（车辆工程专业论文）铝合金构架的可行性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文尝试采用铝合金材料来设计转向架构架。突破传统钢制构架箱形结构 形式，采用铸造铝合金和铝型材对构架各梁体分别成型，然后通过螺栓进行连 接。此项研究的主要目的是在于探索采用铝合金材料制造构架的可行性。 本文的研究主要内容包括以下几点： 1 参照传统构架的结构形式对铝合金构架进行外形尺寸设计，确定出构 架的具体成型方式一采用铸造铝合金和铝型材分别成型，然后进行螺栓连接。 通过有限元分析软件a n s y s 进行模拟建模，分析了型材的截面形状、外接圆 半径、壁厚等因素对结构v o nm i s e s 应力和应变的影响，以及铸件的结构形状、 外壁厚度和筋板厚度对结构v o nm i s e s 应力和应变的影响；根据型材梁和铸造粱 的结构形式确定出了连接板的结构形式。给出了铝合金构架的结构总图。 2 采用螺栓连接、铆接两种连接方式，对结构进行连接性能分析。分别 从最大v o nm i s c s 应力、最大剪应力和最大位移三方面进行比较，得出采用螺栓 连接的性能要好于铆接的结论。 3 针对螺栓预紧力的不同模拟方法和螺栓连接的模拟方法( 接触法、耦 合和约束方程法) 进行应力和计算机时的比较。确定了螺栓预紧力的最佳模拟 方法一等效力法，也得出了耦合和约束方程方法不仅能够很好的模拟螺栓连接， 而且所花机时相对较少。 4 完成整体构架的设计，对其力学性能进行静强度分析，与钢制参考构 架进行比较。得出结论：铝合金构架不仅满足静强度的要求，而且与参考构架 相比，实现减重2 0 ，达到了轻量化的目的。 通过对铝合金构架结构等方面的初步研究，对采用铝合金材料制造构架的 可行性进行了初步的探讨。 关键词：铝合金，构架，螺栓连接，铆接，静强度 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h i sp a p e ra t t e m p t st od e s i g nb o g i ef r a m ew h i c hu s e st h ea l u m i n u ma l l o y s oa s t ob r e a c ht h eb o xf o r ms t r u c t u r eo ft r a d i t i o ns t e e l i n e s sb o g i ef r a m e ，i tu s e st h ee a s t a l u m i n u ma l l o ya n da l u m i n u mp r o f i l et or e p l a c es t e e l sa n da d o p tt h em e t h o do fb o l t j o i n tt oa s s e m b l et h ew h o l es t r u c t u r e t h em a i no b j e c t i v eo ft h i sr e s e a r c hi st o e x p l o r et h ef e a s i b i l i t ya b o u tu s i n ga l u m i n u ma l l o ym a t e r i a lt om a k eb o g i ef r a m e t h em a i nc o n t e n t si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 t h ed i m e n s i o no fa l u m i n u ma l l o yb o g i ef r a m ew h i c h i sc o n t r a s tt ot h e s t r u c t u r eo ft r a d i t i o nb o g i ef r a m ed e s i g n , a n dc o n f i r mt h ec o n c r e t e l ym o l d i n g m o d e - - - u s et h ec a s ta l u m i n u ma l l o ya n da l u m i n u mp r o f i l ea n dt h e na d o p tt h e m e t h o do fm e c h a n i s mj o i n t e s t a b l i s h i n gt h em o d e lw h i c hu s c st h ef i n i t ee l e m e n t s o f t w a r e - - - - - a n s y s i ta n a l y z et h ee f f e c ta b o u tv o nm i s e ss t r e s sa n ds t r a i nw h i c hi s a b o u ta l u m i n u mp r o f i l ei nt h es e c t i o nf o r m 、t h ec i r c u m