（机械工程专业论文）206kp型转向架定位臂抗疲劳设计与工艺研究.pdf

中南大学工程硕士学位论文 摘要 摘要 中国南车四方机车车辆股份有限公司从1 9 8 5 年开始与各有关高校和研究所 联合研制设计准高速转向架，2 0 6 k p 型转向架在1 9 9 4 年底完成线路动力学试验 后应用于提速列车，通过不断的优化和改进，该转向架成为提速客车的主型转向 架之一。 无摇动台客车转向架具有结构简单、安全可靠、检修维护方便的特点，已被 国外铁路发达国家在高速列车上广泛采用。2 0 6 k p 型转向架应用以来总体情况良 好，但在转向架构架定位臂的疲劳强度方面仍存在一些问题，需进行进一步分析 研究。 本文运用疲劳分析方法对2 0 6 k p 型转向架构架定位臂结构进行了以下研究： 首先，应用大型有限元软件a n s y s 对2 0 6 k p 型转向架构架定位臂进行有限元 分析，结合实际应用情况，找到了结构疲劳部位。 其次，根据定位臂结构特点，提出了改进方案并通过有限元程序进行了比较 计算。 再次，对定位臂补强时的焊接变形及采取的防变形措施进行了研究。 最后，通过在线路对定位臂进行动应力测试，比较分析了改进前后定位臂的 疲劳强度和寿命。 通过对2 0 6 k p 型转向架构架定位臂的结构进行改进和疲劳分析，将使该型转 向架能更好的满足运用要求。 关键词：转向架定位臂，疲劳分析，结构疲劳，补强工艺，疲劳寿命 t h ec s rs i f a n gl o c o m o t i v ea n dr o l li n gs t o c kc o ，l t dr e s e a r c h e da n d d e v e l o p e dt h eq u a s i i g hs p e e db o g i eo fp a s s e n g e rc a r ， c o o p e r a t e dw l t h s o m er e l a t i v eu n i v e r s i t i e sa n di n s t i t u t e ss i n c e1 9 8 5 2 0 6 i ( 2t y p eo fb o g i e h a db e e nu s e df o rs p e e d - u pt r a i na f t e ri t f i n is h e dt h ed y n a m i ct e s t1 n 1 9 9 4 t h i sb o g i eh a sb e e no n eo ft h em a i nb o g i e so fs p e e d - u pp a s s e n g e r c a rb yc o n t i n u i n go p t i m i z a t i o na n di m p r o v e m e n t b o l s t e r l e s sb o g i e o fp a s s e n g e r c a rh a ss o m ec h a r a c t e n s t l c s ： s i m p li f i e d s t r u c t u r e ， s a f e t y a n dr e l i a b i l i t y ， c o n v e n i e n c e f o r e x 锄i n a t i o na n dm a i n t e n a n c e ， s oi th a sb e e nu s e de x t e n s i v e l yo n t n e h i g h s p e e dt r a i ni nf o r e i g nc c u n t r i e s o fd e v e l o p e dr a il w a y t h e2 0 6 k p b o g i ei sw e l lu s e da saw h o l e ，b u tt h e r ea r es t i l l s o m ep r o b l e m so nt h e f a t i g u es t r e n g t ho fp o s i t i o n i n ga r ma n dm o r ea n a l y s i s w a sn e e d e m i nt h i sp a p e r ， t h ef a t i g u ea n a l y s i sm e t h o d sw e r eu s e df o r1 m p r o v l n g 2 0 6 k pb o g i ep o s i t i o n i n ga r m ： f i r s t l y ，t h ep o s i t i o n i n ga mo f2 0 6 k pb o g i e w a sa n a l y z e db yf i n i t e e l e m e n ts o f t w a r ea n s y s ，t h ef a t i g u ep a r t so ft h e s t r u c t u r ew e r ef o