（机械工程专业论文）铁路货车交叉支撑转向架交叉支撑装置疲劳寿命研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着铁路又好又快发展战略的实施，我国铁路已经进行了第六次大提速， 主要铁路干线提速区段的最高运行速度己达1 6 0 k m h 以上，今后我国铁路旅客运输还将 进一步全面提速。由于我国铁路网基本上是客车、货车共线运输的铁路网，随着客运速 度的提高，要求货运速度相应提高，因此第六次大提速时，对铁路货车也进行了首次提 速。 转k 2 型、转k 6 型交叉支撑转向架是由齐车公司研发制造的，是铁路货车主型提速 转向架之一，最高商业运行速度可达1 2 0 k m h ；其中交叉支撑装置是引进s c t 公司的侧 架下交叉支撑技术，交叉支撑装置可以提高转向架的抗菱刚度，从而提高了车辆的运行 速度和稳定性。 交叉支撑装置是交叉支撑转向架中起提速作用最重要的部件，为部件焊接结构，其 承受的载荷主要是车辆运行中的动载荷，包括左右侧架承受着由轮对传来的轮轨垂向、 横向动作用力和冲击振动等复杂的动力作用；在扭曲线路上两侧架产生反向点头位移等 复杂的交变动应力。因此交叉支撑装置的制造质量特别是焊接质量的好坏将直接影响车 辆运行的安全可靠。 本文通过对交叉杆端头环焊缝、扣板直焊缝等各部位裂纹的分析，找出了其断裂机 理及与疲劳寿命的相关因素。以此为依据对交叉杆的焊接工艺及其相关联的因素进行了 改进，经过细化晶粒焊接、杆身抛光、压型等工艺试验确定了相关的工艺参数。为检验 工艺改进的效果，还对杆身与扣板焊缝、杆身与端头等主要焊缝做了疲劳寿命分析，进 行了交叉杆疲劳试验及实际运用考验，最终证明交叉杆制造工艺的有效性。 关键词铁路货车；转向架；交叉支撑装置；焊接；疲劳寿命 人连交通大学t 稗硕+ 学侮论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t hi m p l e m e n t a t i o no fr a i l w a yr a p i da n ds o u n dd e v e l o p m e n ts t r a t e g y ， c h i n e s er a i l w a yh a se n t e r e di n t ot h es i x t hg r e a ts p e e di n c r e a s ew i t hm a x r u n n i n gs p e e d a b o v e16 0 k m ho nm a i nl i n e s t h e r e a f t e r ，c h i n e s er a i l w a yp a s s e n g e rc a r sw i l le x p e r i e n c ea f u r t h e rs p e e d u p a si nc h i n e s er a i l w a yn e t w o r k ，p a s s e n g e rc a r sa n df r e i g h tc a r ss h a r et h e s a m er a i l w a yl i n e s ，f r e i g h tc a r sa r er e q u i r e dt os p e e du pa l o n gw i t hp a s s e n g e rc a r s t h e r e f o r e i nt h es i x t hg r e a ts p e e di n c r e a s e ，f r e i g h tc a r sa r es p e e d e du pi nt h ef i r s tt i m e z k 2a n dz k 6f r a m eb r a c eb o g i e sa r ed e v e l o p e da n dp r o d u c e db yq i q i h a rr a i l w a y r o l l i n gs t o c kc o ，l t d ( q r r s ) ，a n dn o wb e c o m eo n eo fm a i nt y p e so fb o g i e sf o rs p e e d i n c r e a s eo ff r e i g h tc a r s i t sm a x c o m m e r c i a lr u n n i n gs p e e dc a ng ot o12 0 k m h t h ef r a m e b r a c eo ft h e s eb o g i e si si n t r o d u c e df r o ma m e r i c a ns t a n d a r dc a rt r a c k ( s c t ) 诵t ha d v a n t a g e o fi n c r e a s i n gb o g i ew a r pr e s i s t a n c e ，a n dc o n s e q u e n t l yi n c r e a s i n gf r e