r a d i u s 、s e c t i o nt h i c k n e s sa n d w h i c hi sa b o u tt h ec a s t i n gi nt h es t r u c t u r ea n dt h es e c t i o nt h i c k n e s sa n dr i bt h i c k n e s s c o n f i r mt h es t r u c t u r eo ft h ec o n n e c tb o a r db a s eo na l u m i n u mp r o f i l eg i r d e ra n dt h e c a s t i n gg i r d e r , a n dg i v et h et o t a ls t r u c t u r ed i a g r a mo fa l u m i n u ma l l o yb o g i ef r a m e 2 u s i n gt h eb o l tj o i n ta n dr i v e tj o i n tt oa n a l y s i st h ec o n n e c tc a p a b i l i t ya b o u t s t r u c t u r e ，t h eb o l tj o i n ti sb e t t e rt h a nr i v e tj o i n ti nt h ec o n n e c tc a p a b i l i t yi nt h r e e a s p e c t s ：t h e m o s tv o nm i s e ss t r e s s 、t h em o s ts h e a r i n gs t r e n g t ha n dt h em o s t d i s p l a c e m e n t 3 m a k i n ga na n a l y s i sw h i c hu s et h ed i f f e r e n ts i m u l a t i o nm e t h o do f b o l tp r e l o a d i nt h es i m u l a t i o nd e f i n i t i o na n dc o s tt i m ei st oc o n f i r mt h eb e s ts i m u l a t i o nm e t h o d w h i c hi st h em e t h o do fe q u i v a l e n tf o r c e a n da i ma tt h es i m u l a t i o nm e t h o d ( c o n t a c t a n dc o u p l i n ga n dc o n s t r a i n te q u a t i o n ) o fb o l tj o i n tt om a k ea l la n a l y s i si nt h es t r e s s a n dt h ec o s tt i m e ，t h ec o u p l i n ga n dc o n s t r a i n te q u a t i o ni sn o to n l ys i m u l a t eb o l tj o i n t c o m m e n d a b l yb u ta l s os a v et h ec o s tt i m e 4 i ta c h i e v e st h ed e s i g no fw h o l eb o g i ef r a m e ；m a k e sas t a t i cs t r e n g t ha n a l y s i s ， a n dc o m p a r e sw i t hs t e e lf r a m e i tc a ne d u c et h ec o n c l u s i o n ：t h ea l u m i n u ma l l o y b o g i ef r a m em e e tt h er e q u e s to ft h es t a t i cs t r e s s t h em a s si sr e d u c e db y2 0 c o m p a r i n gw i t hs t e e lf r a m e i ta c h i e v e st h ea i mo fl i g h t w e i g h to fb o g i ef r a m e b yr e s e a r c h i n gt h es t r u c t u r eo ft h ea l u m i n u ma l l o yb o g i ef r a m e ，i tm a k e sa n i n i t i a l s t u d yt ot h ef e a s i b i l i t ya b o u tu s i n ga l u m i n u ma l l o ym a t e r i a lt om a k eb o g