝质量。
4模块化设计的特点
综合以上分析，采用模块化设计，将司机室结构由繁至简分成若干模块，分级设计、制造，有以下显著特点：
1、各模块焊接过程中，由专用工装固定各零部件，通过制定合适的焊接工艺和焊接顺序，组装精度高，易于控制焊接变形，可重复性好，且对工人的操作技术要求较低。
2、各模块的焊接接头满足可视、可达、可检的要求，易于焊接施工和焊缝质量检测。
3、大部分机加工工序集中在零件生产过程当中，各模块组焊完成后无需机加工，易于控制机加工精度，同时减少对大型机加设备和工装夹具的需求，降低机加难度，节约生产成本。
5结语
通过对铝合金司机室焊接结构特点的分析，引入模块化设计理念，在保证结构强度、焊缝质量、制造工艺性和经济性的同时，实现了对司机室组件及整体焊接变形的精确控制，保证了司机室各组件的装配精度和司机室总成的外轮廓尺寸，满足了头车流线型气动外形对轮廓度的要求。目前，我国高铁动车组基础理论创新以及系统集成技术等方面都有所突破。然而，为了促使我国高铁技术不断创新发展，除了积极培养相关专业人才之外，还必须掌握最新的动车组核心创新技术。
参考文献
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