i g h tc a rr u n n i n gs p e e d a n d i m p r o v i n gf i d eq u a l i t y t h ef r a m eb r a c ei st h ek e yc o m p o n e n to ft h eb o g i et oa c h i e v es p e e di n c r e a s e i ti s w e l d e ds t r u c t u r ea n dm a i n l yb e a r sd y n a m i cl o a dw h e nt h ef r e i g h tc a l i sr u n n i n g ，i n c l u d i n g w h e e lt r a c kv e r t i c a la n dl a t e r a ld y n a m i cf o r c et r a n s m i t t e df r o mw h e e l s e ta n do t h e r c o m p l i c a t e dd y n a m i cf o r c e ss u c ha si m p a c tv i b r a t i o n s ，w h i c ha r eb o r nb yl e f ta n df i g h ts i d e f r a m e s ，a n da l t e r n a t i v ed y n a m i cs t r e s sr e s u l t e df r o ms u c ha sr e v e r s en o d d i n gi nt w i s tt r a c k t h e r e f o r em a n u f a c t u r i n gq u a l i t yo ff r a m eb r a c e ，e s p e c i a l l yw e l d i n gq u a l i t yw i l ld i r e c t l y i n f l u e n c et h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo ff r e i g h tc a ri no p e r a t i o n t h ee s s a yf i n d st h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nf r a c t u r em e c h a n i s ma n df a t i g u el i f eb ya n a l y s i s o nc r a c k so nd i f f e r e n tl o c a t i o n ss u c ha sg i r t hw e l da te n d so fc r o s sr o d sa n ds t r a i g h tw e l d so n p l a t e s b a s e do nt h ec o r r e l a t i o n ，i m p r o v e m e n t sa r em a d eo nw e l d i n gt e c h n o l o g ya n do t h e r r e l e v a n ta s p e c t so nf r a m eb r a c e ，a n dr e s p e c t i v ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e da f t e r p r o c e s s i n gt e s t ss u c ha sf i n eg r a i ns i z ew e l d i n g ，r o db o d yp o l i s h i n ga n df o r m i n g t oe v a l u a t e r e s u l t so fi m p r o v e m e n t s ，m a i nw e l d ss u c ha so nr o db o d y ，p l a t e sa n de n d sa r ea n a l y z e df o r f a t i g u el i f e ，a n df a t i g u et e s t so nf r a m eb r a c ea n dt r i a lo p e r a t i o n sa r em a d e t h ee f f e c t i v e n e s s o ff r a m eb r a c em a n u f a c t u r i n gp r o c e s si st h u sf i n a l l yv e r i f i e d k e yw o r d s ：r a i l w a yf r e i g h tc a u s ，b o g i e ，f l a m eb r a c e ，w e l d i n g ，f a t i g u el i f e 