i e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 u 页 f r a m e k e yw o r d s ：a l u m i n u ma l l o y ，b o g i ef r a m e ，b o l tj o i n t ，r i v e tj o i n t ，s t a t i cs t r e n g t h 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密母使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：自豸鸯l指导老师签冬喀砂 醐锄幽_日秘舌，d 硼石，力桫 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 构架材料应用、结构设计创新。采用铝合金材料设计制造转向架构架； 参考“蓝箭 动力车转向架构架结构形式，根据铝合金材料的特性，对构架进 行总体结构设计，采用铸造铝合金和铝型材分别成型，然后进行机械连接而成。 确定出构架的基本结构形式、尺寸参数； ( 2 ) 分析方法的探讨。针对铝合金构架特有的结构形式，进行了连接方法、 预紧力模拟方法和连接模拟方法三方面的探讨，最后得出了最适合铝合金构架 的分析方法：整体构架的连接采用螺栓连接方式；采用耦合和约束方程技术对 螺栓连接进行模拟；采用等效力法对螺栓预紧力进行模拟。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章：绪论 为了适应社会经济发展的需要，西方发达国家从2 0 世纪6 0 、7 0 年代起相 继大力发展高速铁路，并研制出了多种模式的高速列车，其中比较有代表性的 有：德国的i c e 列车、法国的t g v 列车、英国的a p t 列车及日本的新干线高 速列车等。近四十年的运营证明，上述高速铁路带来了巨大的经济效益和社会 效益，缩短了地区与地区间的运营时间，充分发挥了铁路的运营潜力，大幅度 提高了铁路同公路运输、航空运输及水路运输等运输方式的竞争力，为铁路运 输业提供了全新的发展平台，推动了铁路运输业的飞速发展。与此同时，高速 铁路的发展也成为推动铁路科技事业发展的强大动力，引发了多项革命性突破， 形成了铁路运输业和铁路科技事业相互促进的良好态势。因此，高速铁路既是 世界各国铁路未来发展的潮流和必然趋势，也是铁路事业的主要研究课题和发 展方向。 随着我国改革的深入，我国的国民经济将得到飞速发展，综合国力空前提 高，经济的发展必然对传统的铁路运输提出新的、更高的要求：即更快的运输 速度、更大的运输能力、更高的安全性和可靠性，而这些恰恰是传统的铁路运 输所无法满足的。由此可见，高速铁路在未来一个时期内也将在我国取得较大 的发展。 铁路的高速化势必要机车车辆的轻型化。在现今的高速机车车辆中，铝合 金车体已经得到了广泛的应用，铝合金材料车体已经相当普遍，进一步减轻轴 重，铝合金的转向架构件也在不断地开发之中，比如轴箱、齿轮箱、弹簧支座、 制动盘等已经得到了很好的应用。为进一步实现机车车辆的轻量化，进行铝合 金材料转向架构架的研究有着深远的意义 1 2 铝合金在机车转向架上的应用 铁路事业发展的大方向就是高速、重载，而机车车辆的轻量化则是实现两 者的必要条件。对于机车车辆轻量化来说，仅仅考虑车体的轻量化是远远不够 的。目前适宜用铝合金制造并取得一定进展的转向架部件包括转向架轴箱、齿 轮箱、弹簧支座等。其他如铝基复合材料制动盘、铝合金轮心复合车轮、电磁 制动中的部件、磁悬浮车辆超导线圈液氮冷冻器等等，都有发展前剥1 1 。 铁道车辆正在向着高速化发展，为达到转向架轻量化的目的，簧下质量就是 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 一个很值得关注的课题。簧下质量包括转向架轴弹簧以下的车轮、车轴、轴箱、 齿轮装置、盘形制动装置等。由于这部分的轻量化能减轻对轨道、桥梁等地上 结构物的影响，从而达到降低轨道的养护费用的目的。对进一步减轻振动、降低 噪声、提高乘坐舒适度等也会产生良好效果。作为减轻簧下质量的方法之一，是 进一步使制动盘轻量化，但由于热负荷随着车辆高速化而增大，要减小现有铁系 材料制动盘的质量是很困难的【引。德国i c e 动车组采用铝合金材料制作成制动 盘，其与常规的灰口铸铁制动盘( 用于速度至2 0 0 k i n h ) 和球墨铸铁制动盘( 用 于较高的速度) 相比重量减轻5 0 ，每个制动盘重5 0 k g 。显然，i c e 动车组中 拖车的1 6 个制动盘可减轻重量8 0 0 k g 。而对整车而言，可以节省很大能量，同 时，轻型结构的i c e 动车组在高速时可减轻负荷以及减少钢制走行部的磨损【3 1 。 而为了实现齿轮轴箱的轻量化，亦要采用铝合金材料。铝合金由于其密度 小、比强度高、耐腐蚀性好，在汽车、火车、船舶及航空航天等工业领域都得 到了广泛的应用。高速列车齿轮箱体采用铝合金制造可减少列车簧下质量，减 少列车对钢轨的磨耗，提高列车的运行品质。