车底架大横梁与侧边梁焊接变形控制装置及其控制方法与流程

本发明涉及高速动车组铝合金车体制造技术领域，特别是涉及一种车底架大横梁与侧边梁焊接变形控制装置及其控制方法。

背景技术：

大横梁是高速动车组底架的重要组成部分，通常高速车底架上分布有20余个大横梁，每根大横梁分别与地板和侧边梁焊接在一起。大横梁主要用于吊挂车下设备，如牵引变流器、空调以及水箱等，是底架承载关键部件。由于焊接工艺特点，在大横梁与侧边梁焊接后，侧边梁易产生波浪变形，大横梁与地板焊接后，大横梁易产生方向向下的挠曲变形，前者会导致车体服役运行过程中侧边梁受力不均，后者会导致设备吊挂点受力不均，大横梁个别吊挂点局部位置将承受高水平工作应力，对车体服役运行带来安全隐患。

焊接变形是由于焊接工艺具有局部热过程的特点，焊缝区域冷却过程中发生拉伸塑性变形造成的。对于大横梁与侧边梁焊缝为角焊缝的形式，焊接完成后会产生角变形，从而导致侧边梁与多根大横梁焊接后产生波浪变形；对于大横梁与地板的焊缝，由于焊缝位于大横梁截面中性轴之上，因此，焊后大横梁将产生方向向下的挠曲变形。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种车底架大横梁与侧边梁焊接变形控制装置及其控制方法，以解决现有技术中大横梁与侧边梁焊接后，侧边梁易产生波浪变形，大横梁与地板焊接后，大横梁易产生方向向下的挠曲变形，前者会导致车体服役运行过程中侧边梁受力不均，后者会导致设备吊挂点受力不均，大横梁个别吊挂点局部位置将承受高水平工作应力，对车体服役运行带来安全隐患的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，根据本发明的第一方面，提供一种车底架大横梁与侧边梁焊接变形控制装置，包括：第一防变形刚性支撑装置，包括分别沿大横梁的长度方向设置的第一支撑结构和第二支撑结构，其中，所述第一支撑结构和所述第二支撑结构分别位于所述大横梁的前侧和后侧，所述第一支撑结构和所述第二支撑结构能够分别施加给位于所述大横梁的左侧和右侧的侧边梁沿方向向外的支撑力；以及第二防变形刚性支撑装置，包括从左至右依次设置在所述大横梁的底部的第三支撑结构、加载结构以及第四支撑结构，其中，所述第三支撑结构和所述第四支撑结构均悬挂在所述大横梁的两端并能施加给所述大横梁的两端方向向下的作用力，所述加载结构能施加给所述大横梁方向向上的顶压力。

其中，所述第一支撑结构和所述第二支撑结构均包括第一支撑杆和第二支撑杆，其中，所述第一支撑杆的第一端与左侧的所述侧边梁的内侧面相抵接，所述第一支撑杆的第二端与所述第二支撑杆的第一端螺纹连接，所述第二支撑杆的第二端与右侧的所述侧边梁的内侧面相抵接。

其中，所述第一支撑结构和所述第二支撑结构均还包括第一加载部件，在所述第二支撑杆上构造有第一径向通孔，所述第一加载部件的插入端嵌设在所述第一径向通孔内。

其中，所述第一支撑结构和所述第二支撑结构均还包括设置在所述第一支撑杆靠近左侧的所述侧边梁的端部的外围的加强筋。

其中，所述第三支撑结构和所述第四支撑结构均悬挂在大横梁的底部，所述第三支撑结构和所述第四支撑结构均包括纵向支撑杆和设置在所述纵向支撑杆的上端面并能施加给所述大横梁方向向下的作用力的支撑块结构。

其中，所述支撑块结构包括第一支撑块和与所述第一支撑块呈相对式设置的第二支撑块，其中，在所述第一支撑块上构造有第一半圆孔，在所述第二支撑块上构造有第二半圆孔，所述第一半圆孔与所述第二半圆孔共同构造成供所述纵向支撑杆的上端嵌入的第一通孔。

其中，所述第二防变形刚性支撑装置还包括横支撑管，所述第三支撑结构、所述第四支撑结构以及所述加载结构均还包括上支撑管连接半环和与所述上支撑管连接半环纵向相对设置的下支撑管连接半环，其中，所述上支撑管连接半环和所述下支撑管连接半环共同构造成供所述横支撑管穿过的第二通孔。