大连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太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太重銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太蓬塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：孑长f 叼 日期：删年7 蝴r 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：名i 、凌绿考够7 通讯地址：高1 一放尔孑编7 电子信箱：衣m 矽肜弓、叭 导师签名：弓犬奢铂 日期：力旃l 峒娟 电话：o e s z 一多年。多z 邮编：膨，9 0 2 一 大连交通大学学位论文独创性声明 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，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整銮通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 毫髟甘 日期：砂轩i 胡吖日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 近年来，随着铁路又好又快发展战略的实施，我国铁路已经进行了第六次大提速， 主要铁路干线提速区段的最高运行速度已达1 6 0 k m h 以上，今后我国铁路旅客运输还将 进一步全面提速。由于我国铁路网基本上是客车、货车共线运输的铁路网，随着客运速 度的提高，要求货运速度相应提高，因此第六次大提速时，对铁路货车也进行了首次提 速。 货车提速的关键在于要有能适应提速运行需要的货车转向架。目前在国外的货车转 向架，不仅轴重已达到了3 0 t 以上，而且时速也大多在1 2 0 l ( i i l h 左右。但我国原来的主 型货车转向架是三大件式的转8 a 转向架，其抗菱刚度值不高，在7 0 - 8 0 k m h 时即可能 发生剧烈的蛇形运动，动力学性能恶化，甚至可能造成脱轨事故n 1 。我国现有的另一种 三大件式转向架是控制型转向架，由于采用了常磨擦减振器，其各项性能均明显优于转 8 a 型转向架，但具有检修困难、空重车减振力不能兼顾等不利因素，制约了其进一步推 广应用2 1 。 提速转向架需实现的目标是在轴重1 8 t 、最高运行速度1 2 0 k m h 和轴重2 5 t 、最高 运行速度1 2 0 k m h 的条件下，其结构强度、动力学性能、轮廓尺寸分别符合g b 5 5 9 9 - 8 5 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范、t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 铁道车辆强度设计及 试验鉴定规范、g b l 4 6 卜8 3 标准轨距铁路机车车辆限界车限一2 等现行标准的要求； 满足行包快运专列等快捷货物和普通货物运输需要。 1 1 1 铁路货车转向架提速方式简介 在h 型构架和三大件式这两大类货车转向架中，三大件式转向架因其具有结构比较 简单、坚固，检修方便的优点，而且在运用中具有较好的载荷均衡性，一直是货车转向 架的主要结构形式。为了提高我国铁路货车的运营速度，就必须提高三大件式转向架 的运行速度。 目前国内外对三大件转向架进行提速的方式大致有以下三种：交叉支撑式三大件转 向架、摆动式运行转向架、径向转向架3 。其中摆式转向架对铸造质量要求高、自身的 磨损比较严重，而且在国外也大多在运行在路况良好的干线上h 3 ；径向转向架结构虽然 具有良好的曲线通过性能，但结构过于复杂，不仅制造难度大，而且检修也比较困难。 通过从性能及经济性等方面综合比较，交叉支撑式三大件转向架更适于我国的铁路货车 提速需要；同时根据国外的应用情况来看，交叉支撑式三大件转向架的应用也更加广泛。 大连交通大学下程硕十学侥论文 因此交叉支撑转向架应该是铁路货车提速转向架的主要发展方向瞄制。其提速的主要途 径有以个方向： ( 1 ) 加装弹性交叉支撑装置，以提高转向架的抗菱刚度，控制蛇行失稳能力，提高 车辆的临界速度。同时，减少轮对在曲线上的冲角，减小轮缘磨耗，延长车轮使用寿命。 ( 2 ) 采用两级刚度弹簧，提高空车弹簧静挠度，改善车辆空车垂向性能，改善抗脱 轨性能；同时降低因斜楔和磨耗板磨耗而使减振作用衰减的速度，保证减振系统磨耗接 近限度时车辆的运行品质。 ( 3 ) 采用双作用常接触弹性旁承，配套采用新型上旁承，以适当提高车体与转向架 间的回转阻力矩，提高车辆的抗摇头、抗侧滚能力，改善车辆运行平稳性。 ( 4 ) 基础制动装置中采用奥一贝球铁衬套和配套4 5 号钢圆销，可以减轻制动装置中 的销、套的磨耗，延长检修周期。 ( 5 ) 加装心盘磨耗盘，确保转向架回转阻力矩值的稳定性，保证车辆运行性能的稳 定。 ( 6 ) 采用高品质车轮。时速1 2 0 k m h 的货车转向架须装用符合t b t 2 8 1 7 要求，并 且经静平衡试验，静平衡值小于7 5 9 m 的h d s 型全加工辗钢车轮。 