戚墅堰机车车辆工艺研究所自1 9 9 6 年开始进行高强度铝合金齿轮箱体的研究，先后试制了万向轴式高速动力车齿 轮箱体、2 0 0 k m h 动车组动车齿轮箱体、提速机车齿轮箱体、轮对空心轴式高 速动力车齿轮箱体、“蓝箭”高速动力车齿轮箱体、2 0 0 1 年开始研制“中华之星” 动力车齿轮箱f 4 j 。现在一些发达国家( 如日本、法国和德国等) 己先后在高速 列车上采用铸造高强度铝合金齿轮箱体。如德国1 2 0 系列机车上采用的高强度 础c u 合金轴箱，可使每台车减少约6 9 0 k g ；i c e 动力机车采用铝合金轴箱后， 每节车的簧下质量可比球墨铸铁轴箱减轻6 4 0 k g 。 机车车辆采用铝合金材料主要是用来生产车体、制动盘、轴箱等部件，而 铝合金构架并没有成型的方案，还处在初步研究阶段。 1 3 选题背景与意义 为适应我国铁路“十一五”发展的需要，提高铁路事业技术水平，缩短同世 界先进水平的差距，对高速铁路的研究有着深远的意义。 转向架的重量主要取决于牵引电机、轮对、构架和制动系统。而现今已可 以铝合金材料制造的构件有：轴箱、齿轮箱、弹簧支座、制动盘等。在转向架 各部件减重的前提下，为进一步降低轴重，减轻转向架构架重量是很有必要的， 尝试开发铝合金材料构架有一定的现实意义。 1 4 本论文的主要工作 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 对高速机车转向架构架进行基本结构设计，然后进行有限元计算并对其进 行强度评定，具体有： 1 参照传统构架的结构形式对铝合金构架进行外形尺寸设计，确定出构 架的具体成型方式一采用铸造铝合金和铝型材分别成型，然后进行螺栓连接。 通过有限元分析软件a n s y s 进行模拟建模，分析了型材的截面形状、外接圆 半径、壁厚等因素对结构v o nm i s e s 应力和应变的影响，以及铸件的结构形状、 外壁厚度和筋板厚度对结构v o nm i s e s 应力和应变的影响；根据型材梁和铸造梁 的结构形式确定出了连接板的结构形式，给出了铝合金构架的结构总图。 2 采用螺栓连接、铆接两种连接方式，对结构进行连接性能分析。分别 从最大v o nm i s e s 应力、最大剪应力和最大位移三方面进行比较，确定出采用螺 栓连接的性能要好于铆接。 3 针对螺栓预紧力的不同模拟方法，进行模拟精确度和所花机时的分析。 确定了螺栓预紧力的最佳模拟方法一等效力法。 4 对螺栓连接的模拟方法( 接触法、耦合和约束方程法) 进行应力和计 算机时的比较。确定了耦合和约束方程方法不仅能够很好的模拟螺栓连接，而 且所花机时相对较少。 5 完成整体构架的设计，对其力学性能进行静强度分析，与钢制参考构 架进行比较。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章铝合金的特点 铝是地壳中分布最广泛的元素之一，其平均含量为8 8 ，仅次于氧和硅而 居第三位，就金属元素而言，铝则居第一位。铝在自然界中多以氧化物、氢氧 化物和含氧的铝硅酸盐存在，极少发现铝的自然金属。 铝合金新材料的发展是全世界铝产量和应用量大幅度增加的关键。2 0 世纪 初时效硬化的发现突破了铝合金新材料发展的技术瓶颈，使铝合金材料的发展 和应用较长时间处于高速增长期。材料分析技术和材料加工技术的发展又进一 步完善和优化了铝合金系列和铝合金成分，铝基复合材料的出现和发展又为铝 基材料性能潜力的发挥提供了新的途径。 2 1 铝合金材料的优越性 铝在地球上储量非常丰富，在有色金属中居于第一位。纯铝f 纯度9 9 9 9 9 ) 在退火状态下抗拉强度仅为4 5 m p a , 延伸率为6 0 。但是，铝材通过冷变形、合 金化和热处理，其强度就会得到显著地提高，抗拉强度可以达到5 0 0 m p a , 相当于 合金钢的强度。 将铝合金作为机车车辆的主导材料具有以下优点【5 】： ( 1 ) 车辆自重大大减轻。在强度、刚度满足安全要求的同时，使用铝合 金可大大减轻机车车辆本身的重量，一般来说铝合金车辆比钢质车辆轻3 0 左 右。 ( 2 ) 运行性能好，节省牵引能耗。由于机车重量减轻，可提高机车加速 性能、改善机车动力性能、密封性能提高，同时降低噪音，提高了乘车舒适性。 ( 3 ) 费用降低。由于铝合金材料具有良好的耐腐蚀性，在空气中铝合金 表面会形成一层致密的2 0 3 保护膜，不需涂装，且使用寿命长，机车维护费 用、运营费降低。 ( 4 ) 便于制造。随着通长、大型复杂断面中空型材的开发，以及焊接技 术的进步，铝合金车辆制造技术日趋成熟： 随着机车车辆的高速化，对铝合金提出了相应要求，如：材料强度、疲劳 性能、抗裂纹能力、良好的表面处理能力和抗腐蚀能力、撞击时不会产生火花、 有很好的吸收冲击能力和吸音功能等，同时，还要求有良好的连接性能，包括 焊接、机械连接等。目前适合机车车辆用的铝合金主要有a 1 m g s i ( 6 0 0 0 系列) 及a i m g z n ( 7 0 0 0 系列) 两大系列。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 2 铝合金的种类、成分和牌号 2 2 1 纯铝的基本特性 铝是元素周期表中第三周期主族元素，具有面心立方点阵，无同素异构转 变。