l-c制动梁设计与工艺的优化

l-c制动梁设计与工艺的优化

自r-c组合刹车梁出现以来，车辆后存在大量的质量问题。通过对L-C组合式制动梁的产品设计和工艺的合理性进行调研,以便给企业对L-C组合式制动梁项目做出正确的判定提供一个可靠的依据。1加工精度尺寸L-C组合式制动梁是铁道部为了满足列车提速、重载的要求研制的新型制动梁。其梁体如图1所示。它的主要特点是两端头为整体式锻件,两端口处有加强肋,使此处的刚度和强度极大。撑杆为外径50mm,内径为30mm的管材,而弓形梁是直径为33mm的棒材,3个件是通过热套装工艺组合成L-C制动梁的梁体。同时,用滑块的设计取代了滚子轴在滑道的导向和支撑。在闸瓦托与梁体的紧固上,使用了SFT折头螺栓进行紧固。从使用效果看,我国现有的L-C组合式制动梁在参数设计上和工艺上存在一些不合理的地方。(1)原设计中的撑杆所给出的配合尺寸为过盈配合,但端头孔的加工值为48mm,偏差为0到+0.082mm;撑杆的直径为48mm,偏差为+0.09mm到+0.13mm。对于细长杆来说,给出的加工精度尺寸要求太高,同时,此处为热套装工艺,并非过盈配合的压力装配,不需要这样高的加工精度,基本偏?差带可适当放宽,以保证实际加工的可行性。(2)原设计中弓形杆给出的配合尺寸为过盈配合,但?端头孔直径的基本尺寸为33mm,偏差为0到+0.062mm;弓形杆直径的基本尺寸为33mm,偏差为+0.14mm到+0.18mm。对于细长杆来说,给出的加工精度尺寸要求太高,同样此处为热套装工艺,因此,也不需要这样高的加工精度,适当放宽基本公差带,以保证实际加工的可行性。(3)弓形梁的弯角理论值为130°,建议将直杆拉成?弓形梁时用的工装为直径400mm,截面直径为50.5mm?的圆环的部分形状,以保证支柱与弓形梁的接触为一处线接触。(4)支柱中心槽的上端也为易开裂区,此处为机加工尺寸突变部位,从开裂的方式上看,此处开裂为扭转应力造成的,建议减小机加工量,增加抗扭转应力的强度;同时,一定要采用合理的工艺圆角过渡。(5)闸瓦托与端头配合处的基本尺寸为39mm,偏?差为-0.1mm到0.2mm。端头处的基本尺寸为39mm,偏差为-0.1mm到0.05mm。此处给出的配合为过渡配合。按机械设计的原理为提高抗动载荷的能力应该采用小的过盈配合才是合适的,但同时要求过盈量不要太大,避免造成较大的附加应力;同时,应该要求配合面有较小的表面粗糙度,以提高其表面的疲劳强度。原图纸中给出配合面为Ra25,数值过大,不利于减小动载荷带来的表面接触疲劳。建议少量增加最低过盈量的同时,为减小配合面的表面粗糙度可选为Ra6.4。(6)SFT折头螺栓的折断处切槽深度和形式要满足88200N的夹紧力。因此,要使切槽应计算出一个确定值,使折头在折断时满足上述要求。或者用力矩扳子按设定值将其紧固后,在将其端头敲掉。(7)由于端头的两个端口有机加工的要求,端口要加工出两个孔来。为保证加工的精度要求,应该严格要求毛胚的加工精度,特别是两端口的外圆精度,以便保证机加工后孔与外圆的同轴度精度要求。从解剖的样件上看,由于毛坯件的外圆柱的圆柱度没有得到保证,导致加工出来的端面与外圆柱的垂直度出现较大误差,使得孔的加工出现较大的偏心。(8)端头的尺寸加工精度是减小制动梁装配产生装配附加力的重点。因此,要设计好检具。主要保证加工精度一是加工孔和端头的同轴度(利用孔与端面的垂直度检测来加以保证,属于间接检测);二是两端口的夹角为25°。2l-c点制动梁结构从大量获得的资料中,可以看出撑杆与端头的相交处为易断的地方(占所有L-C制动梁故障的绝大多数),如图2所示。其中,弓形梁和端头等其他梁体部位上出现的失效在国内的资料还很少查到。按机械设计的基本原则,制动梁体的失效现象应大体均匀地发生在各部件上,这样才能充分利用各部件的资源。从L-C制动梁的失效资料中,运用统计规律的原则可以做出如下明确的判断:货车L-C组合式制动梁撑杆的载荷(静、动载荷)远远超过其他部件的载荷,以至于在其他部件还远未达到失效状态的情况下,制动梁撑杆过早地出现了疲劳失效。于是,改善制动梁撑杆的受力状况和减小撑杆的载荷是提高制动梁梁体使用寿命的关键。