其中，所述加载结构包括下压杆、与所述下压杆螺纹连接的上压杆以及设置在所述上压杆的上端面并能施加给所述大横梁方向向上的顶压力的加载压块。

其中，在所述上支撑管连接半环上构造有供所述纵向支撑杆或所述下压杆的下端穿入的第三通孔。

其中，在所述加载压块的下表面构造有开口朝向下方的安装孔，所述上压杆的上端嵌入所述安装孔内。

其中，在所述上压杆上构造有第二径向通孔，所述加载结构还包括能够穿过所述第二径向通孔的第二加载部件。

其中，所述第一加载部件和所述第二加载部件均包括加载手柄、加载压块、加载轴体或加载外凸部。

其中，所述加载结构还包括设置在所述上压杆的外围的第三加载部件。

其中，所述第三加载部件包括加载圆盘。

根据本申请的第二方面，还提供一种车底架大横梁与侧边梁焊接变形控制方法，包括：将车底架中的地板、侧边梁和大横梁进行焊前组装；在大横梁的两端分别安装第一防变形刚性支撑装置，并通过第一防变形刚性支撑装置对相应侧的侧边梁施加方向向外的支撑力；在大横梁的底部安装第二防变形刚性支撑装置，并通过第二防变形刚性支撑装置中的加载结构施加给大横梁方向向上的顶压力；完成大横梁分别与地板以及侧边梁的焊接；待焊接完成后，将地板和大横梁冷却至室温后，拆除第二防变形刚性支撑装置，并对大横梁的底部的内侧面进行热矫形；待侧边梁和大横梁均冷却至室温后，拆除第一防变形刚性支撑装置。

(三)有益效果

本发明提供的车底架大横梁与侧边梁焊接变形控制装置，与现有技术相比，具有如下优点：

将车底架中的地板、侧边梁和大横梁进行焊前组装，在大横梁的两端分别安装第一防变形刚性支撑装置，并通过第一防变形刚性支撑装置对相应侧的侧边梁施加方向向外的支撑力，在大横梁的底部安装第二防变形刚性支撑装置，并通过第二防变形刚性支撑装置中的加载结构施加给大横梁方向向上的顶压力，就可以很好地实现对大横梁施加方向向上的预弯曲变形。本申请的车底架大横梁与侧边梁焊接变形控制装置实施简单、有效，通过焊前预防和焊后矫正两种技术手段，以及针对侧边梁和大横梁焊接变形的第一防变形刚性支撑装置和第二防变形刚性支撑装置，可以有效地降低侧边梁和大横梁的焊接变形，甚至可将大横梁向下的挠曲变形控制成方向向上的变形，进一步地，达到提高大横梁乃至整个车体底架的承载能力和服役可靠性的目的。

附图说明

图1为本申请的实施例的车底架大横梁与侧边梁焊接变形控制装置的第一支撑结构和第二支撑结构的整体结构示意图；

图2为图1中的第一防变形刚性支撑装置的工作状态结构示意图；

图3为本申请的实施例的车底架大横梁与侧边梁焊接变形控制装置的第二防变形刚性支撑装置的整体结构示意图实施例一；

图3a为本申请的实施例的车底架大横梁与侧边梁焊接变形控制装置的第二防变形刚性支撑装置的整体结构示意图实施例二；

图4为图3中的第二防变形刚性支撑装置的工作状态结构示意图；

图5为图3中的第一支撑块和第二支撑块的结构示意图；

图6为图3中的上支撑管连接半环的结构示意图；

图7为图3中的加载压块的结构示意图；

图8为本申请的实施例的车底架大横梁与侧边梁焊接变形控制方法的步骤流程示意图；

图9为火焰矫正法控制大横梁焊接变形的结构示意图。

图中，1：第一防变形刚性支撑装置；11：第一支撑结构；111：第一支撑杆；112：第二支撑杆；113：第一加载部件；113a：插入端；12：第二支撑结构；13：加强筋；2：第二防变形刚性支撑装置；21：第三支撑结构；22：加载结构；221：下压杆；222：上压杆；222a：上端；223：加载压块；224：第二加载部件；23：第四支撑结构；231：纵向支撑杆；24：支撑块结构；241：第一支撑块；241a：第一半圆孔；25：横支撑管；26：上支撑管连接半环；261：第三通孔；27：下支撑管连接半环；200：大横梁；300：侧边梁；400：地板；500：火焰枪；225：第三加载部件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