率的密度为2 7 2 9 c m 3 ，约为铁的1 3 ，故铝基合金的密度都很小，一般在 2 5 2 8 8g c m 3 之间，但比强度高，可与合金钢相比。 铝在大气中具有优良的抗腐蚀性。因为铝和氧的亲和力很大，在室温下即 能与空气中的氧化合，表面生成一层薄而致密并与基体金属牢固结合的氧化膜， 阻止氧向金属内部扩散而起到保护作用。铝的这一特性给铝及其合金的生产工 艺带来方便，即在熔炼与铸造、锻造与热处理过程中，无须采用特殊的防氧化 措施。但在碱和盐的水溶液中，铝的氧化膜很快被破坏，抗蚀性不好。此外， 铝的氧化膜在热的稀硝酸、稀硫酸中也极易溶解。 铝及其合金也易进行阳极氧化处理，表面形成一层坚固的、各种色彩的、 美观的保护膜，可起到装饰与保护作用。大部分铝合金可热处理强化，提高其 强度和硬度等力学性能，可满足不同用途的需要。 2 2 2 铝合金的分类 纯铝的性能在大多数场合不能满足使用要求，为此，人们在纯铝中添加各种 合金元素，以生产出满足各种性能和用途的铝合金1 5 j 。 r 纯铝i x x x 系，如1 0 0 0 合金 厂非热处理型合剑a 1 m r , 系台金3 x x x 系，如3 0 0 4 台金 i l a 1 s i 系合金- 4 x x x 系，如4 0 4 3 台金 厂加工材f a i m g 系合金5 x x x 系，如5 0 8 3 合金 i lla i - c u 系台金2 x x x 系。如2 0 2 4 合金 l热处理型合金a 1 m g s i 系合金6 x x x 系，如6 0 6 3 合金 lla 1 z n m g c u 系合金7 x x x 系如7 0 7 5 合金 铝及铝台金 瑚0 5 5 1 0 1 26 l o 1 2 4 36 b 5 0 0 x5 0 0l b 2 5 1 5 2 0 5 7 7 0 x 7 0 542 33 金晨型 7 0 7 0 1 5 0 1 5 0 5 4 2 54 5 1 5 0 x1 5 0l o656 e 注：1 一般铸造条件下，各种灰铸铁的最小允许壁厚： h t l 0 - 2 6 ，h t l 5 3 3 ：d = 6 - - - 8h 1 2 5 - 4 7 ：d _ 8 1 5 h r 3 0 5 4 ， r r 3 5 - 6 1 ：d - 1 5 r 加巧8 ：d _ 2 0 2 如果特殊需要，在改善铸造条件下，灰铸铁最小壁厚可达3 m m 。 表2 _ 4 铸件外壁、内壁与筋的厚度姗 零件质量k g零件最大外形尺寸外壁厚度 内壁厚度筋的厚度零件举例 53 0 0765 盖杠杆端盖 6 1 05 b 7s 盖、支架箱体 l l 6 0 7 5 0 1 0 86 支架，托架，门 6 1 l 1 2 5 0 1 2 1 08箱体，油缸体 l o l 5 1 7 0 0 1 41 28 壁、皮带轮 5 0 1 8 0 02 5 0 01 6 1 4 1 0床身轮缘盖 8 0 1 一1 2 0 0 3 0 l b 1 6 1 2 油盘床身、滑座 铝合金的铸造方式很多，可以根据不同的设计要求生产出不同结构的铝合 金零件，在铸造过程中，铝合金的最小壁厚要求见表2 3 ，铸造铝合金零件的外 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 壁、内壁与筋的厚度要求见表2 - 4 1 0 j 。 2 6 变形铝合金的设计规范 2 6 1 型材分类 型材按其复杂性分为实心、空心和半空心型材。每一种空心型材( 型材的 横截面的任一部分完全封闭一个通孔) 可按复杂性的增加程度进一步划分如下： 第1 级：带有一个直径为2 5 m m ( 1 i n ) 的圆孔的空心型材，它的重量均匀 地分布于两个或多个相等间距的轴的对立面上； 第2 级：第1 级以外的任何型材，不超过一个直径为1 2 5 m m ( 5 i n ) 的圆周 及一个不小于9 5 m m ( 0 3 7 5 i n ) 的直径或7 0 m m z ( 0 1 l i n 2 ) 面积的圆孔： 第3 级：第1 级和第2 级以外的任何空心型材【1 1 j 。 2 6 2 型材可挤压性 挤压常用铝合金有1 1 0 0 、1 2 0 0 、2 0 1 4 、2 0 1 7 、2 0 2 4 、3 0 0 3 、3 2 0 3 、4 0 3 2 、 5 0 5 2 、5 4 5 4 、5 0 8 3 、6 0 6 1 、6 0 8 2 、6 n 0 1 、6 0 0 5 、6 0 6 3 、7 0 0 3 、7 0 0 5 、7 n 0 1 、7 0 7 5 等，图2 8 给出了铝型材挤压难易程度排列表。 对于铝型材来说，最重要的无非就是确定截面形状，而铝合金挤压制品的 截面尺寸主要是根据用户的要求而确定的。常规挤压条件下6 0 6 3 铝合金型材的 较为合理的挤压尺寸范围如图2 9 所示，图中各曲线表示其最小挤压壁厚尺寸。 这里所说的最小可挤压壁厚，是指在一定情况下综合考虑合金的可挤压性、挤 压生产效率、模具寿命以及生产成本等诸多因素而言的。不同的合金其最小可 挤压壁厚不同，表2 5 为各种合金的最小壁厚系数。将表2 5 中的最小壁厚系数 乘以6 0 6 3 的最小壁厚即为各种合计的最小可挤压壁厚。