u n d c o m b i n e dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr e s u l t sw i t hr e a l a p p l l e a t l o n s e c o n d l y ，t w oi 呻r o v e m e n t s c h e m e sw e r ep u tf o r w a r d t os o l v et h e p r o b l e mo ft h ep o s i t i o n i n ga x l n ，t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw a sm d e o n t h eo r i g i n a lm o d e la n dt h ei m p r o v e m e n ts c h e m e s t h i r d l y ，as t u d yf o rc o n t r o l l i n gw e l d i n gd i s t o r t i o nd u r i n gf i l l i n g t h eo bj e c t i o n so ft h ep o s i t i o n i n ga l q 9 f i n a i i y ，t h ef a t i g u es t r e n g t h a n dl i f eo ft h eo r i g i n a la n d t h e i m p r o v i n gp o s i t i o n i n g 锄w a sc a r r i e do u tb yd y n a m i c s t r e s st e s t l n go n 1 i n e t h er e s u it so ft h er e s e a r c h e so np o s i t i o n i n ga r mb o t hi ni m p r o v e n t a n df a t i g u ea n a l y s i si n d i c a t et h a tt h e2 0 6 k pb o g i ew i l l h a v ee x c e l l e n t p e r f o r m a n c ef o ra p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：b o g i ep o s i t i o n i n g 姗f a t i g u ea n a l y s i s ，s t r u c t u r e f a t i g u e ，r e i n f o r c e m e n tt e c h n o l o g y ，f a t i g u e l i f e 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名： 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：导师签 日期：砭h 由9 中南大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 我国幅员辽阔，内陆深广，人口众多，资源分布和工业布局不平衡，铁路运 输是长距离、大批量旅客和货物运输的首选工具，是建设现代大物流系统不可缺 少的基本要素。在国家实施可持续发展战略的情况下，铁路以其运能大、成本低、 全天候、安全、节能、环保等优势，成为国民经济的大动脉和国家重要的基础设 旅。铁路运输在国民经济发展中发挥了重要的作用，取得了显著的经济和社会效 j 上 盈。 近年来，随着航空、公路、水路运输业的大规模发展，铁路运输分额日趋下 降，使我国铁路运输的生存发展面i 瞄严峻的挑战。为了迎接挑战，中国铁路已分 别于1 9 9 7 年、1 9 9 8 年、2 0 0 0 年、2 0 0 1 年和2 0 0 4 年进行了五次大规模的提速， 于今年4 1 8 又进行了举世瞩目的的第六次大提速。铁路的不断发展，对铁路机 车车辆装备提出了更高要求，尤其是承担走行任务的转向架已经成为高速铁路的 核心关键技术。 多年来，世界各国研制了多种实用可靠的转向架，比如德国i c e 高速列车转 向架、法国t g v 列车的y 2 3 系列转向架、日本新干线的系列转向架等。在各国研 制开发转向架的过程中，无不对机车车辆强度及动力学问题给予高度的重视，在 这方面开展了大量的研究工作并形成了相应的标准n 刊。 自1 9 9 7 年以来，我国铁路进行了全面提速，取得了良好的经济效益和社会 效益。目前，2 5 k 型客车转向架主要包括：四方股份公司的2 0 6 k p 和s 渭- 1 6 0 转 向架、南京浦镇车辆厂的2 0 9 h s 型转向架、长客股份公司的四一2 型转向架等客 车转向架。这些客车转向架采用有摇枕或兼有摇动台的结构型式，已经过多年的 运营考核，总体来说各项性能指标均比较好，基本能满足安全运行的要求。