转向架的的抗菱刚度必须达到规定的目标值，才能确保有较高的蛇行失稳临界速 度，保持在所需的最高运行速度范围内的运行稳定性和平稳性。尽管斜楔与摇枕、侧架 组合有定的抗菱约束，但交叉支撑转向架的抗菱刚度仍主要取决于交叉支撑装置的抗 菱作用盯1 。所以在以上措施中，加装弹性交叉支撑装置是起到关键作用的。 1 1 2 交叉支撑转向架工作原理 我公司生产的转k 2 型转向架，是由我公司开发研制、适用于在我国铁路运用的提 速转向架，其中交叉支撑装置是引进美国标准转向架公司( s c t 公司) 的下交叉支撑技 术。交叉支撑装置可以提高转向架的抗菱刚度，从而提高了车辆的运行速度。 交叉支撑转向架的原理就是在三大件式转向架的基础上，采用一种相互交叉的杆件 结构把转向架的左右侧架弹性地连接起来，用以提高转向架的抗菱刚度。因为对于三大 件式转向架来说，抗菱刚度对转向架的蛇行运动稳定性有控制性作用，提高了转向架的 抗菱刚度，就可以减少轮对与转向架蛇行运动，提高转向架的蛇行失稳临界速度，增大 货车直线运行的稳定性呻3 。同时，交叉支撑装置可有效保持转向架的正位状态，从而减 小了车辆在直线和曲线运行时轮对对钢轨的冲角，改善转向架的曲线通过性能，显著减 少轮轨磨耗。 2 第一章绪论 1 1 3 交叉支撑装置受力分析 交叉支撑装置参与摇枕及轮对的作用，同时约束了左右侧架的相对位移。当两个侧 架发生相对位移，如发生菱形变形或扭转变形时即受到交叉杆的阻碍，因此，交叉支撑 装置承受的载荷主要是车辆运行中的动载荷阳3 。在货车运行中，左右侧架承受着由轮对 传来的轮轨垂向、横向动作用力和冲击振动等复杂的动力作用，并在扭曲线路上两侧架 产生反向点头位移，使交叉支撑装置各部位产生复杂的交变动应力。 由以上分析可知，交叉支撑装置结构虽然并不复杂，但其在运用中要承受较大的动 载荷，除了静强度要满足要求外，对交叉支撑装置的韧性即低温冲击值要求也相当高们 1 。为了保证交叉支撑装置的可靠性，对交叉支撑装置按以下标准进行了疲劳试验，疲 劳试验加载条件参见表1 1 。 疲劳试验载荷为轴向载荷，载荷谱为a 、b 、c 、d 四级载荷，疲劳试验的循环次数 最少为3 5 0 万次，前2 0 0 万次按表1 进行。经上述2 0 0 万次试验后，进行湿法探伤检查， 未出现裂纹时，需继续按c 类载荷进行1 5 0 万次的试验，然后再进行湿法磁粉探伤检查， 未出现裂纹时为合格。 表1 1 疲劳试验加载条件 t a b l e1 1l o a d i n gc o n d i t i o nf o rf a t i g u el i f e a 类载荷b 类载荷c 类载荷d 类载荷 累计( 1 0 4 ) 2 7 5 1 k n3 2l ( n3 9 4 l ( n4 6 8 k n 1 ( x 1 0 4 )8 2 51 4 3 52 1 511 0 0 2 ( x 1 0 4 )8 2 51 4 3 52 1511 0 0 对于焊接结构来说，焊后由于冷却速度较快，导致焊缝区内应力增大，微观组织不 均匀，结构缺陷增加n o 口。在氧化物与基体的相界处是疲劳裂纹形成的主要位置n 训。 针对交叉支撑装置所做的疲劳试验表明，最终裂纹部位都在焊缝周围且与焊缝有一 定的关系。无论是端部的环焊缝处，还是中部的直焊缝处都出现过裂纹。在扫描电镜下 观察，可明显看到裂纹向两侧扩展的迹象，经分析研究认为：焊缝的起收弧处存在原始 裂纹源，在交变载荷下形成宏观裂纹。 在产品试制阶段共进行了五次疲劳试验，其中有四次发生了裂纹，结果见表1 2 。 表1 2 交叉杆疲劳试验结果 t a b l e1 2t e s tr e s u l t so ff r a r n eb r a c ef a t i g u et e s t 火连交通人学一i ：群硕十学位论文 序号时间断裂次数( 万次)断裂部位 1 2 0 0 2 9 7 环焊缝 22 0 0 2 91 7 0 环焊缝 32 0 0 2 1 28 0 吊环，始于焊缝端部 42 0 0 3 12 0 0 管子中部，始丁直焊缝端部 通过以上试验结果可以看出，焊缝质量的好坏对疲劳寿命起着关键的作用。以上试 件在焊接时均符合正常的焊接工艺规范，而且经过了认真的检查，焊缝质量完全符合 t b l 5 8 0 的规定。由此可见，对于象交叉支撑装置这样的新结构的焊接工艺很有深入研究 的必要。除了在焊接材料、焊接参数方面需要改进外，还应该完善与焊接相关联的杆体 抛光、杆体及扣板压型、组对间隙控制等方面，提高工艺保证手段，完善相应的工艺规 范，进而提高疲劳寿命。 1 1 4 交叉支撑装置疲劳强度低的危害 目前各厂设计、制造的提速转向架，从整体上看，各项性能指标能够满足提速客车 安全运行的要求。但一些提速客、货车转向架的主要受力部件，经过几年运行就出现了 疲劳裂损，比如：2 0 6 w p 型转向架的构架端部轴箱弹簧座焊缝裂纹问题：2 0 9 h s 型转向 架的构架摇枕吊座处焊缝裂牵引拉杆焊缝裂纹问题；c w - 2 a 型转向架构架定位座与侧梁 下盖板连接焊缝裂纹问题，造成的批量返修，给铁路行车安全造成了极大危害，同时给 国家和企业造成了巨大的经济损失。 