最小可挤压壁厚还与制 品的断面形状以及对表面质量( 粗糙度等) 的要求有关。所以由图2 9 及表2 - 5 所确定的最小挤压壁厚只不过是常规挤压条件下的一个大概值。实际上，采用 一些新的挤压技术，或者为了一些特殊的需要，可以成形壁厚尺寸更小的制品。 例如，采用硬质合金模具，一些特殊的薄壁精密型材的成型也是可能的。表2 - 6 列出了美国铝挤压件的标准制造尺寸极限。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 期。鲫m 麦霉 零”移拽妻留示嗣壹韩肜被毒碍 ，碉 鸯棚 a一筝新匿静毒| 一 l l警豺 口口o b捧彩断面豺 - i l 俺空心塑树 1 2c - 凸o 口 c坏_ = 皇军村 lu 工上_ l j童覃h = 七幻鼍榜7 上z z 工z 匹 d舞单实心型树 t t ，工 k 多f l 宅心壁 磊曾8 伊 e卓空基卑t 口仃日pl 舞姥片空t 1 壹l l 令奄令译 f薷譬謦毒| r 几一一 m内胥片空心删材 oo o 6舌比天的垄辩e - 丑t r 刁nn 几 n 天挖窄f 蹙树 且 e 登 ： 矧 图2 - 8 铝型材挤压难易程度排列表 翌材外接嘲寅侥，咖l 图2 - 96 0 6 3 铝合金型材的挤压生产范围( 各曲线表示其最小壁厚) 表2 - 5 铝型材的最小壁厚系数 系敦 合垒 变心塑材空心囊枋分瀣蠖簧韦| 1 0 5 0 、i1 0 0 、1 2 0 9 o 9 0 9 6 0 6 3 正1 0 li 0i o1 o 6 n o i ，( 蚰0 5 a1 oi oi 2 ，3 3 2 0 31 2i 2o 9 6 0 6 1 ( 3 0 8 2l ，41 41 5 0 5 2 、5 4 5 4i 6 5 0 8 6 、7 瑚i ls 净詈鬈篡 2 0 1 4 、2 0 17 、2 0 2 4 2 o 5 i 弱、5 0 8 3 7 0 7 52 0 注：由图3 1 - 3 求得6 0 6 3 的最小聱厚后乘以上述系数， 即得各种台金型树或分浇投管材的最小壁_ 同【。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 一一 表2 - 6 美国铝挤压件的标准制造尺寸极限值 不同合金的最小壁厚m n 外接霸直径衄2 0 2 4 、2 2 1 9 5 0 盯、7 0 0 1 、 1 0 的、1 1 j 叩雪 6 嘶，俩i 1 4 、s 晰5 义 7 0 7 5 , 7 0 7 9 , 7 1 7 8 3 2 - 7 6i ，2 51 2 s】 6 i z 4 0 i 2 5i l 一1 2 5z 7 7l l 。3 & 3 5 1 2 ，一i 弼 3 1 71 2 4 7 87 1 4 l - i 舶3 ：三4 05 5 6 7 9 2 l 一2 4 7 暑24 03 1 76 3 s9 5 2 抛一2 3 05 强3 1 73 1 7 7 1 41 1 1 2 2 3 0 一瑚毛3 53 4 7 87 兜1 2 7 4 2 5 0 - 3 2 57 9 2 4 码5 如 9 5 21 2 7 4 3 巧3 5 59 5 25 铂6 3 51 1 1 2 1 2 7 4 3 5 5 - 4 1 1 1 2& 弱9 兕 1 21 2 7 4 4 0 5 5 1 5j 2 7 49 5 21 1 1 2l z7 41 5 蛆 1 25 - 西 1 i 为 l 。6 2 2 5 i 1 4 0i 一7 ；6z 1 z 7 6 一l z 4 0 2 z 4 0 i 一1 2 5乙7 7 z 加z 7 7 1 2 5 一l 蔓1 7二7 73 1 7 1 5 0 - l 加 3 3 1 7 3 的 i 孙一狮4 7 s 3 t 7 暑 2 一为o 6 3 5 4 7 86 3 5 6 ) 为所有合金的最小孔的尺寸：面积为7 i 一鲠直径为9 咒一， 型材的最大可成形断面外形尺寸主要取决于挤压设备的能力。一般情况下， 硬铝合金实心型材的外接圆直径的上限为3 0 0 m m ，其余合金与6 0 6 3 ( 3 5 0 r a m ) 大致相同。采用超大型设备，可以生产外接圆直径在3 5 0 - 2 5 0 0 m m 以上的大断 面型材【1 0 1 。 2 7 本章小结 铝合金材料是实现轻量化的最优化材料之一。对于机车转向架构粟桌说， 采用高强度铝合金来制造构架，可以在很大程度上实现轻量化。本章主要是从 铝合金的种类、成分和牌号，铸造铝合金的特点，挤压型材铝合金的特点，铝 合金的物理力学性能，铝合金材料s e 规律的特征以及铝合金的设计准则等方面 具体介绍了铝合金材料。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 第3 章铝合金的连接技术 3 1 焊接连接 3 1 1 常用焊接方法 目前常用于铝合金结构的焊接形式有两种：钨极惰性气体保护焊( t i g ) ，分 为手工、半自动和自动焊三种：金属惰性气体保护焊( m 1 6 ) ，分为手工和自动焊 两种。非常薄的板件进行连接时，也可以采用电弧焊进行点焊，此时板件厚度在 0 2 - 5 m m 之间。