高速動車組轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架變形預(yù)測與控制

高速動車組轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架變形預(yù)測與控制

摘要：本文就轉(zhuǎn)向架的構(gòu)成進(jìn)行了討論，并且分析了轉(zhuǎn)向架在焊接時產(chǎn)生變形的原因，介紹了常用的焊接變形預(yù)測方法以及控制焊接變形的措施。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向架；焊接變形；預(yù)測方法；舉措1引言轉(zhuǎn)向架是列車的重要部件，我國轉(zhuǎn)向架的發(fā)展可分為常規(guī)列車階段、準(zhǔn)高速列車階段、高速動車階段。21世紀(jì)90年代，我國自主研發(fā)的轉(zhuǎn)向架適用于行駛速度為200km/h的列車。之后，長春某企業(yè)吸收了日本的先進(jìn)技術(shù)，研發(fā)出了CW-300型轉(zhuǎn)向架。在吸收其他國家技術(shù)的同時，該企業(yè)也專注于自主研發(fā)，開發(fā)出了SW-220型轉(zhuǎn)向架。此后，青島某企業(yè)和西南交通大學(xué)基于SW-200型開發(fā)出了SW-300型，其適用于行駛速度達(dá)到350km/h的列車。轉(zhuǎn)向架發(fā)生變形后，行車安全即會受到負(fù)面影響，因此，必須對轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的變形進(jìn)行預(yù)測與控制。2轉(zhuǎn)向架的組成高速動車組轉(zhuǎn)向架由電車吊座、制動裝置、齒輪箱、牽引拉桿、轉(zhuǎn)臂定位裝置、縱向連接梁、橫梁、側(cè)梁等部件組成。2.1橫梁的架構(gòu)進(jìn)行橫梁制造時通常采用無縫鋼管。橫梁斜上方位置安裝了2個電機(jī)吊座、齒輪吊座，而接近橫梁的部分安裝了4個制動吊座。為減少自重以及便于吊座進(jìn)行工作，于電機(jī)吊座的安裝板設(shè)置圓形孔與長圓形孔。為其中1個電機(jī)吊座安裝牽引裝置，并且于其相對的另一側(cè)安裝齒輪箱吊座。為在故障狀態(tài)下保護(hù)齒輪箱，避免齒輪箱受損，于其吊座下蓋板安裝安全檔座及檔銷。2.2側(cè)梁的架構(gòu)側(cè)梁為轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件，且采用了焊接的方式進(jìn)行制作，其主要部件為內(nèi)部加強(qiáng)版、上蓋板、下蓋板以及內(nèi)外立板。側(cè)梁兩側(cè)的支撐結(jié)構(gòu)為筒體結(jié)構(gòu)，中間部分為圓孔，以便放置橫梁的某一部分。側(cè)梁外側(cè)安裝了空氣彈簧，連體之內(nèi)為空氣彈簧性導(dǎo)筒，以便連接空氣彈簧和氣室。導(dǎo)筒和橫梁相連，以便位于兩端的空氣彈簧室具有獨立性、密封性。3轉(zhuǎn)向架焊接產(chǎn)生變形的原因在焊接過程中，冷熱交變循環(huán)無法避免，因此，必定會產(chǎn)生熱應(yīng)變以及塑性壓縮。在某些時候，應(yīng)變相互疊加，將產(chǎn)生較大的內(nèi)力，使得組成轉(zhuǎn)向架的各個部件發(fā)生彎曲、回轉(zhuǎn)。按照變形出現(xiàn)的時間，焊接變形可分為瞬態(tài)熱形變、殘余變形，前者通常出現(xiàn)在焊接過程中，而后者通常出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向架工作的過程中。多種因素均會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架在焊接過程中產(chǎn)生變形，而材料、焊接工藝、結(jié)構(gòu)為主要因素。3.1材料材料的各項性質(zhì)都會影響到焊接過程，令轉(zhuǎn)向架的某些部件產(chǎn)生變形。其中，熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱膨脹系數(shù)為影響較大的物理性質(zhì)。當(dāng)熱傳導(dǎo)系數(shù)減小，溫度梯度將變小，進(jìn)而產(chǎn)生明顯的變形。而熱膨脹系數(shù)增大，變形也將愈發(fā)明顯。3.2焊接工藝焊接工藝的內(nèi)容包括工藝參數(shù)、焊接順序、部件定位、焊接胎架、夾具應(yīng)用、熱輸入量等。不同的選擇對焊接的影響不同，某些時候，改變工藝參數(shù)或焊接順序，將使得焊接變形的幾率增加。3.3結(jié)構(gòu)在材料、焊接工藝、結(jié)構(gòu)這三類因素中，結(jié)構(gòu)為最復(fù)雜、影響最大的因素。