交叉支撑装置在初期的制造和装车运用中同样出现了由于疲劳强度低导致的大量 交叉杆裂纹的问题，根据下交叉支撑转向架的产品设计结构可知，交叉支撑装置在组装 后的位置在摇枕下面，是转向架中除轮对外，距轨道距离最近的部件，如果抗疲劳性能不 好出现裂纹，首先是不易被发现，形成安全隐患，如果裂纹继续延伸，在交变载荷的作 用下将导致整个交叉杆的折断，虽然有安全吊链等辅助安全防护措施，但货车时速 1 2 0 k m h ，仍可能将直接导致车辆的脱轨事故，这在当前的运输形式下是绝对不允许的。 1 2 本文的基本内容 为了保证转向架在高速运行时交叉支撑装置不发生破坏；同是也为了使交叉支撑转 向架能够成为我国提速转向架的主型转向架、实现大批量生产，要求必须制定经济合理、 可靠的交叉支撑装置制造工艺。 在交叉支撑转向架前期试制过程中，交叉支撑装置的焊接采用的是手工电弧焊，使 用的是北京冶金研究所开发的e 6 0 1 8 m 碱性电焊条。由于其工艺性差，脱渣性不好，操 4 第一章绪论 作难度比较大；而且质量保证能力不强，在焊缝内部存在着的夹渣、气孔等缺陷很难避 免。在交叉杆的疲劳试验中，端头处的环焊缝和中央扣板处的直焊缝均发生过裂纹，究 其原因均是因为在焊缝内部的缺陷形成了裂纹源。由此看来采用手工电弧焊工艺很难实 现大批量生产。 为了提高焊缝的内在质量，就必须提高焊接的工艺性，降低操作难度，因此，交叉 支撑装置的焊接工艺采用气体保护焊工艺无疑是比较理想的选择u2 j 。气体保护焊的焊缝 内在缺陷少，抗氢气孔能力强等优点n 3 1 4 1 。如果采用药芯焊丝则具有工艺性能优良、力 学性能稳定、生产效率高和综合成本低等特点n 朝，而且药芯焊丝飞溅少、熔敷效率高n 引。 药芯焊丝具有优良的冶金性能n 引，不仅其焊缝有优良的低温韧性n8 j ，而且工艺性能也完 全可以满足要求。 通过对国内外焊丝性价比的综合比较，初步选择的药芯焊丝为a w se 8 1 t n i1 。其理 化指标与e 6 0 1 8 一m 的对比见表1 3 及表1 4 ： 表1 3 化学成分对照表 t a b l e1 3 c o m p a r i s o nt a b l eo f c h e m i c a lc o n t e n t 牌号 cs im npsn ic rm 0v e 6 0 1 8 m o 1 0 0 0 6 1 2 5鲫 0 u 0 3 1 4 1 8 n 1 50 l 3 3a c l 5 e 8 1 t n 订 n 1 2n 8 01 5 0o 0 30 0 30 & 1 - 1 - o 1 5 n 3 5a c l 5 表1 4 机械性能对照表 t a b l e1 - 4 c o m p a r i s o nt a b l eo fm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e 屈服强度抗拉强度伸长率冲击功 牌号 ( 口。) m p a ( o h ) m p a( 万s ) ( ，) e 6 0 1 8 一m4 9 05 9 02 2 2 7 ( - 5 0 1 e 8 1 t n 订 4 7 05 5 0 6 9 01 9 2 7 ( 3 0 ) 由于交叉支撑装置是提高转向架抗菱刚度度，确保转向架在质量保证期内能否安全 运行的关键部件。交叉支撑装置承受的载荷又主要是车辆运行中的动载荷，因此对交叉 支撑装置的制造要求非常高，规定其必须通过疲劳试验的考核。 这就要求在制定焊接工艺时，应依据对焊缝接头p s n 曲线( 可靠度一应力一寿命曲 线) 的试验结果n9 1 ，综合比较各种焊接材料的焊缝性能，制定可靠的工艺措施，达到使 大连交通大学1 j 稗硕十学伊论文 交叉支撑装置通过疲劳试验的考核。另外制定的焊接工艺应经济、合理，还要保证焊缝 在整个运用期内不发生破坏现象。 为了保证交叉支撑装置的稳定可靠，通过疲劳试验的考核指标，主要需要完成以下 几方面的工作： ( 1 ) 对交叉杆疲劳裂纹断裂机理进行了研究，并针对不同的材质及焊材进行疲劳试 验，确定影响疲劳寿命的因素。 ( 2 ) 根据焊缝接头的试验结果n 引，确定交叉支撑装置的组对工艺，主要是对焊缝组 对间隙的要求，进而要将焊缝宽度控制在一个合理的范围内。 ( 3 ) 依据材质的机械性能要求来选择焊接材料，主要是要满足交叉杆杆身低温冲击 的性能指标。并制定相应的工艺规范，保证焊缝内部质量可靠。 ( 4 ) 通过疲劳试验的验证，决定是否对焊后的焊缝处理。由于采用t i g 重熔法焊 缝焊趾，能有效地改善焊接的形状和表面成形，降低接头的应力集中。而机械打 磨磨平焊缝能彻底消除焊缝表面缺陷，以及由焊缝形状引起的应力集中啪1 。二者 均有提高焊缝疲劳强度的作用。如果需要进行热处理，还应该明确具体的处理方法。 ( 5 ) 在半自动焊的工艺成熟基础上，进行机器人焊接交叉杆环焊缝的试验。确定焊 接机器人的型号 2 1 及焊接夹具的设计；明确寻点的方式和电弧跟踪的种类等。 1 3 本课题的可行性及意义 从前面的疲劳试验结果可知，交叉支撑装置焊缝中的任何微小缺陷都可能成为疲劳 裂纹的裂纹源，使其疲劳寿命急剧降低。而在手工焊接且为批量生产的情况下要想完全 避免缺陷显然是不现实的，因此采用机器人进行交叉支撑装置的焊接是非常必要的。 