但其 结构复杂，易损易耗的零部件较多，在运用、维护中暴露了不少问题，有的还影 响了车辆的正常运用。 随着铁路客运装备跨越式发展的要求，国内厂家也在加紧无摇枕客车转向架 的研制工作，目前，2 5 t 型客车转向架有两种：四方股份公司的s w - 2 2 0 k 型无摇 枕转向架，长客股份公司的c l r 一2 0 0 型无摇枕转向架。两种转向架应用以来均表 中南大学工程硕士学位论文 第一章绪论 现出了良好的动力学性能且方便检修，但运用也暴露出了一些需改进的问题。 随着铁路运输全面提速，铁道车辆转向架的振动幅度明显增大，对转向架关 键部件如构架、轴箱、轮轴的疲劳寿命的影响更加突出。因此，运用中出现的疲 劳裂纹将严重威胁铁路运输的安全。 目前，各铁路工厂所采用的设计方法还是以传统的安全系数保障强度，因此， 存在着静强度富裕、疲劳强度不足的问题；在构架等关键部件的有限元计算中， 往往只重视构架侧、横梁主体结构的强度，而由于对构架支吊座载荷不了解，忽 视了对其疲劳强度的分析；现行的等幅室内疲劳试验，既不能反映转向架运行中 承受的随机载荷的特性，也不能对一些重要支吊座部位进行正确的疲劳加载；同 时对于焊接接头的疲劳性能也研究不够。由上不难看出，在提速铁道车辆转向架 的设计、试制过程中，对其关键部件缺乏必要的分析和试验研究。 国外在研制时速超过1 6 0 k m h 的转向架时，对构架及其关键零部件的强度设 计和试验十分重视，不但做静强度计算，还要对实物构架进行疲劳强度仿真校核； 不但进行静强度试验和多动力头的疲劳强度试验，还十分重视在线路运行试验 中，实测动应力进行疲劳强度评估或编制应力谱后进行定寿。 1 2 研究现状及2 0 6 k p 转向架特点 1 2 1 国内外无摇枕转向架的现状及发展 日本、法国、德国等铁路发达国家通过多年的研究，都开发了各具特色的 高速列车，如德国i c e 列车、法国的t g y 列车以及日本新干线的3 0 0 系、5 0 0 系、7 0 0 系等高速列车、瑞典的x 2 0 0 0 摆式列车等，都是成功运用无摇枕转向 架的典范。 国内无摇枕转向架主要有四方股份公司的s w - 2 2 0 k 型无摇枕转向架，长客 股份公司的c l r 一2 0 0 型无摇枕转向架，为我国铁路的第五次大提速作出了积极 的贡献。国内自行研制的动力分散的“长白山一、“先锋一号电动车组和动力 集中的“中原之星一、。中华之星一号电动车组，均采用无摇枕结构的转向架。 1 2 2 2 0 6 k p 型转向架的研制及特点 2 0 6 w p 、2 0 6 k p 型转向架是四方股份公司为广深线准高速空调旅客列车配套 2 中南大学工程硕士学位论文第一章绪论 设计的两种新型转向架。其中2 0 6 1 w 型用于准高速发电车，2 0 6 k p 型用于卧车、 座车、餐车、行李车等车种1 7 - 9 1 。 两种转向架的设计于1 9 9 2 年2 月完成1 9 9 2 年5 月试制出首辆2 0 6 w p 型转 向架。并装于经改造的2 2 型硬卧车上，参加了同年6 月在北京铁科院环行线进 行的动力学及单车制动溜放试验。1 9 9 3 年7 月完成了首辆2 0 6 k p 型转向架的试 制，并装于准高速客车的二等车上，参加了同年8 月的铁科院环行线运行试验。 1 9 9 4 年3 月，整列准高速客车到铁科院环行线参加综合试验，最高试验速度达 1 8 3 1 m h 。并对装有2 0 6 1 w 型转向架的发电车及装有2 0 6 k p 型转向架的餐车、一 等车进行了平稳性测试。 测试结果显示：车速1 6 0 k n y h 时两个方向的平稳性指标均不超过2 5 ，车速 1 8 0 k i n h 时不超过2 6 。 为了测试准高速客车在实际线路的运行平稳性和稳定性，1 9 9 4 年9 - 1 0 月， 在广深铁路正线进行了客车的动力学性能试验，试验的最高速度达1 7 4 k m h 。 2 0 6 k p 型转向架结构主视图、侧视图、俯视图分别见图1 - 1 、卜2 和l - 3 所示。 3 母赫汁慊h葡袁降帐高黪h 潞l 梅宝蕾黟 _。落糟监弼_-轮洱誊益瓣hucp灌弛棼辫嘲*4耀哥糟蓬磐辩睫一”。簿箭于醍群矫哺6_j鼋高枣 固1-_1时oi(勺车专哥溢时苗圜 哥哥汁螗h茼寓卜慊高醪h 渣i 培耋蕾黟 圜p-2的oi(屯蒜哥粘枣苗圃 丹耐汁慊h茼窘睁慊高黔h 渣i 慵埭醪 圈】-_3的ol(p车章哥牿塞苗囹 中南大学工程硕士学位论文 第一章绪论 由图可见，2 0 6 k p 转向架有如下特点： ( 1 ) 2 0 6 k p 型转向架中央悬挂装置为无摇动台空气弹簧悬挂型式， 全旁承支重，弹性中心销轴牵引，构架与摇枕之间设有牵引拉杆、横向缓冲 器及横向油压减振器。另外，考虑到空气弹簧的垂向刚度小，横向跨距较小 ( 1 9 5 6 m m ) ，抗侧滚的能力较差，安装了抗侧滚扭杆装置。 ( 2 )2 0 6 k p 型转向架的构架、摇枕均为焊接结构。构架侧粱为u 型， 由两块厚1 4 m m 的钢板热压成槽型的粱体对焊而成，横梁及侧梁端部的轴 箱弹簧座为圆管型材，转向架构架侧粱中间焊有一个圆盘，用于支承空气弹 簧。摇枕由于采用旁承支重型式，其断面尺寸较小，重量也较轻。