如图1至图7所示，图中示意性地显示了该车底架大横梁与侧边梁焊接变形控制装置包括第一防变形刚性支撑装置1和第二防变形刚性支撑装置2。

在本申请的实施例中，第一防变形刚性支撑装置1包括分别沿大横梁200的长度方向设置的第一支撑结构11和第二支撑结构12，其中，该第一支撑结构11和该第二支撑结构12分别位于该大横梁200的前侧和后侧，该第一支撑结构11和该第二支撑结构12能够分别施加给位于该大横梁200的左侧和右侧的侧边梁300沿方向向外的支撑力。需要说明的是，所谓的“前侧”、“后侧”、“左侧”、以及“右侧”均是针对当前图2所示的角度进行的解释说明，其并不代表该第一防变形刚性支撑装置1在实际工作中的“前侧”、“后侧”、“左侧”以及“右侧”。

此外，还需要说明的是，该第一支撑结构11和第二支撑结构12的整体长度与大横梁200的整体长度相同，并且，该第一支撑结构11和第二支撑结构12的两端分别与相应侧的侧边梁300的内侧面相抵接。这样，通过调整该第一支撑结构11与第二支撑结构12的整体长度，就可以有效地防止侧边梁300发生波浪变形的情况。

该第二防变形刚性支撑装置2包括从左至右依次设置在该大横梁200的底部的第三支撑结构21、加载结构22以及第四支撑结构23，其中，该第三支撑结构21和该第四支撑结构23均悬挂在该大横梁200的两端并能施加给该大横梁200的两端方向向下的作用力，该加载结构22能施加给该大横梁200方向向上的顶压力。具体地，将车底架中的地板400、侧边梁300和大横梁200进行焊前组装，在大横梁200的两端分别安装第一防变形刚性支撑装置1，并通过第一防变形刚性支撑装置1对相应侧的侧边梁300施加方向向外的支撑力，在大横梁200的底部安装第二防变形刚性支撑装置2，并通过第二防变形刚性支撑装置2中的加载结构22施加给大横梁200方向向上的顶压力，就可以很好地实现对大横梁200施加方向向上的预弯曲变形。本申请的车底架大横梁与侧边梁焊接变形控制装置实施简单、有效，通过焊前预防和焊后矫正两种技术手段，以及针对侧边梁300和大横梁200焊接变形的第一防变形刚性支撑装置1和第二防变形刚性支撑装置2，可以有效地降低侧边梁300和大横梁200的焊接变形，甚至可将大横梁200向下的挠曲变形控制成方向向上的变形，进一步地，达到提高大横梁200乃至整个车体底架的承载能力和服役可靠性的目的。

如图2所示，为进一步优化上述技术方案中的第一支撑结构11和第二支撑结构12，在上述技术方案的基础上，该第一支撑结构11和该第二支撑结构12均包括第一支撑杆111和第二支撑杆112，其中，该第一支撑杆111的第一端与左侧的该侧边梁300的内侧面相抵接，该第一支撑杆111的第二端与该第二支撑杆112的第一端螺纹连接，该第二支撑杆112的第二端与右侧的该侧边梁300的内侧面相抵接。这样，在大横梁200和侧边梁300焊前装配完成后，利用该第一防变形刚性支撑装置1在大横梁200的左右两侧的侧边梁300施加一个垂直于大横梁200的内表面方向向外的载荷f，使得大横梁200两端的侧边梁300产生向外的预置变形。当大横梁200和侧边梁300焊接完成后，去除该第一防变形刚性支撑装置1，该侧边梁300在焊接残余应力的作用下会向内侧收缩，由此，便会与焊前预置的方向向外的预变形相抵消，从而起到控制侧边梁300焊后波浪变形的作用。

如图1和图2所示，在本申请的一个比较优选的技术方案中，该第一支撑结构11和该第二支撑结构12均还包括第一加载部件113，在该第二支撑杆112上构造有第一径向通孔，该第一加载部件113的插入端113a嵌设在该第一径向通孔内。需要说明的是，该第一加载部件113的插入端113a与该第一径向通孔(图中未示出)为过盈配合，当需要对大横梁200左右两侧的侧边梁300的内侧面施加方向向外的作用力时，则可以转动该第一加载部件113，通过该第一加载部件113的转动，便会带动该第一支撑杆111与第二支撑杆112朝相互远离的方向运动，在此过程中，该第一支撑杆111和第二支撑杆112作用给左右两侧的侧边梁300的内侧面的作用力会逐渐增大，从而使得该侧边梁300有向外发生变形的趋势，补偿侧边梁300在焊接过程中造成的收缩变形，达到消除侧边梁300的波浪变形的目的。。

如图2所示，在本申请的一个比较优选的实施例中，该第一支撑结构11和该第二支撑结构12均还包括设置在该第一支撑杆111靠近左侧的该侧边梁300的端部的外围的加强筋13。具体地，该加强筋13的设置，能够增强该第一支撑杆111的结构强度，避免其在施加给位于其相应侧的侧边梁300方向向外的作用力的过程中，因受力较大而发生形变或是损坏的情况。

