流线型机车司机室外观设计及工艺实施

吴永鹏*

(南车资阳机车有限公司 机车事业部冲压车间，四川 资阳 641300)

流线型设计以圆滑流畅的流线体为主要形式，给人以速度感和机器的活力感，它能够减少物体在高速运动时的风阻，所以被广泛运用在飞机、铁道车辆、汽车等交通工具上。如何保证流线型动车司机室设计方案得以有效地实施，是流线型机车制造行业不断探索的课题，而国内外在流线型机车司机室的制造中，都存在工艺实施较复杂、生产效率低、制造成本高的问题。本文通过计算机辅助工艺分析，将流线型机车司机室的设计进行模块化分解，以探索新的工艺实施方案。

1 流线型机车司机室的外观设计

图1 苏丹动车头部结构

为使流线型司机室在高速运行时减少风阻，司机室外观设计尽可能考虑外形表面光滑、平顺。［1］如图1所示，流线型车头主要由司机室、端部边梁、排障器和导流罩组成。车头司机室由顶盖、前窗、前盖、侧墙组成。司机室的前端是一个锥形导流罩，前窗玻璃及前盖都采用与钢结构外形相协调的大曲面设计，利于减少风阻;头部的两侧采用大曲面设计，各大曲面间的过渡曲面，也采用大曲面光滑过渡，各曲面衔接处采用无棱边的圆滑过渡方式。

2 流线型苏丹动车头部的工艺分析及工艺实施要点

2.1 确定装配工艺步骤

首先应进行车头端部边梁和车架组装，然后运用车架转胎实施排障器吊装，再实施司机室整体吊装，导流罩在车头整体结构总组装完成后才进行组装。

2.2 确定装配基准

司机室的下平面以机车端部边梁的上盖板平面作为装配基准，司机室后平面采用机车后墙为装配基准，从而保证司机室组装完成后，与机车车体的总组装对接准确。［2］

2.3 了解司机室骨架、蒙皮结构

苏丹动车流线型司机室(以下简称司机室)侧墙骨架设计，采用左右侧墙对称结构，运用梁件交叉插接结构。工艺采用激光编程下料、成型、组装即可。

司机室侧墙的蒙皮由2 mm钢板下料成型制成，其设计的蒙皮骨架分别由3～6 mm钢板经激光编程下料形成，共39件板料和9个梁柱。

司机室侧墙曲面主要在与顶盖、前窗、前盖和导流罩相连处曲率明显(如图2所示)，车门蒙皮和侧窗蒙皮均采用大曲面连接(其横向曲率＜3‰，纵向曲率＜1.5‰)，可近似看成平面处理，其骨架在平台上完成组装后，作为司机室尺寸控制基准。

图2 苏丹动车司机室侧墙结构

司机室侧墙骨架由39个板件组成，由于红线框外的车门和侧窗处采用大曲面，可近似为平面处理，因此在骨架分析时仅对红线框内的骨架进行工艺分析和工艺优化。

司机室设计时采用全散拼方案，侧墙与前盖相连接处的曲面骨架缺少空间定位基准，因此，在组对时将无法保证骨架对蒙皮的空间约束，造成蒙皮变形。为保证骨架有较好的定位且便于组装测量，经计算机辅助处理(如图3所示)，将蒙皮骨架简化为横平竖直，并连贯起来。

图3 动车司机室右侧墙骨架优化结构

司机室蒙皮骨架的工艺实施采用横平竖直的工艺实施方案。新工艺方案有利于提高司机室骨架的装配定位及质量控制，在提高生产效率的同时，减少了装配辅助工装的制作，降低成本。

调整司机室骨架的空间位置，将会影响其结构的强度。因此，在实施司机室工艺分析的过程中，一方面是将骨架由39件减少为27件，以提高骨架装配的整体性;另一方面是减少骨架之间的间距，增加2排纵向骨架，提高司机室结构的强度。这样不仅有利于提升司机室蒙皮的装配质量，还可以减少结构的焊接变形。另外，骨架板厚统一为5 mm，便于激光切割下料时套排，也防止骨架组对时错装。

组装时采用插接方案，插接间隙为板厚的10%～15%，每根骨架在图形处理时均有2个以上插接点，确保了现场组装时骨架空间位置的确定。骨架上缺口的开槽方向要根据装配顺序进行图形处理(一般采用“先竖后横再交叉，从外往里插”原则)，从而保证组装时顺利进行。