弹性中心 牵引销轴采用简单的锥形胶套与销轴，便于车体与转向架的落成。旁承为非 螺栓紧固形式，旁承直接放入旁承座内，更换不同厚度的旁承垫即可方便地 调整车钩高度。 ( 3 )转向架的轮对轴箱装置为单转臂式。轮对横向、纵向定位依靠 定位转臂与构架间橡胶节点来实现。该定位结构不磨耗，改变橡胶硬度及橡 胶套的形状即可改变定位刚度的大小。该单转臂定位结构的另一个优点是轮 对更换非常方便，更换轮对时只要将定位转臂与轴箱间的紧固螺栓卸下即可 推出轮对，而不需分解轴箱弹簧及定位转臂等件。弹性定位节点胶套与内、 外钢套硫化在一起，接触面设计成齿形，以防止运用一段时间脱胶，使定位 刚度发生变化。考虑到定位节点扭转时会产生一系垂向附加刚度，影响垂向 性能，设计上对轴箱弹簧组装时有预压缩要求，保证在车辆空载状态下节点 的扭转角近似等于零。为尽量控制车辆运行中轴箱( 轴承) 的温升，设计要求 在轮对轴箱与构架组成后，保证轴承轴向游隙不小于0 8 m m 。 ( 4 ) 转向架基础制动装置为盘形加踏面复合制动式，制动盘为高温 强度性能良好的石墨铸铁材质，与5 4 4 5 无石棉材料制成的闸瓦构成一对摩 擦副，其摩擦系数稳定。 2 0 6 k p 型转向架的设计指导思想是： 在满足准高速客车运行安全、平稳的前提下，使结构简化，低磨耗， 降低制造成本，方便运用、检修。同时，考虑结构的先进性，为使结构简 单，转向架采用了无摇动台悬挂型式，分别采取了如下措施，以保证其有 良好的平稳性，运用安全、可靠。 7 中南大学工程硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 )根据以前类似转向架的试验结果，保证二系一定的横向阻尼对 无摇动台结构转向架的横向稳定性至关重要，因此，减振器的工作可靠性就 显得非常重要。2 0 6 k p 转向架二系各设两个横向油压减振器，既使一个意外 失效，另一个仍可提供一定的阻尼。另外，减振器两端节点选用球关节弹性 结构，避免因为安装误差及垂向、纵向位移时，减振器出现别抗而引起损坏。 ( 2 )2 0 6 k p 型转向架采用无摇动台低横向刚度的自由膜式空气弹簧 悬挂，为使横向刚度尽量降低，在椽胶囊的下面串联了橡胶堆，依靠橡胶堆 的剪切和弯曲变形使横向刚度得以降低。橡胶堆的另一个作用是在空气弹簧 无气状态下，车辆运行时，起到较好的缓冲作用。此外，空气弹簧带有可变 阻尼节流阀，代替二系垂向油压减振器，提供二系垂向振动所需的阻尼 ( 3 )为使车辆运行时减少压缩空气的浪费，空气弹簧供风系统必须 的高度控制阀及压差阀选用了日本n b c o 公司的成熟产品，该高度控制阀具 有延时功能，当车体正常滚摆时，高度控制阀不充、排气。为避免高度控制 阀受到较大的振动，将其安装在振动较轻的摇枕上。 ( 4 )因无摇动台结构，摇枕在构架侧梁的上面，为防止空气弹簧意 外过充引起车体的抬高和倾斜，在摇枕底部与扭杆之间安装扭杆安全吊。当 空气弹簧因高度控制万一失灵造成过充气，超过一定高度时，安全吊与扭杆 接触，限制摇枕( 车体) 的进一步升高。安全吊的另一个作用是防止扭杆等的意 外脱落。 ( 5 )2 0 6 w p 、2 0 6 k p 型转向架一系悬挂中轮对轴箱定位采用单转臂 式。其结构简单，且容易实现不同纵、横向定位刚度数值的要求。 ( 6 )为抑制构架的点头振动，转向架一系悬挂均设有垂向单向油压 减振器。 1 3 论文主要研究内容 2 0 6 k p 型转向架结构在实际运用过程中也出现了一些问题，其中在定位臂上 出现了疲劳裂纹，暴露出其疲劳强度不足的问趔1 0 。1 。 经调查发现，疲劳裂纹发生在定位臂外侧臂与筋板的圆角过渡区，疲劳裂 纹发生率约为15 ，且在裂纹处存在较严重的铸造缺陷。本文针对这一现象，对 其改进结构前后的状态开展了如下工作： 8 中南大学工程硕士学位论文 第一章绪论 采用大型有限元软件a n s y s 建立2 0 6 k p 转向架构架定位臂的有限元模型， 分析其结构强度； 提出2 0 6 k p 转向架构架定位臂的改进结构方案并进行有限元分析研究，比 较改进效果； 从焊接工艺角度出发，研究2 0 6 k p 转向架构架定位臂补强方法和控制焊接 变形的措施； 研究在线路实际运行条件下，结构动应力的测试技术和数据处理方法； 对2 0 6 k p 转向架构架定位臂补强前后的疲劳强度和寿命进行分析计算。 9 中南大学工程硕士学位论文 第二章2 0 6 k p 型转向架定位臂改进结构研究 第二章2 0 6 k p 型转向架定位臂改进结构研究 本章在简单介绍有限元理论及a n s y s 软件的基础上，应用有限元软件 对2 0 6 k p 转向架构架原定位臂和改进结构进行模拟计算。 2 1 有限元理论及a n s y s 软件简介 有限元法是一种很有效的数值计算方法，它能对工程实际中几何形状不规 则、所受载荷复杂的各种结构进行应力、应变和动态特性分析，这是经典的弹 性力学方法所不及的【1 二1 3 1 。 有限元法的基本思想是：把一个连续的弹性体划分成有限多个彼此只在有 限个节点处相互连接的、有限大小的单元组合体来研究。也就是用一个离散结 构来代替原来的连续结构作为真实的近似力学模型。