如图3和图4所示，为进一步优化上述技术方案中的该第三支撑结构21和该第四支撑结构23，在上述技术方案的基础上，第三支撑结构21和该第四支撑结构23均悬挂在大横梁200的底部，该第三支撑结构21和该第四支撑结构23均包括纵向支撑杆231和设置在该纵向支撑杆231的上端面并能施加给该大横梁200方向向下的作用力的支撑块结构24。需要说明的是，该第三支撑结构21和第四支撑结构23的上端均悬挂在大横梁200的底部，下端均与如下所述的横支撑管25相连接，在此情形下，加载结构22施加给该大横梁方向向上的作用力，相对而言，就相当于该第三支撑结构21和第四支撑结构23分别施加给大横梁200方向向下的作用力，并且该方向向下的作用力的大小为方向向上的作用力的大小的一半。具体地，在地板400和大横梁200焊前装配完成后，利用第二防变形刚性支撑装置2为大横梁200施加一个方向向上的弯矩m，使大横梁200产生方向向上的挠曲变形f1。当地板400和大横梁200组焊完成后，去除第二防变形刚性支撑装置2，大横梁200受到焊接残余应力作用会发生方向向下的挠曲变形f2。大横梁200焊前预置的挠曲变形f1与焊后挠曲变形f2相抵消，大横梁200实际的挠曲变形量为f2-f1，从而达到控制大横梁200焊后挠曲变形的效果。

如图5所示，图中示意性地显示了该支撑块结构24包括第一支撑块241和与该第一支撑块241呈相对式设置的第二支撑块(图中未示出)，其中，在该第一支撑块241上构造有第一半圆孔241a，在该第二支撑块上构造有第二半圆孔，该第一半圆孔与该第二半圆孔共同构造成供该纵向支撑杆231的上端嵌入的第一通孔。需要说明的是，该第一支撑块241的结构与第二支撑块的结构为径向对称式结构，为实现该第一支撑块241与第二支撑块以及纵向支撑杆24的上端之间的固定连接，可将该第一支撑块241与第二支撑块两两一组进行对接后，通过螺栓将该第一支撑块241以及第二支撑块的两端进行锁紧，同时，使得该支撑块结构24的一端与大横梁200的底部(下翼面)相连接，另一端与纵向支撑杆231连接，由此，采用螺栓的连接方式，不仅连接牢固，并且还方便安装和拆卸。

如图3所示，在本申请的一个比较优选的技术方案中，该第二防变形刚性支撑装置2还包括横支撑管25，该第三支撑结构21、该第四支撑结构23以及该加载结构22均还包括上支撑管连接半环26和与该上支撑管连接半环26纵向相对设置的下支撑管连接半环27(图中未示出)，其中，该上支撑管连接半环26和该下支撑管连接半环27共同构造成供该横支撑管25穿过的第二通孔。具体地，将上支撑管连接半环26与下支撑管连接半环27两两一组，并通过螺栓进行连接，从而使得其一端与纵向支撑杆231连接，另一端与横支撑管25连接。

需要说明的是，通过移动上支撑管连接半环26和与其相匹配的下支撑管连接半环27，就可以实现对第三支撑结构21以及第四支撑结构23位置的调节，即，使得该第三支撑结构21以及第四支撑结构23能够沿横支撑管25的轴向进行运动，以达到躲避大横梁200的底部的安装部件的目的。

如图7所示，为进一步优化上述技术方案中的加载压块223，在上述技术方案的基础上，该加载结构22包括下压杆221、与该下压杆221螺纹连接的上压杆222以及设置在该上压杆222的上端面并能施加给该大横梁200方向向上的顶压力的加载压块223。其中，该加载压块223的一端与大横梁200的下翼面连接，另一端与上压杆222连接。

在一个实施例中，在该上支撑管连接半环26上构造有供该纵向支撑杆231或该下压杆221的下端穿入的第三通孔261。

在一个实施例中，在该加载压块223的下表面构造有开口朝向下方的安装孔，该上压杆222的上端222a嵌入该安装孔内。这样，就可以实现上压杆222与加载压块223的固定连接。

如图3和图4所示，在本申请的一个比较优选的技术方案中，在该上压杆222上构造有第二径向通孔，该加载结构22还包括能够穿过该第二径向通孔的第二加载部件224。具体地，通过转动该第二加载部件224，就会实现该上压杆222与下压杆221之间的相互远离，即，在转动该第二加载部件224的过程中，该上压杆222会逐渐向上运动(朝大横梁200的方向运动)，随着上压杆222的向上运动，便会带动加载压块223去顶压上方的大横梁200的底部，这样，就可以实现对大横梁200的中部位置施加方向向上的载荷，进而起到对大横梁200施加方向向上的预弯曲变形的作用。