除此以外，随着我国焊接行业的迅速发展，现在采用气体保护焊工艺的条件也比较 充分。 首先，目前我国机车车辆工业行业已开始广泛使用c 0 2 气体保护焊，成为了各制造 厂的主要焊接工艺，在此基础上富氩气体保护焊工艺也在研究和逐步应用乜引。 在焊接设备方面，各种高性能的气体保护焊机不断推出。唐山松下生产的c 0 2 m a g 高性能焊机已在机车车辆行业的部分企业中开始使用，使用效果良好瞳盯乜5 1 。此类焊机既 能够同时适应实芯焊丝和药芯焊丝，还可以满足c 0 2 和富氩混合气体两种保护气体。 现在在转向架中承受疲劳载荷的焊接结构越来越多，而且在国内机车车辆制造行 业，对此进行深入研究的这比较少。比如摆式转向架的弹簧托板也是焊接结构，在运用 中承受疲劳载荷，其焊缝在运用不到半年的时间就发生了裂纹，造成了批量返修。所以 6 第一章绪论 研究交叉支撑装置的焊装工艺，也可以为以后类似结构的焊接积累宝贵的经验，从而提 高转向架制造的工艺水平，具有较好的经济效益和社会效益。 7 人琏变通大学 ￥硕 学位论文 第二章下交叉支撑转向架与交叉杆制造工艺 21 下交叉支撑转向架 目前，我公司生产的转k 2 型、转k 6 型转向架均为下交叉支撑结构，属于铸钢三大 件式转向架，采用相同的交叉支撑装置。以转k 2 型下交叉支撑转向架为例。其基本结 构如图21 所示，在两侧架之间安装了弹性下交叉支撑装置，交叉杆从摇枕f 方穿过， 四个端点用轴向橡胶颦与侧架支撑座连接：侧架、摇枕采用叶级钢材质铸造。：减振装 置种采用分离式斜楔、摇枕八字面上焊装楔形插板，另一种采用整体式斜楔、摇枕八 字面上焊装平板型磨耗板：基础制动装置为中拉丰t 结构，车体上拉丰t 越过摇枕与游动杠 丰t 连接：中央悬挂系统采用两级剐度弹簧；上、下心盘之间安装心盘磨耗盘：采用双作 用弹性旁承；采用t 1 0 钢材质的嵌入式滑槽磨耗板、4 ；钢侧架立柱磨耗板：装在时速 1 2 0 k m h 的p 6 5 、p 6 5 a 、p 6 5 s 型行包快运棚车上，采用高摩台成闸瓦。 萄器喹 。，矿， 莹0 黟一 圈2 1 转k 2 玳转向架 f i g21k 2 b o g i e 一 篓 t t 眦“ 。h n 雠m 量毒一攀 拿 兰；兰! 至墨圣堡堑塑圣兰薹兰型型堡三堇 2 11 转向架主要性能与参数 轴型 自重( t ) 最高运行速度( k m h ) 可通过最小曲线半径( 栅) 基础制动装置制动倍率 固定轴距( 咖) 212 转向架主要结构 r d 2 约42 1 2 0 1 0 0 4 17 5 0 在转k 2 型下交叉支撑转向架中与交叉盘撑装置有关的部件共有阻下两种： ( 1 1 侧架弹性交叉支撑装置如图2 , 2 所示，由1 个下交叉杆、1 个上交叉杆、8 个轴 向橡胶挚、4 个双耳垫圈、4 个锁紧板、4 个紧固螺栓( 强度等级为1 0 9 级) 组成。在 上、下交叉杆中部焊有夹板，利用2 组m 1 2 螺栓、螺母、挚圈将央板紧固，同时把螺 母用电焊点固，夹板间有4 处塞焊点和两条平焊缝，把上、下交叉杆连接成卟整体。 图2 2 交义支撑装置 f i g22 f r a m e b r a c e ( 2 ) 侧架组成如图2 _ 3 所示，主要由侧架、支撑座、保持环、立柱磨耗板、滑槽磨 耗板等零件构成侧架组成。 溆；玉兰翳 圭兰兰翌苎兰。! ! ：堡三耋生兰耋 削2 3 侧架组成 f i 9 23 s i d e f l a m ea _ s s e m b l y 22 交叉杆制造工艺 交叉杆由交叉杆杆身、交叉杆端火、交叉杆扣板焊接而成：结构如图2 4 所示 图2 4 交叉杆结构幽 f i 9 24s t r u c t u r eo f eb r a c e 22 1 主要技术参数 伞长尺寸( m m )2 2 0 1 15 交叉车t 端头平面与交叉杆中心线角度 9 0 。1 。 交叉杆直线度( m m )3 交叉杆中心窝和两端压窝成型后，外表面不允许有裂纹、褶叠。 222 交叉杆研制过程 交叉杆卡t 身材质按照美方要求含c 量为00 8 - - 01 3 ，从含碳量要求看相当于1 0 # 钢，但6b 为 ，3 8 0 m p a ，比1 0 # 钢( 1 0 # 钢为3 4 0 m p a ) 高，同时有一4 5 c 低温冲击性能 要求，冲击功为2 0 5 ”。而国内1 0 # 钢管没有低温冲击性能要求4 1 。从压型看，我国压 扁实验压缩量为直径的1 3 。即怛8 m m 的钢管压缩后厚度尺寸为3 2 n m n ，而交叉杆局部压缩 后尺寸为1 3 m ，如图2 5 所示，压型难度增大。经过和生产厂家共同分析、研究，购置 了一批冷拔铡管进行实验，在生产过程中发现中间窝和端面压型后内、外表面存在裂纹。 经过我公司检测中心和北满特殊钢股份有限公司检测分析内表面裂纹主要是由于原材 料非会属夹杂物和表面的麻斑、凹坑和滑伤等缺陷所致：外表面裂纹主要发生在压型曲 率半径最大处，原冈是该处应力过大。经过有限元强度计算，在5 0 0 0 k g 载荷下，两端 压窝最大应力为2 3 3 m p a ，对交叉杆进行强度试验时，在4 2 0 0 k g 载荷下，交叉杆两端压窝 第二章下交叉支撑转向架与交叉杆制造工艺 实测最大应力为2 1 7 m p a ，而钢管材料的屈服强度为0s ，2 4 0 m p a ，两者数值比较接近3 。 