建立模型以后，所有的分 析计算就在这个离散的结构上进行。有限元法之所以能够解决复杂结构的问题， 并且计算结果可靠、精度高，其中原因之一在于它有丰富的梁单元、板单元、 壳单元、弹簧单元、质量单元等，从而使我们能够非常方便地用有限元模型来 描述分析对象。 利用有限元进行静力分析的过程一般分为以下几步： l 、按照虚功原理，建立单元节点力与单元节点位移的函数关系，即 扩) c = k r ( 2 - 1 ) 其中： 扩 。为单元节点力列阵， 医】。为单元刚度矩阵， 侈 为单元节点位移列阵。 2 、按静力等效原则把每个单元所受的载荷向节点移置，并求和，从而得到 结构的等效节点载荷列阵； 3 、根据每一个节点的相关单元组集结构的总刚度矩阵d 目，并建立整个结构 的平衡方程： f = 【1 q 6 ( 2 2 ) 该平衡方程是一个线性方程组，其方程的个数等于结构的自由度数，即结 1 0 中南大学工程硕士学位论文 第二章2 0 6 k p 型转向架定位臂改进结构研究 构的节点数乘以节点的自由度数。 再引入结构的约束信息，消除了结构总刚度矩阵瞰】的奇异性后，便可由该 线性方程组解出未知节点的位移 6 ) ； 4 、根据已知的节点位移，计算出各单元的应力。 5 、在整个计算过程中，其难点在于线性方程组的求解，这是因为对于一个 比较复杂的结构而言，其自由度数往往是成百上千，甚至上万，因此对计算机 内存的容量以及计算机的计算速度都有很高的要求，另外，要保证有限元解的 正确性，与建立合理的有限元模型和正确处理边界条件及约束都紧密相关。 2 1 1 有限元单元法的实现 有限单元法在实际运用中是离不开计算机模拟的，因为它要求对成百上千 个结点和单元进行计算和合成，最后还有求解一个线性代数方程组。这样的计 算量，没有计算机的帮助是无法完成的。 在计算机上用有限元单元法求解位移场问题的一般步骤是：对有限元模型 划分单元并编制结点号和单元号，确定边界条件以及结点坐标等有关数据； 根据前文中的公式做计算，并形成系数矩阵l k l 和右端向量 p ；最后求解 形如式( 2 - 3 ) 所示的线性代数方程组 网函) = 伽) ( 2 3 ) 式中： 系数矩阵k 】为疗刀的对称正定矩阵，n 为区域划分的结点数； 扫 为己知的右端列向量； 缸 为所要求解的由n 个结点位移组成的未知列向量。 由于k 】为对称正定阵，行列式医】 o ，方程( 2 3 ) 有唯一解。 有限元单元法的计算最终归结为求解一个大型线性代数方程组，在a n s y s 计算中，采用的逐次超松弛迭代法求解器。 中南大学工程硕士学位论文第二章2 0 6 k p 型转向架定位臂改进结构研究 2 1 2 应力计算结果的性质与处理 应用位移元进行有限元分析时，未知场函数是位移。从系统平衡方程解得 的是各个结点的位移值。而实际工程问题所需要的往往是应力的分布，特别是 最大应力的位置和数值。为此，要利用以下公式由已解得的结点位移来求出单 元内的应力。 占= b a ( 2 - 4 ) 仃= d 6 = 鼢( 2 5 ) 我们知道应变矩阵b 是插值函数n 对坐标进行求导后得到的矩阵。求导一 次，插值多项式的次数就降低一次。所以通过导数运算得到的应变和应力。 精度较位移l i 降低了，即利用以上两式得到的和。的解答可能具有较大的误 差。 应力解的误差表现于： ( 1 ) 单元内部不满足平衡方程； ( 2 )单元与单元的交界面上应力一般不连续； ( 3 )在力的边界上一般也不满足力的边界条件。 在有限元单元法中，只有当单元尺寸趋于零时，才能精确地满足平衡方程、 力的边界条件以及单元交界面上力的连续条件；当单元尺寸为一定限值时，这 些方程只能是近似的满足。因此如何从有限元位移解得到较好的应力解答，就 成为需要研究和解决的问题。 以上简要的介绍了利用有限元法求解应力场的有关理论，在采用有限 元分析软件a n s y s 进行分析时，这些有限元理论和求解的具体过程对用户来 说是不可见的，用户可以只关心求解的建模、加载、求解和后处理这些具体的 有限元分析步骤，而对软件内部的具体计算程序不必做过深的研究。 2 1 3 有限元软件a n s y s 简介 a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元 分析软件，该软件可在大多数计算机及操作系统上运行。 在进行分析之前可用交互式图形来验证模型的几何尺寸、材料及边界条件； 在分析完成之后计算结果的图形显示立即可用于分析检验。 中南大学工程硕士学位论文第二章2 0 6 k p 型转向架定位臂改进结构研究 a n s y s 程序使用统一的集中式数据库来存储所有模型数据及求解结果。 模型数据通过前处理器写入数据库；载荷和求解结果通过求解器写入数据库； 后处理结果通过后处理器写入数据库。数据一旦通过某一处理器写入数据库， 即可为其它处理器所用。 2 2 定位臂补强方案研究 转向架构架是铁道车辆最关键的部件之一，由于其受力复杂，精确分析其 在各种工况条件下的受力状态是进行构架设计和分析研究的基础。因此，首先 应将构架所受载荷类型、施加的方式分析清楚，才能使对构架进行分析时施加 的工况接近于实际情况，也才能准确地对构架强度进行评定。 