两种焊接方式如图3 - 1 所示： 锌麓盒 譬翻推 的烨豢 i i um l u 图3 - 1 铝合金焊接方法示意图 在铝合金连接时，需要注意的是：并不是所有的合金都可以进行焊接；也 并不是任意两种可焊的合金都可以焊在一起；而且两种合金焊接时，焊缝金属 也要根据母材的种类进行选择。欧洲e c c s 委员会制定的欧洲规范9 ( e c 9 ) 、英 国的铝合金结构规范( b s 8 1 1 8 ) 和美国铝业协会规范都规定了焊接铝合金的母材 搭配原则和焊缝材料选取原则。 即使是规范中已经认可的焊接方法，也应该进行试焊，试焊需要检验三个 方面的内容：焊接是否存在外在或内在的缺陷；垂直于焊缝方向受力时焊缝的 强度不小于规范规定的值；垂直焊缝方向受力时焊缝的变形性能应该是良好的。 3 1 2 焊缝的强度设计 e c 9 和b s 8 1 1 8 的设计方法基本相同。 对接焊缝：正+ 细2 墨l ( 3 1 ) 其中， q 为垂直于焊缝的正应力；f 为剪应力；无为焊缝金属的设计强 度； ，为安全系数。 角焊缝：= 乏干瓣s0 8 5 f r 。 ( 3 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 式中，吼为垂直于计算面的正应力；吒为计算面内垂直于焊接轴线的剪应 力；f 为计算面内平行于焊接轴线的剪应力。角焊缝的计算简图见图3 - 2 所示： 图3 - 2 角焊缝计算简图 其中厂- ，的值通过试验确定，对于不同等级的焊缝其取值也有差别，焊缝等 级越高，厂- ，的值越大。计算焊缝中的应力时还应注意焊缝有效长度的选取，这 方面的内容在规范中都有详尽的描述【l 弭。 两个规范在计算焊接强度时的区别是) ，。的取值不同，e c 9 规定) ，= 1 2 5 ， b s 8 1 1 8 规定7 ，。= 1 3 0 ；另外对焊缝金属的设计强度凡的规定也有所不同。 需要说明的是，q 在两个规范中都没进行考虑，因为一些实验已经证明在 钢结构中q 对焊接强度的影响很小。但在铝合金结构中是否如此还需慎重考虑。 3 2 机械连接 铝合金的机械连接主要包括铆钉连接和螺栓连接。美国铝业协会规范中还 提到了一种特殊的连接方式一螺丝连接。用于制造铆钉、螺栓和螺丝材料可以 是铝合金、不锈钢和普通钢。如果采用普通钢材，铆钉、螺栓或螺丝的表面应 该镀锌。 3 2 1 铆钉连接 铆钉连接在钢结构中虽然已经很少使用，但是在铝合金等轻金属结构中仍大 量使用。铆钉的形式多种多样：铆钉头根据用途加工成型，包括圆形、椭圆形、 锥形、埋头形等；铆钉杆又包括实心和空心两种。常见铆钉形式如图3 3 所示。 图3 3 常见铆钉形式图3 4 铆钉连接的破坏形式 蓦 可日可酉口曰岔亘 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 铆钉在使用中有冷墩和热墩两种方法。若使用热墩，铆钉冷却之后会对板 件产生预紧力，但是这个预紧力很小且不能确定大小，设计中不考虑。铆钉连 接本质上是通过剪切抵抗外力，而且只能是承压型的受力形式。如果外荷载对 节点有较大的拉力，采用铆钉连接就是不合理的。铆钉连接的破坏形式就是节 点剪切的破坏形式，如图3 4 所示。 3 2 2 螺栓连接 铝合金结构中的螺栓连接与钢结构中基本相同，分为普通螺栓连接和高强 螺栓连接。与铆钉连接不同，螺栓连接可以同时承受拉力和剪力。于是其破坏 模式除了图六中的剪切破坏，还应包括受拉破坏模式。如图3 5 所示： 点 髟珍缎钐黝黝 图3 - 5 螺栓连接受拉破坏形式图3 _ 6 t 型节点中螺栓受到翘力的作用 在某些节点类型中，螺栓还可能受到节点变形产生的附加力的作用，如图 3 - 6 所示，t 型节点中螺栓就受到了附加弯矩作用，这种工况在各国的规范中都 有规定。 3 2 3 螺丝连接 这种连接的设计方法只在美国铝业协会规范中有所规定。使用螺丝连接的 时候，在一块板上开光滑圆孔，另一块板上开有罗纹的圆孔，直接用螺丝将两 块板相连，不使用螺母。这种连接一般都有一块板比较薄。 螺丝连接的破坏模式主要有图3 7 所示三种。 螺丝连接的设计方法与铆钉及螺栓连接差异较大，但主要考虑的仍是抗拉 和抗剪。 、箕鬻一融 图3 7 螺丝连接的破坏形式 3 2 4 铆钉连接和螺栓连接的强度设计 下面介绍e c 9 和b s 8 1 8 中关于铆钉连接和普通螺栓连接的设计方法。 ( 1 ) 铆钉、螺栓抗剪： ；口，无6 彳k ( 3 - 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 其中，q 为系数，不同材料的铆钉或螺栓采用不同的值，螺栓等级不同其 取值也有差别：厶为铆钉或螺栓的抗拉强度；为安全系数；a 在铆钉连接中 取孔面积，在螺栓连接中取螺栓的有效面积。 ( 2 ) 板件承压能力： b u 一口2 0 1 3 f 。d t 9 , ( 3 - 4 ) 其中，和为系数，口，与板中孔距、孔与板边缘距离及铆钉或螺栓强度 与板件强度比值有关；为板件强度；d 在铆钉连接中为孔径，在螺栓连接中 为螺栓直径；t 为板厚。 ( 3 ) 螺栓抗拉： 一口4 f 曲a r 。 其中，口。为系数，与螺栓的材料有关；a 为螺栓有效面积。 以上设计公式的系数取值在e c 9 与b s 8 1 1 8 中有所不同。 ( 4 ) 当螺栓受到拉、剪组合作用时： e c 9 - f | f 隧+ v 1 4 y 隧1 0 ( 3 5 ) ( 3 6 ) b s 8 1 1 8 ：仃) 2 + ) 2 墨1 0 ( 3 - 7 ) 当使用高强螺栓连接时，设计方法与钢结构的设计方法相似。 ( 5 ) 高强螺栓连接抗剪能力： p 0 - 门f ： ( 3 - 8 ) 其中：万为接触面个数；为摩擦系数，取值应该根据实验得到，它和表 面处理方式及板厚有关，若没有条件进行实验，规范中也给出了一些参考值：c 为预紧力；y 。为安全系数，分为正常使用状态和极限状态两种取值。 ( 6 ) 高强螺栓预紧力的计算： 叫器躐鬻 9 ， 其中：厶为螺栓的抗拉强度，a 为螺栓有效面积。 当高强螺栓连接受到拉、剪组合作用时： = ，l 卢( c - a f ) r ， ( 3 - 1 0 ) 其中：口为系数，e c 9 中取o 1 8 ，b s 8 1 1 8 中取o 1 9 ；f 为高强螺栓上的外 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 加拉力1 1 2 l 【1 3 1 。 3 3 粘接 铝合金粘接一般用在汽车工业和航天工业中。粘接不能用于主要受力构件 的连接，只能用来连接次要构件。粘接加工过程比较复杂，要求也非常严格。 在粘接之前要对构件表面进行机械和化学处理，以确保粘接连接的承载性能。 粘接连接无法通过一般的方法检查缺陷，只能在加工过程中严格要求。粘接所 用的胶在低温下容易冷脆，在高温下会软化，工作范围非常有限。目前粘接连 接的最大问题就是节点的长期力学性能难以保证，由于胶体本身的老化，粘接 连接的长期受力性能比短期性能差很多。 粘接连接同时也有很大的潜力可以开发，从目前的研究看来，粘接连接的 静载承载力、连接刚度和抗疲劳性能都非常好，若能解决其长期承载性能，粘 接连接会有很大的发展。 粘接连接只能抗剪，e c 9 给出的设计公式： fsl k( 3 1 1 ) 其中，l 为粘接连接的标准强度；k = 3 0 为安全系数【1 2 l 。 3 4 本章小结 本章主要是对铝合金的连接技术和强度设计方法进行了研究。 对于铝合金的连接来说，它包括焊接连接、机械连接( 螺栓连接、铆接) 和粘接。本章中介绍了各连接方式的适用范围、强度设计和破坏形式。可知焊 接只适合与那些可焊性铝合金，但其焊缝处的力学性能很不稳定；粘接只适用 于受理比较小的构件中。而在大部分的铝合金连接中，机械连接的应用很广泛。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 第4 章：铝合金构架整体结构设计 4 1 结构初步设计 用铝合金材料代替钢材来制造构架最重要的一点就是要在强度和刚度上满 足要求。由于以前并没有采用铝合金材料制造转向架构架的先例，根据传统钢 质构架的结构( 大多由双侧梁、端梁或是加装横梁组成) ，选择比较简单的构 架形式一框形构架。根据国内外对构架的分析可知，框形构架( 即“口 字形 结构) 是一种柔性构架【1 4 】，它在满足结构强度要求的基础上还具有较大的抗弯 刚度。采用“口字形结构，不仅能够满足转向架的各种功能，而且结构简单， 根据铝合金材料的特点便于结构成型1 5 】【1 6 l 【1 7 1 。 4 1 1 载荷 在结构设计时，首先要考虑结构的受力情况，然后根据具体的受力位置进 行结构的设计。 在转向架构架静强度计算分析中，计算载荷和载荷工况按 ( 送审稿2 ，9 5 j 0 1 l ) 中的“高速试验列车动力车强度及动力学规 范”规定的计算载荷和载荷工况实施。只考虑垂向和横向载荷，框形构架( 即 “口”字形结构) 所受载荷如下： ( 1 ) 垂向载荷 1， 构架一侧垂向静载荷：兄- 。+ 4 丢m d 一加6 涫 ( 4 - 1 ) 端梁垂向静载荷： 凡一扣g ( 2 ) 最大可能横向载荷 c l 2 ( 1 。+ 吾g ) 式中： ( 4 2 ) ( 4 3 ) f k 一侧梁一侧垂向静载荷( k n )f h z 一端梁一侧垂向静载荷( k n ) 陆“一最大可能横向载荷( k m 。一动力车总质量( t )m b - - 转向架质量( t ) m d 一驱动制动单元质量( t ) p u 一静轴重( t ) 已知参数： m c = 7 8 t ， m b = 1 4 5 tm d = 4 0 tp u = 1 9 5 t 经计算得到： f t z = 1 4 6 3 3 k nf h 2 = 1 3 0 8 k n f y m 缸= 1 4 7 5 3 k n 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 根据以上基本载荷对构架的计算工况进行组合，忽略纵向力的作用，对构 架进行静载工况和极限承载工况下分析，所处工况构架所受载荷如表4 - 1 所示。 表4 - 1 构架计算工况表 载荷作用于侧梁上的垂向载荷横向作用于端梁上的垂向载荷 工况左侧梁右侧梁载荷前端粱后端梁 静载 f k f v o 民k 极限( 1 + a + 8 ) r ( 1 + a + b ) & f v m “kk 承载 表中：a - - o 1 ，b = o 2 本