由于L-C组合式制动梁的两端头为锻制的异形件且两端口处有加强肋,梁体经热套装组合而成。这使得端头自身的刚度和强度极大,几乎不能形变。因此,在力学模型里做固支梁处理。在撑杆的中间有支柱与其通过夹板连接,再通过螺栓连接紧固,但此种连接方式产生的刚度要远小于两端头的刚度(即发生弹性变形的能力),又由于撑杆受力位置位于撑杆的中心,处于梁发生挠度的中心对称处。因此,此处可以简化为具有小强度加强肋的力模型来处理。由此,得到简化后组合式制动梁撑杆力学模型如图3所示。(1)热实际织构工艺对应力集中现象的探讨由于撑杆的刚度太大,导致同等制动力的情况下,中间处产生的挠度很小,加上支柱与弓形梁之间的连接没有紧固件,有一定余隙。因此,弓形梁的实际受力可能很小,以至于在收集的数据中没有找到它的失效资料。由于端头的刚度太大,以至于撑杆在接头处的形变没有任何妥协的余地,产生应力集中现象。同时,为了利于热套装,设计中此处的尺寸由50mm过渡到48mm。尺寸突变和应力集中的综合因素,使此处成为危险截面。还应该考虑到的因素是热套装工艺对许用应力的影响。热套装工艺要求将端头加热到780～850℃后进行套装,这使得撑杆与端头的配合处撑杆部分横截面某区间在200～350℃有可能回火,在此范围内的回火会导致该区域的冲击韧性严重下降,进而导致其许用应力值下降。同时,在解剖检测过程中,观察到剖面在热套装后的两个配合件表面并没有融合且结合力很小。但在观察端头上与受热套装工艺影响部位的金相时,发现金相组织未发生明显的变化,基本是铁素体和珠光体组织,只是热套装部分表面硬度比未经热套装的表面硬度有明显的下降。建议对热套装的工艺过程进行更为详细的分析和试验,特别是注意热套装后梁体部分的冲击韧性和抗动载荷破坏的能力的变化情况。(2)新型制动梁的特性通过过渡尺寸来减小该部位的应力集中。在保持制动梁撑杆原强度不变的情况下,减小其刚度,即减小外径尺寸,在同样的作用力下,可以产生更大形变,以至于使弓形梁分担一部分的制动力载荷,撑杆上的负载相应的减小了,受力状况得到了合理的改善。撑杆的尺寸由原来的外径50mm内径30mm改为端部外径50mm,中部外径为41mm,内径为15mm的撑杆代替。相应地,支柱与撑杆孔接头孔的半径改为41mm。新型撑杆的端头是由外径41mm内径15mm的钢管两端头墩锻而成。撑杆两端头墩锻成形的目的是为了保持金属纤维在变径处起到良好的过渡形态,进而使撑杆端头变径处有良好的抗弯曲和抗剪切的强度和合理的应力分布,如图4所示。将支柱的长度加大,使其在非工作状态下就有一定的预应力。当处于工作状态时,由于杠杆施加给制动梁的制动力方向与预应力的方向相反,使得制动梁的工况得到合理的改善。改进后制动梁的工况分析:在非工作状态,制动梁的闸瓦不与轮对接触,此时制动梁撑杆仅受支柱的预应力,由于预应力的方向和大小不变,其破坏方式基本为蠕变,对撑杆的破坏力很小,如图5所示。在工作状态下,制动梁的闸瓦与轮对紧密接触,制动梁梁体本身发生了一定的弹性形变。此时,制动力被反作用施加到制动梁体上,此时的工况对制动梁的破坏性最大,但改进后撑杆的附加应力,特别是固支梁处(即撑杆在端口的部位)的弯曲应力变得较小,使得抗交变应力的相对疲劳强度增加,进而提高其疲劳寿命,工作状态下梁体的状态如图6所示。3调整和减弱中心偏重板的确定综上所述,对L-C组合制动梁的原设计方案做如下的修改建议:(1)仅仅由于看到撑杆断裂失效的现象而盲目加大尺寸提高强度而导致刚度增加的做法是不明智的;在保证撑杆强度不变的状况下,通过减小撑杆截面的惯性矩,减小其刚度。改善梁体各部件的受力状态,使制动梁的撑杆和弓形梁共同承担总的制动力才是合理的做法。对于L-C组合式制动梁来说,在不减小强度的情况下,通过调整和减小内外径来改变惯性矩,增加撑杆同等受力状态下的挠度是合理的。(2)支柱的轴向长度由原来的310mm改为312mm,目的是增加非工作状态的静态预紧力,以此来降低在工作位置时撑杆受力的最大值,减小动载荷造成的撑杆端头处疲劳失效。(3)弓形杆的夹角由原来的130°改为131°。目的是改善弓形杆在工作状态时的受力状况。(4)闸瓦托与端头配合面的粗糙度均改为Ra6.4,且配合面应为小过盈