2 0 6 k p 转向架大多装备在2 5 k 型提速车上。由于结构和制造工艺的限制， 其定位臂强度较弱，在列车运行中定位臂外侧多处出现裂纹。 如图2 1 所示，定位臂是焊接在转向架构架侧梁上的，因此对其进行补强 只能是在现有结构上进行。考虑到定位臂主要受横向力的作用，根据裂纹发生 部位，可推断该区域最大应力应出现在侧臂上部内侧面圆弧上。以下将采用有 限元分析以全面比较补强方案的效果并推断出定位臂上，下圆角过渡区出现裂 纹之处的最大应力水平。 图2 1 定位臂在转向架构架部位 在1 吨横向力下对原定位臂进行有限元应力分析，结果见图2 2 。 根据计算结果，考虑到实际工艺效果，本文提出2 种补强方案： 改进方案一：在定位臂外侧臂加两个立筋，以提高定位臂外侧臂的刚度； 1 3 中南大学_ t 程硕士学位论文 第一二章2 0 6 k p 型转向架定位臂改进结构研究 改进方案二：在定位臂内外侧臂加一横向连接筋，以增大定位臂外侧臂抗 变形能力。 对2 种补强方案进行有限元应力分析，结果见图2 - 3 和图2 4 。 由应力计算结果可见： 原定位臂上的最大应力发生在侧臂内侧面的圆角过渡区，其值 为1 0 2 5m p a ，而近该区域测点位置处的应力为4 0m p a 左右； 补强方案一最大应力出现在补强筋板端头焊接接头区域，其值 为7 1 2m p a ；侧臂内侧面的圆角过渡区的应力为5 7m p a ，比原结构降 低约5 0 ；侧臂圆角过渡区测点位置处的应力则为3 0m p a 左右。 补强方案二最大应力出现在外侧臂与筋板的圆角过渡区，其值 为4 0 6m p a ；比原结构降低约6 0 。 图2 21 吨横向力下原定位臂的应力分布云图 1 4 中南大学工程硕士学位论文第二章2 0 6 k p 型转向架定位臂改进结构研究 图2 31 吨横向力下定位臂补强方案的应力分布云图 1 5 中南大学工程硕士学位论文第二章2 0 6 k p 型转向架定位臂改进结构研究 图2 41 吨横向力下定位臂补强方案2 的应力分布云图 n s y s5 6 j u n1 3z 0 0 5 1 6 ：壬6 ：0 1 v ge l e 五z n ts o l s t e p = l s u b - 1 t 工e e l l s e q v c k v g ) t o p d l _ 1 1 9 4 7 1 s 肼- 2 s 9 1 3 3 s 五x = 4 0 5 9 2 2 5 9 1 3 3 l 一j 生7 4 1 l - j 9 2 2 2 l 1 1 3 。7 0 4 l 一1 8 1 8 5 u 2 2 6 6 6 l 一2 7 1 4 8 l _ j 3 1 6 2 9 l j3 6 1 1 1 啊哇o 5 9 2 由上述分析结果可知：原定位臂疲劳薄弱部位为侧臂内侧面的圆角过渡区， 补强方案一疲劳薄弱部位为补强筋板端头焊接接头区域，补强方案二疲劳薄弱 部位仍为侧臂内侧面的圆角过渡区。 考虑到补强方案二中，即在现有定位臂结构内部焊接加强筋板的方案在车 辆段等现场作业难以保证质量，因此，首先选用补强方案一。 1 6 中南大学工程硕士学位论文第二章2 0 6 k p 型转向架定位臂改进结构研究 2 3 本章小结 本章首先介绍了有限元方法分析结构强度的基本原理和方法； 其次，利用大型有限元软件a n s y s 对2 0 6 k p 型转向架构架定位臂原结构 进行了强度分析，发现了原结构的疲劳薄弱部位是在侧臂内侧面的圆角过渡区， 这与2 0 6 k p 型转向架构架定位臂在实际运用中出现的疲劳裂纹部位是一致的； 再次，针对定位臂结构特点，本文提出了2 种补强方案，通过有限元分析， 两种方案都可以有效降低原结构疲劳薄弱部位的应力。 1 7 中南大学工程硕士学位论文第三章2 0 6 k p 转向架定位臂补强工艺研究 第三章2 0 6 k p 转向架定位臂补强工艺研究 本章将在第二章有限元分析的基础上，针对2 0 6 k p 转向架构架定位臂的结 构特点，开展定位臂补强工艺的研究。由于补强方案是采用在原定位臂结构上 焊接加强筋板的方式，因此本章首先研究焊接过程容易产生缺陷的原理，其次 提出符合要求的焊接工艺。 3 1焊接结晶裂纹及其形成机理 结晶裂纹是热裂纹的一种，是在焊缝金属凝固过程中，低熔点共晶被排挤 在晶界形成液态薄膜( 如图3 1 所示) ，在焊缝金属结晶的过程中，由于收缩而 受到拉伸应力，这时焊缝中的液态薄膜就成了薄弱地带。在拉伸应力的作用下 就有可能在这个薄弱地带开裂而形成结晶裂纹。 ， 蔽态薄厦 图3 - 1结晶裂纹产生原理 焊缝结晶过程可分为液相、液一固相、固一液相和固相四个阶段，其 中前两个阶段由于液相仍可在固相之间流动补充，最后一个阶段结晶的固相形 成刚性整体，具有良好的强度和塑性，都不会产生裂纹，只有在固一液相阶段， 由于低熔点共晶形成的液态薄膜受到拉伸应力，在拉伸应力作用下就有形成结 晶裂纹倾向，该结晶温度区间称为脆性温度区间( 如图3 2 所示) 。 1 8 中南大学工程硕士学位论文 第三章2 0 6 k p 转向架定位臂补强工艺研究 p 囊 图3 - 2 结晶过程的脆性温度区 p l 一塑性y 一流动性t b _ 一脆性温度区 因此，晶界间的液膜存在时间越长，也就是材料的固一液相区间越宽，产 生结晶裂纹的倾向就越大。 