2.4 苏丹动车侧墙蒙皮曲面分析

司机室的蒙皮曲线均采用NURBS样条曲线扫描而成，所以只要在一个视图上找到该曲线断层若干控制点，用NURBS样条线连接而成即是该断层在视图上的实际轮廓线。［3］

图4 苏丹动车司机室墙蒙皮曲面网格

图4为司机室墙蒙皮按50 mm的间距进行断层扫描而生成的曲面网格。通过曲面网格可以较直观地看到蒙皮曲线的方向和确定曲率的大小，分析出曲面成型的难易程度，从而为蒙皮的模块化分解提供直观的依据和准确的数据。蒙皮曲面网格化也为蒙皮的立体检测样板的制作提供了基础数据。

2.5 司机室侧墙蒙皮分块及立体检测样板制作

2.5.1 蒙皮分块及成型

蒙皮的分块遵循曲面大小与骨架相匹配的原则，其分界线尽量选择在骨架上。根据曲面成型的难易程度，成型难度大的采用小块分块;成型难度小的采用大块分块，从而降低成型难度，便于组装操作及提高外观质量。

蒙皮分块及成型应考虑本公司生产条件及制造成本，压力机模具成型成本较高，适宜大批量生产;小批量生产或者试制生产，一般采用曲面冷作成型机结合手工成型，不仅试制成本较低，而且生产周期短。

司机室墙骨架蒙皮共分为10块，加上车门和侧窗位12块(如图5所示)，左右侧墙共24块蒙皮。1～7号蒙皮由于曲率较小，且不规则，需要上曲面成型机成型，为检验成型质量，需制作立体样板。8～12号蒙皮均采用大曲面，10号蒙皮尖角处横向曲率稍小须滚弯外，8、9、11、12号蒙皮均沿骨架顺铺即可完成。

图5 苏动司机室侧墙蒙皮分块

如何保证蒙皮曲面成型及组装的质量，是确保流线型设计理念得以实现的关键。有了蒙皮的曲面网格和分块，在曲面网格中导入分界骨架曲线，就可以进行立体样板的程序编程及切割、组装，从而完成曲面立体检测样板的制作，为蒙皮成型生产提供检验标准。

2.5.2 分界骨架曲线的导入

将分界骨架的三视图曲线条导入蒙皮50 mm曲面网格三视图中，保证其位置的正确性，并标出蒙皮分界线，以便于样板骨架工艺分析［4］(如图6所示)。

图6 分界骨架曲线导入曲面网格示意图

2.5.3 立体样板的分块数据分析及下料程序

运用计算机对蒙皮分块数据进行分析，完成蒙皮骨架的拆分及生成，导出骨架下料切割程序(如图7所示)。

图7 样板的拆分及生成切割程序

在进行图形数据分析时保证其中间曲线骨架在立体样板底板上至少有一个交叉，以便于组对时定位插接。同时保证制成立体样板有足够的强度，便于在曲面曲率不够时在样板上进行修整。

2.5.4 立体样板的组对制作

按样板骨架分析时的先后顺序，在保证底板与侧板的平直情况下，按左右方向先分别插入中间交叉板，在组对上四周侧板，最后依次插接剩余的骨架板件，即可完成侧墙立体样板的分块制作(如图8所示)。由于插接间隙在板厚10% ～15%之间，其晃动小，定位准确，立体样板的空间曲率及位置正确率达到97%以上。将1～7号单侧立体样板依次组对起来，就可得到其整体效果。

图8 样板的拆分及生成切割程序

3 结语

本文以试制苏丹动车司机室为例，对流线型机车司机室的外观及骨架进行了工艺优化，运用计算机进行辅助工艺分析，形成司机室曲面网格，并进行模块化分解，生成基础数据，从而得出流线型司机室的一种工艺实施方案，为生产流线型机车提供参考。

［1］朱心雄.自由曲线曲面造型技术［M］.北京:科学出版社，2000.

［2］严隽髦.车辆工程［M］.成都:西南交通大学出版社，1999.

［3］刘壮，张乐年.曲面造型技术综述［J］.计算机辅助设计与制造，1997(6):20－22.

［4］李玉斌.精通Pro/ENGINEER中文野火版实例进阶篇［M］.北京:机械工业出版社，2004.