有學(xué)者的研究表明，如果提升焊接拘束度，殘余應(yīng)力將增大，而焊接變形的幾率卻將減小。焊接拘束度有兩種，第一種為部件的拘束度，第二種為外界附加的拘束度。其中，部件的拘束度處于不斷變化的狀態(tài)。在較為復(fù)雜的情況下，拘束度對焊接變形的過程中產(chǎn)生極大影響，而隨著復(fù)雜程度上升，拘束度也將上升。4轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架變形的預(yù)測對于焊接變形的研究已持續(xù)多年，因此，國內(nèi)外的研究人員已取得了許多成果。在本文中，筆者匯總了焊接變形的預(yù)測方法。4.1經(jīng)驗法上個世紀(jì)30年代，許多學(xué)者通過進(jìn)行大量簡單的試驗得到經(jīng)驗公式以及數(shù)據(jù)曲線，然后預(yù)測焊縫的收縮量、角變形量。對于焊接變形，將其變形量和推導(dǎo)公式或數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行對比，分析某些參數(shù)之間的關(guān)系。由于涉及到的參數(shù)較多，且參數(shù)之間存在著復(fù)雜關(guān)系，必須考慮試驗的成本、時間。在某些情況下，焊接過程相當(dāng)復(fù)雜，不適合使用經(jīng)驗法，其只合適進(jìn)行簡單條件下的焊接變形預(yù)測。4.2解析法上個世紀(jì)50年代，一些學(xué)者開始研究解析法，其包含轉(zhuǎn)位論、固有應(yīng)變理論等，開發(fā)這一預(yù)測方法的代表人物為Fuqimodi、Wantadabe。經(jīng)過其他學(xué)者的完善，該方法具有一定的實用性。然而，其過多考慮殘余應(yīng)變，且假設(shè)固定應(yīng)變部分都具備彈性，將轉(zhuǎn)向架各部件之間的數(shù)學(xué)關(guān)系理想化，因此，其只可用于預(yù)測某些部件的焊接變形。4.3數(shù)值模擬法該方法最初應(yīng)用于對飛機(jī)結(jié)構(gòu)矩陣的分析，之后，應(yīng)用于汽車工業(yè)的分析之中。由于該方法的實用度、科學(xué)度較高，所以該方法的應(yīng)用擴(kuò)展到了多個領(lǐng)域。使用該方法時，首先要基于轉(zhuǎn)向架的情況建立數(shù)學(xué)模型，并選擇合適的算法，利用計算機(jī)進(jìn)行模擬。該方法的核心是為抽取的模型找到對應(yīng)的控制方程，其可對轉(zhuǎn)向架構(gòu)件內(nèi)部的動態(tài)變化進(jìn)行預(yù)測，幫助相關(guān)人員了解焊接情況，提升轉(zhuǎn)向架焊接工作的質(zhì)量。在通常情況下，其通常用于預(yù)測復(fù)雜條件下的焊接變形、焊接溫度場變化、焊接殘余應(yīng)力變化。5控制轉(zhuǎn)向架焊接變形的舉措5.1選擇合適的焊縫尺寸與形式當(dāng)焊縫尺寸增加，焊接量也將增多，進(jìn)而令焊接變形擴(kuò)大。相關(guān)人員應(yīng)在設(shè)計階段準(zhǔn)確計算焊縫尺寸，在確保結(jié)構(gòu)承載性能的前提下選擇較小的焊縫尺寸。對于承載性能較強(qiáng)的丁字接頭以及十字街頭，應(yīng)在確保符合強(qiáng)度條件的情況下選擇開坡口的焊縫。5.2選擇合適的焊縫位置如果在某些部分設(shè)置焊縫，變形程度將上升。因此，必須選擇合適的焊縫位置。在一般情況下，將焊縫設(shè)置于焊接結(jié)構(gòu)截面的中軸或靠近中軸的部分較為合適。5.3使用預(yù)拉伸法在大多數(shù)時候，預(yù)拉伸法用于對薄板平面部件的焊接變形進(jìn)行控制。在焊接工作開始前，將張力施加于焊工件上，或者進(jìn)行預(yù)熱，使得熱膨脹量形成，之后進(jìn)行焊接。焊接完成后，撤除張力或加熱，使得平面部件恢復(fù)到原先的狀態(tài)。該方法是減少焊接殘余應(yīng)力的有效方法，所以控制焊接變形的效果較為明顯。5.4固定待焊接的部件利用夾具或剛性胎具將待焊接的部件固定，再進(jìn)行焊接。由于待焊接部件被固定，所以角變形以及完全變形均被控制。因該方法的實用性強(qiáng)，所以許多焊接人員都應(yīng)用該方法。6結(jié)語列車是我國的重要交通工具，而轉(zhuǎn)向架涉及到行駛安全。并非所有轉(zhuǎn)向架都適用于高速動車組，只有某些特定的轉(zhuǎn)向架適用于高速動車組。如果使用發(fā)生變形的轉(zhuǎn)向架，高速動車組中的人員安全將受到影響。在本文中，筆者討論了轉(zhuǎn)向架的組成，介紹了轉(zhuǎn)向架焊接變形的原因、焊接變形的預(yù)測方法以及控制焊接變形的舉措。Reference[1]李芾，安琪.國內(nèi)外