影响结晶裂纹的因素，大致可归纳为三个方面；冶金因素、工艺因素与结 构因素。 ( 1 ) 冶金因素对产生结晶裂纹的影响 由前面的分析可知，结晶裂纹主要发生在结晶过程中的脆性温度区，合金 的脆性温度区大小随着该合金的整个结晶温度区间的增加而增加，图中t b 即 表示脆性温度区大小。 当合金元素进一步增加时，结晶裂纹倾向反而降低，一直到共晶点，整个 合金几乎在同一个温度下结晶，此时，结晶裂纹的倾向最小。合金元素是影响 裂纹倾向既复杂又本质的因素，它不仅影响脆性温度区的大小和金属的塑性， 同时也影响在脆性温度区内的变形增长率。 ( 2 ) 工艺因素对产生结晶裂纹的影响 1 9 中南大学工程硕士学位论文 第三章2 0 6 k p 转向架定位臂补强工艺研究 焊接速度：焊接速度增大，焊缝宽度减小，增大了焊缝深度与焊缝宽度 比( 即增大焊缝形状系数) ，使柱状晶成长方向转向内侧，不仅产生更强裂的中 心线偏析，而且在同一部位更集中地发生收缩变形，加大结晶裂纹倾向。 焊接线能量( q v ) ：适当增加焊接线能量，降低焊缝金属的冷却速度，从 而降低结晶裂纹的倾向。 焊根间隙：焊根留有间隙，焊缝受到的拉伸应力增加，易产生裂纹。 焊接顺序：尽量使大多数焊缝在较小刚度的条件下焊接，使各条焊缝都有 收缩的可能，减少裂纹倾向。 一 ( 3 ) 焊接结构因素对产生结晶裂纹的影响 焊缝应变是由焊缝金属在其结晶过程中受到接头较冷部分拘束所产 生的收缩引起的，在焊接移动热源下应力分布如图3 - 3 所示，随着结晶冷却， 由于收缩，焊缝金属逐渐从受压应力转为受拉应力作用的状态，因此，增加结 晶裂纹倾向。 图3 3 焊接时焊接接头金属的结晶与应力状态 拘束应力的影响：拘束应力与焊件的结构刚性有较大关系，刚性大，则焊 缝受到的拘束应力就大，因此就容易产生结晶裂纹。 中南大学工程硕士学位论文第三章2 0 6 k p 转向架定位臂补强工艺研究 3 2 焊接造成的缺陷 焊接裂纹可能在焊接过程中产生，也可能在焊后，甚至在放置一段时间以 后产生。焊接裂纹形成的主要原因有以下几种： 母材金属的碳含量或硫、磷含量过高时，其焊接性变差，容易产生裂纹。 焊条、焊剂等焊接材料中的合金元素和硫、磷含量越高时，产生裂纹的倾 向也就越大。 低温或有风的情况下焊接，致使焊缝冷却速度过快也容易产生裂纹。 焊接厚板或其结构的刚性大也容易产生裂纹。 焊接裂纹( 缺陷) 从不同角度有以下不同的分类方法： 3 2 1 热裂纹和冷裂纹 按形成裂纹的温度可分为热裂纹和冷裂纹。热裂纹一般产生在1 1 0 0 1 3 0 0 高温范围内的焊缝熔化金属内，由于焊缝凝固过程的拉应力和晶界上低熔点 共晶体的存在，导致焊缝上产生裂纹并沿晶界扩展，有的延伸至基体金属内。 热裂纹有纵向裂纹和横向裂纹，露出工件表面的热裂纹断口有氧化色。 冷裂纹一般产生在1 0 0 3 0 0 低温范围内的热影响区( 基体金属和熔合线 上) ，由于焊缝冷却过程的收缩应力，敏感的淬硬组织和由氢气造成的接头脆化， 导致在热影响区和弧炕上产生冷裂纹。冷裂纹可能在焊完马上产生，也可能在 焊完后数日、数月才开裂。大多数冷裂纹是纵向的，深浅不一，长短不等。露 出工件表面的冷裂纹断口未氧化，发亮。 3 2 2 焊缝裂纹、热影响区裂纹和熔合线裂纹 焊接裂纹的大小不一，长度由几毫米至数百毫米，深度较小者为几毫米， 而较大者可穿过整个焊缝厚度。根据裂纹产生的位置，焊接裂纹可分为三类： ( 1 ) 焊缝裂纹 焊缝裂纹是焊接裂纹中常见的一种，它产生在焊缝金属中。按其形态与取 向主要有三种，即纵向裂纹( 平行于焊缝方向) 、横向裂纹( 垂直于焊缝方向) 和树枝状裂纹( 或放射状裂纹) 。 2 1 中南大学工程硕士学位论文 第三章2 0 6 k p 转向架定位臂补强工艺研究 ( 2 ) 热影响区裂纹 它产生在母材的热影响区内。这类裂纹多数向母材方向扩展，而止于熔合 线，个别情况也有穿过焊缝的。 ( 3 )熔合线裂纹 熔合线裂纹产生在焊缝与母材的交界处即熔合线上。 当焊件被固定时，在焊后的冷却过程中由于收缩应力的关系而产生应力裂 纹。它可以是横向的或纵向的，有时可以延伸到热影响区。 在单道焊接时，所出现的应力裂纹通常是横向的，在多道焊接时，所出现 的应力裂纹通常是纵向的。 在开始焊接或停止焊接时，由于热源使用不当常可产生火口裂纹。此时检 查，要注意焊接开始的地方和焊接停止的地方。火口裂纹具有不同的形状和方 向，有星状裂纹、横向裂纹和纵向裂纹。 3 2 3 未焊透 熔化金属和基体金属间及焊缝层间的材质在焊接后没有熔合称为未焊透。 在探伤结果中，未焊透的磁痕较松散，多呈带状。 未焊透主要是由以下原因产生的： 电弧的电流和电压不足，而且焊接速度又过快；基体金属未充分加热就开 始焊接；焊工技术不熟练或工作粗心；因有锈蚀、熔渣和氧化皮等污垢，影响 基体金属边缘熔化；坡口开度过小，电弧达不到坡口底部等。 3 。2 。4 气孔 焊缝上的气孔是在焊接过程中，气体在熔化金属冷却之前来不及逸出而保 留下来的孔穴。 