为此必须控制热处理方式，使得强度和塑性指标匹配，保证压型不出现裂纹。 通过对美国钢管和三家国产钢管按照国家标准进行压扁试验，美国钢管两端出现小 裂纹，裂纹开裂走向沿晶界方向，深度约0 1 0 r a m 。主要原因是美国的钢管是热轧状态交 货，其最大脱碳层深度达到0 3 3 r a m 。国产钢管出现微裂。 针对上述情况，对照美国标准和生产过程中出现的问题，对钢管标准进行了修订： 美国最大碳当量为0 3 4 ，调整为0 3 0 ；美国65 2 4 ，调整为65 2 8 ；美国钢管为 热轧管，订货要求为冷拔管；重新确定了压扁实验标准，要求压扁时钢管内壁贴靠；并 对钢管提出了精炼要求，对钢材中的非金属夹杂物级别和气体氧含量提出了要求。 交叉杆端头毛坯共进行了两种材质的试制。一种是铸件材质为c 级钢；另一种是锻 件材质为q 3 4 5 c 。对两种方案均进行了试制，包括焊接试验。经过综合比选最终确定采 用锻件方案生产。交叉杆端头毛坯锻造采用套筒式无飞边锻造工艺；为保证零件强度， 在头部与杆身之间加大了过渡圆角；热处理采用正火+ 回火工艺。 2 2 3 交叉杆主要制造工艺介绍 交叉杆的制造要保证交叉杆的直线度和交叉杆端头平面与交叉杆中心线角度。交叉 杆杆身压型后的挠度和全长收缩量以及交叉杆杆身与交叉杆端头焊接变形量的确定的 是保证交叉杆的尺寸和形位公差的关键。基于以上依据，制定了如下工艺流程： 首先将原材料( 管材) 切割至要求长度，然后对杆身中间压型，将杆身与扣板组焊 后，进行两端压型，将杆身与交叉杆端头组焊，最后是涂漆、交叉杆成品检查。 交叉杆杆身共有三处压型，一处位于交叉杆的中央，另两处对称位于交叉杆杆身的 两端。交叉杆压中间型时，为了保证组焊后交叉杆直线度、交叉杆端头平面与交叉杆中 心线角度，经过反复计算和实验，确定压型时预留变形量3 6 衄，如图2 5 所示；交叉 杆两端压型通过实验得出压型后全长收缩量为i m m 。 和念 1 窀 目 j7 + i j 一 ( 擘j 、 、一。7 、一。 大连交通大学工程硕士学位论文 图2 5 交叉杆杆身压型结构示意图 f i g 2 5s k e t c ho fb o d ys r u g t u l eo ff r a m eb r a c e il lj b 门ii ， ， 图2 6 交叉杆压中间型变形量及中间压型模具结构示意图 f i g 2 6s k e t c ho fm i d d l es t r u c t u r eo ff r a m eb r a c ea n dp a t t e m 交叉杆杆身中间压型模具下模为分离式结构( 见图2 6 所示) ，上模冲下时，利用 斜楔卸料结构，既保证压型尺寸，又方便卸料。交叉杆杆身两端压型模具采用回转式凸 轮夹具和可调的角度板，以扣板为基准，保证压型角度。 焊接时首先在一个夹具( 见图2 7 所示) 上将压完中间窝的交叉杆杆身放在交叉杆 扣板上，端头放在固定的定位块上夹紧，保证焊接时端面的垂直度，另一端利用滑动的 定位块调整全长，预留焊接长度收缩量l m m ，保证交叉杆全长。点焊扣板，定位焊端头。 然后焊接扣板。焊接顺序为左前方焊缝、左后方焊缝、右前方焊缝、右后方焊缝，焊接 方向为从右向左。 随后在另1 个焊接旋转夹具上焊接端头，如图2 8 所示。该夹具采用无级变速装置， 以1 转分钟的速度自动旋转。焊接时分两遍焊接端头和杆身之间的环焊缝，第一遍焊 接钢管和端头根部，清渣后焊接剩余焊缝。焊丝直径为1 2m m ，焊接电流为1 5 卜2 8 0 a 。 为防止夹渣，焊接时焊丝应于焊件成图2 8 所示的角度。 图2 7 交叉杆扣板焊接夹具示意图 f i g 。2 7s k e t c ho f w e l d i n gj i gf o rf a s t e n i n gp l a t e 第二章下交叉支撑转向架与交叉杆制造工艺 图2 8 交叉杆端头焊接夹具示意图 f i g 2 8s k e t c ho fw e l d i n gj i ga n da n g l ef o rt h ee n dw e l d i n gj i g 为保证制造质量，按照a a rm 一1 0 0 3 要求建立了交叉支撑产品质量保证体系，该体 系包括质量保证手册、交叉杆质量保证程序手册两部分嘞3 。确保从原材料的采购、接收、 产品制造直至发运的各种环节都能得到有效的控制和管理。 按照生产工艺流程，交叉杆质量保证程序手册建立了检验和实验计划、原材料控制 以及交叉杆组焊及成品等8 个程序，2 0 个检验点，1 7 种工序控制记录。 针对交叉杆焊接工艺的特殊性，进行了焊工理论和实作培训，只有取得合格证的人 员才可以上岗操作，同时为强化对过程因素的控制，确保组焊质量，在质量程序控制的 基础上，又把这道工序纳入公司级质量控制点进行管理和控制，并落实了质量责任制。 2 3 本章小结 下交叉支撑转向架是最高运行速度为1 2 0 i ( i l l h 的新型转向架。该转向架采用了美国 标准车辆转向架公司的交叉支撑装置，可以提高货车三大件转向架的抗菱刚度日，改善 货车通过曲线时的性能和提高转向架蛇行失稳临界速度，而交叉杆是交叉支撑装置中的 主要部件。 