在一个具体的实施例中，该第一加载部件113和该第二加载部件224均包括加载手柄、加载压块、加载轴体或加载外凸部。容易理解，该实施例仅仅是对该第一加载部件113和第二加载部件224的举例说明，对于其具体结构并不做限定，其可以根据实际的需要进行相应的调整。

如图3a所示，在另一个实施例中，该加载结构22还包括设置在该上压杆222的外围的第三加载部件225。

在另一个实施例中，该第三加载部件225包括加载圆盘。具体地，通过在该上压杆222的外围固定设有该加载圆盘，转动该加载圆盘，便可以实现上压杆222与下压杆221的相互远离的运动，进一步地，达到对大横梁200的中部位置施加方向向上的载荷，进而起到对大横梁200施加方向向上的预弯曲变形的作用。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例1相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例1不同之处：

如图8和图9所示，根据本申请的第二方面，还提供一种车底架大横梁与侧边梁焊接变形控制方法，包括：

步骤s1，将车底架中的地板400、侧边梁300和大横梁200进行焊前组装。

步骤s2，在大横梁200的两端分别安装第一防变形刚性支撑装置1，并通过第一防变形刚性支撑装置1对相应侧的侧边梁300施加方向向外的支撑力。

步骤s3，在大横梁200的底部安装第二防变形刚性支撑装置2，并通过第二防变形刚性支撑装置2中的加载结构22施加给大横梁200方向向上的顶压力。

步骤s4，完成大横梁200分别与地板400以及侧边梁300的焊接。

步骤s5，待焊接完成后，将地板400和大横梁200冷却至室温后，拆除第二防变形刚性支撑装置2，并对大横梁200的底部的内侧面进行热矫形。具体地，热矫形是指采用的焊后火焰矫形法，是在大横梁200和地板400焊接完成后，利用火焰枪500在大横梁200的下翼面内侧沿大横梁200的长度方向进行加热，以形成与焊接温度场相对称的温度场，火焰加热的温度优选为200℃。需要说明的是，由于火焰枪的结构和作用是本领域技术人员所熟知的，为节约篇幅起见，此处不做详述。

步骤s6，待侧边梁300和大横梁200均冷却至室温后，拆除第一防变形刚性支撑装置1。具体地，首先，将地板400和大横梁200进行焊前装配。然后，将第二防变形刚性支撑装置2装配在大横梁200的下翼面上，即将两组第一支撑块241和第二支撑块以及加载压块223均固定在大横梁200的下翼面处，通过转动该第二加载部件223或第三加载部件224，就会带动上压杆222进行同步转动，进一步地，达到对大横梁200的中部位置施加方向向上的顶压力f的目的，与此同时，基于力的平衡原理，两组第一支撑块241和第二支撑块对大横梁200分别施加方向向下的作用力，该作用力的大小为顶压力f的一半，即，相当于对整个大横梁200施加了一个方向向上的弯矩m和方向向上的挠曲变形f1，保持载荷作用并完成地板400和大横梁200的焊接，待地板400和大横梁200冷却至室温后，去除该第二防变形刚性支撑装置2，该大横梁200受到焊接残余应力作用会发生方向向下的挠曲变形f2。大横梁200焊前预置的挠曲变形f1与焊后挠曲变形f2相抵消，大横梁200实际的挠曲变形量为f2-f1，从而达到控制大横梁200焊后挠曲变形的效果。

综上所述，将车底架中的地板400、侧边梁300和大横梁200进行焊前组装，在大横梁200的两端分别安装第一防变形刚性支撑装置1，并通过第一防变形刚性支撑装置1对相应侧的侧边梁300施加方向向外的支撑力，

在大横梁200的底部安装第二防变形刚性支撑装置2，并通过第二防变形刚性支撑装置2中的加载结构22施加给大横梁200方向向上的顶压力，就可以很好地实现对大横梁200施加方向向上的预弯曲变形。本申请的车底架大横梁与侧边梁焊接变形控制装置实施简单、有效，通过焊前预防和焊后矫正两种技术手段，以及针对侧边梁300和大横梁200焊接变形的第一防变形刚性支撑装置1和第二防变形刚性支撑装置2，可以有效地降低侧边梁300和大横梁200的焊接变形，甚至可将大横梁200向下的挠曲变形控制成方向向上的变形，进一步地，达到提高大横梁200乃至整个车体底架的承载能力和服役可靠性的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。