产生气孔的主要原因是：基体金属含气体过多或表面有油污、铁锈存在； 焊药或溶剂过于潮湿：焊接速度过快，熔化金属的快速冷却防碍气体逸出，以 及埋弧自动焊时没有溶剂保护；这些气孔有的单独出现，有的成群出现。 中南大学工程硕士学位论文第三章2 0 6 k p 转向架定位臂补强工艺研究 3 2 5 夹渣 夹渣通常是由于气割后没有将焊接边缘的氧化铁皮或其他不洁物去除干 净、点焊时熔渣没有充分清除以及多层焊接情况下，未将上一层的熔渣充分清 除等原因所造成的。 另外，夹渣也可能是由于熔化金属溶液中的某些化合物在其冷却和凝固过 程中沉淀于焊缝内，以及焊缝金属加入某些金属成分被氧化所致。 夹渣在焊缝内分布情况、尺寸、数量及其性质是各不相同的。夹渣的化学 成分决定于焊条涂料的成分，填充棒的质量，以及熔池内反应过程的温度条件 等。 点状夹渣常存在于金属焊缝中，位置不固定；长条夹渣和间断夹渣在焊缝 的层问或熔合线上、手工焊与自动焊交接处、多层焊的层与层之间。此种缺陷 往往与未熔合同时存在。 3 3 定位臂补强工艺研究 3 3 1 焊接试验 为解决好定位臂补强，尤其是在构架上批量改进如何保证质量的问题，保 证行车安全，本节重点研究在定位臂的外侧加焊加强筋的方案。为对今后制订 批量补强工艺提供经验，首先进行焊接试验。 焊接试验后，对补强前、后的定位臂尺寸变化进行比较，见表3 1 。设计 要求是焊后尺寸保证在1 8 2 , - - , 1 8 3 之间。 表3 1 补强前后定位臂尺寸变化比较 构架 2 4 - 一l - 22 4 - 2 2 2 4 - 一l l 2 4 - 2 l 编号 补强前补强后补强前 补强后补强前补强后 补强前补强后 l 位1 8 2 21 8 3 81 8 2 21 8 3 7 1 8 2 01 8 3 9 1 8 2 01 8 3 6 2 位1 8 2 01 8 3 51 8 2 11 8 3 8 1 8 2 0 1 8 3 71 8 2 11 8 3 6 3 位1 8 2 11 8 3 71 8 2 11 8 3 81 8 1 91 8 3 61 8 1 91 8 3 7 4 位1 8 2 11 8 3 81 8 2 01 8 3 61 8 2 21 8 3 91 8 2 1 1 8 3 8 中南大学工程硕士学位论文 第三章2 0 6 k p 转向架定位臂补强工艺研究 通过对以上数据的比较可以看出：补强前后的定位臂尺寸变化较大，所有 尺寸都超过设计要求。另外使用专用芯轴检测发现：定位臂的两个垂8 0 的孔不 同心，必须采取相应的措施进行调整。 由于受车辆段起吊等作业条件的限制，在对定位臂进行调修的过程中，要 分头进行，e p - 在进行同侧定位臂的调修时必须两侧分开进行，不能同时进行 火焰调整，这造成定位臂补强的生产效率很低。 3 3 2 定位臂补强焊接工艺和工装 为减少焊接变形，保证补强后的各部位尺寸，首先应对该部位的结构进行 详细地分析，通过反变形手段保证补强后的定位臂尺寸。其次，应通过制作相 应的工装，达到反变形的目的。最后，作为控制焊接变形的关键，对焊接参数、 焊接顺序必须予以控制。 3 3 2 1 工艺结构分析 2 0 6 k p 转向架的定位臂材质为z g 2 3 0 - - 4 5 0 ，其成分组成见表3 - 2 。 表3 - 2 定位臂材质各种元素含量百分比 材质c ( )s i ( )b i n ( )s ( )p ( )其他( ) z g 2 3 0 4 5 00 2 - - 0 3 0 2 - - 0 ，50 5 - 0 90 0 40 0 41 2 该定位臂为精铸件，并进行探伤检查。其结构为扇型结构，g - l $ , l 享1 2 0 2 ，结 构形状参见图3 - 4 。 中南大学工程硕士学位论文第三章2 0 6 k p 转向架定位臂补强工艺研究 图3 - 4 定位臂结构 补强板采用q 2 3 5 钢，厚度为1 6 r a m 。q 2 3 5 钢属于最常用的低碳结构钢， 其焊接性优良，成分组成见表3 3 。 表3 3加强筋材质各种元素含量百分比 材质及成分 c ( ) s i ( )( )s ( )p ( ) 1 6 - q 2 3 5 - a 0 1 4 田2 20 3 0 3 0 田6 5 0 0 50 0 4 5 对图3 - 4 所示的定位臂结构及焊接试验进行工艺分析可以看出： ( 1 ) 由于定位臂壁厚1 2 0 2 较薄，而补强板壁厚为1 6 ，且为7 x 4 5 。双面坡口， 焊接量很大；同时定位臂为张开式结构，焊后由于应力作用，定位臂极易向两 边张开，难以保证1 8 2 尺寸，另外定位臂上的两个0 8 0 孔的同轴度不能满足要 求。 ； ( 2 ) 另外由于现场旅焊时使用的是手弧焊焊接，其产生的变形量相对于气保 焊来说偏大，因此预防变形是主要的工作。 ( 3 ) 焊接试验中无相应的防变形措施及工艺控制手段，仅靠操作工人的习惯 中南大学工程硕士学位论文 第三章2 0 6 k p 转向架定位臂补强工艺研究 做法，因此极易造成尺寸超差。 另外，在车辆段现场迸行补强焊接操作时，现场的实际情况是： ( 1 ) 焊接设备：额定电流为3 0 0 a 交流弧焊机。 ( 2 ) 无相应的构架焊接转胎，即焊缝焊接存在立焊、仰焊等特殊焊接方式， 对焊接工人的操作水