交叉杆的制造工艺保证了交叉杆的直线度和交叉杆端头平面与交叉杆中心线角度， 与此相应的交叉杆杆身压型参数保证了交叉杆的尺寸和形位公差。并且还建立了交叉支 撑产品质量保证体系，确保从原材料的采购、接收、产品制造直至发运的各种环节都能 得到有效的控制和管理。进行了焊工理论和实作培训，做到了持证上岗操作。 1 3 大连交通人学一1 j 程硕+ 学位论文 第三章交叉杆疲劳裂纹断裂机理 通过以上介绍可知，在试制阶段的交叉杆制造工艺及焊接工艺是符合现行的工艺原 则的，在质量控制方面也是有比较可靠的保证手段，因此，交叉杆在疲劳试验中的断裂 不是由操作质量引起的。为了保证交叉杆的质量及使用寿命符合产品的要求，有必要对 交叉杆的几个主要裂纹点的断裂机理进行深入的分析，在此基础上完善工艺措施。 3 1 疲劳断裂的机理分析 3 1 1 疲劳破坏特点 疲劳破坏与静力破坏有着许多明显的本质差别，静力破坏是一次最大载荷作用下产 生的破坏；而疲劳破坏是多次交变载荷作用下产生的破坏。所谓交变应力，是指随时间 而变化的应力。更一般地，也可称之为交变载荷，载荷可以是力、应力、应变、位移等。 载荷随时间的变化可以是有规则的( 恒幅循环) ，也可以是不规则的( 变幅循环) ，甚 至是随机的。在研究疲劳问题时，首先要研究载荷、应力的描述与简化。 ( 1 ) 疲劳破坏起源于高应力或高应变的局部 静载下的破坏，取决于结构整体；疲劳破坏则从应力或应变较高的局部开始，形成 损伤并逐渐累积，导致破坏发生。因此，局部性是疲劳的一个显著特点，如图3 1 所示。 啦。囱 ，! 图3 1 疲劳局部性的示意图 f i g 3 1s k e t c ho ff a t i g u el o c a t i o n 零部件的应力集中处常常是疲劳破坏的起源，疲劳研究所关心的正是这些由几何形 状变化或材料缺陷引起应力集中的局部细节以及细节处的应力应变。疲劳是一个发展过 程，受交变应力作用的零部件或结构，从一开始使用就进入了疲劳的“发展过程”。它 是一个疲劳损伤累积的过程，往往要经历一定的时间，有时要经过很长很长时间才发生 破坏。一般疲劳裂纹由三个过程组成：裂纹萌生、裂纹扩展和最后快速断裂。 1 4 第= 章交叉杆疲劳裂纹断裂机理 ( 2 ) 疲劳断口的形貌特征 判断一个断裂零部件一定是疲劳断裂，需要分析断裂断口的宏观和微观形貌特征。 断口是指零部件断裂失效时所形成的自然表面，断口的形貌直接反映了断裂过程中 各种载荷、应力和材质之间相互的关系。通过对断口形貌及其它信息的了解，确定断裂 失效的模式、原因及其断裂的全过程，以便制定今后防止此类事故发生的对策。一个典 型的疲劳断口上，通常出现三个形貌不同的区域，见图3 2 所示； 图3 2 疲劳断口区域示意图 f i g 3 2s k e t c ho fl o c a t i o ni nf a t i g u eb r e a k 疲劳源区：裂纹在源区内扩展缓慢，所以其断口较为平坦、光亮；绝大部分的 疲劳源位于表面，呈半圆形( 或半椭圆形) 。 疲劳裂纹扩展区：疲劳扩展区有海滩状( 或称贝壳状) 花样，是疲劳断口上裂 纹扩展的宏观特征花样。它是在加载一卸载的交替过程中形成的，所以也叫做“疲劳休 止弧线”。 瞬断区：随着疲劳裂纹的扩展，承载能力降低，当达到断裂强度时，便发生瞬 时断裂。具有静载断裂的断口形貌；塑性材料，断口表面呈暗灰色纤维状，有时在边缘 出现微小的剪切唇。 ( 3 ) 疲劳裂纹源的判断 疲劳断口宏观形貌的特征是识别和判断零部件疲劳断裂失效极为重要的特征之一， 但仅仅确定其为疲劳断裂是不够的，而确定疲劳源的位置对分析断裂原因更重要。例如， 如果疲劳源在零件表面上，那么应当从零件表面质量、表面应力状态及工作介质等方面 去查明疲劳断裂的原因；如果疲劳断裂起源于亚表面上，则应考虑表层是否存在拉应力 峰值或材质质量问题；如果疲劳源在零件内部，则疲劳断裂可能是材料内部质量( 如夹 杂物、内裂纹等) 引起的。 1 5 大连交通大学t 稃硕十学位论文 有时，断口上出现几个磨光区，这表明存在有几个疲劳源区。这时必须注意哪些疲 劳源区是初生的，哪些是次生的，因为初生的疲劳源对分析断裂原因更重要。一般来说， 最初的疲劳源相对于其它疲劳源所承受的应力较小，裂纹扩展速率较慢，经历交变载荷 作用的时间最长。因此，在判别时贝壳状条纹的密度愈大、源区愈光亮，则疲劳源的起 始时间愈早，见图3 3 。 图3 3 多个裂纹源特征示意图 f i g 3 3s k e t c ho fc h a r a t e rf o rm u l t i - c r a c ks o u r c e s 3 1 2 影响接头疲劳强度的主要因素 ( 1 ) 焊趾处的微小缺陷对疲劳强度的影响 大量试验表明，除各种焊接接头的几何尺寸因素造成应力集中外，焊趾处还存在着 微小的气孔、未焊透、细小的尖锐熔渣楔块以及沿熔合线的轻微咬边，熔渣楔块的平均 尺寸为0 1 5 r a m ，咬边深度在0 1 m m 以下，它们是一般探伤方法不能检查出来的微小缺陷。 在这些非常小的缺陷尖端，可以看作是许多小裂纹，可能成为各条裂纹的起始点，其影 响焊接接头疲劳强度的程度远大于焊缝外形和结构