高速动车组转向架焊接构架变形预测与控制

高速动车组转向架焊接构架变形预测与控制

摘要：本文就转向架的构成进行了讨论，并且分析了转向架在焊接时产生变形的原因，介绍了常用的焊接变形预测方法以及控制焊接变形的措施。关键词：转向架；焊接变形；预测方法；举措1引言转向架是列车的重要部件，我国转向架的发展可分为常规列车阶段、准高速列车阶段、高速动车阶段。21世纪90年代，我国自主研发的转向架适用于行驶速度为200km/h的列车。之后，长春某企业吸收了日本的先进技术，研发出了CW-300型转向架。在吸收其他国家技术的同时，该企业也专注于自主研发，开发出了SW-220型转向架。此后，青岛某企业和西南交通大学基于SW-200型开发出了SW-300型，其适用于行驶速度达到350km/h的列车。转向架发生变形后，行车安全即会受到负面影响，因此，必须对转向架焊接构架的变形进行预测与控制。2转向架的组成高速动车组转向架由电车吊座、制动装置、齿轮箱、牵引拉杆、转臂定位装置、纵向连接梁、横梁、侧梁等部件组成。2.1横梁的架构进行横梁制造时通常采用无缝钢管。横梁斜上方位置安装了2个电机吊座、齿轮吊座，而接近横梁的部分安装了4个制动吊座。为减少自重以及便于吊座进行工作，于电机吊座的安装板设置圆形孔与长圆形孔。为其中1个电机吊座安装牵引装置，并且于其相对的另一侧安装齿轮箱吊座。为在故障状态下保护齿轮箱，避免齿轮箱受损，于其吊座下盖板安装安全档座及档销。2.2侧梁的架构侧梁为转向架的关键部件，且采用了焊接的方式进行制作，其主要部件为内部加强版、上盖板、下盖板以及内外立板。侧梁两侧的支撑结构为筒体结构，中间部分为圆孔，以便放置横梁的某一部分。侧梁外侧安装了空气弹簧，连体之内为空气弹簧性导筒，以便连接空气弹簧和气室。导筒和横梁相连，以便位于两端的空气弹簧室具有独立性、密封性。3转向架焊接产生变形的原因在焊接过程中，冷热交变循环无法避免，因此，必定会产生热应变以及塑性压缩。在某些时候，应变相互叠加，将产生较大的内力，使得组成转向架的各个部件发生弯曲、回转。按照变形出现的时间，焊接变形可分为瞬态热形变、残余变形，前者通常出现在焊接过程中，而后者通常出现在转向架工作的过程中。多种因素均会导致转向架在焊接过程中产生变形，而材料、焊接工艺、结构为主要因素。3.1材料材料的各项性质都会影响到焊接过程，令转向架的某些部件产生变形。其中，热传导系数和热膨胀系数为影响较大的物理性质。当热传导系数减小，温度梯度将变小，进而产生明显的变形。而热膨胀系数增大，变形也将愈发明显。3.2焊接工艺焊接工艺的内容包括工艺参数、焊接顺序、部件定位、焊接胎架、夹具应用、热输入量等。不同的选择对焊接的影响不同，某些时候，改变工艺参数或焊接顺序，将使得焊接变形的几率增加。3.3结构在材料、焊接工艺、结构这三类因素中，结构为最复杂、影响最大的因素。有学者的研究表明，如果提升焊接拘束度，残余应力将增大，而焊接变形的几率却将减小。焊接拘束度有两种，第一种为部件的拘束度，第二种为外界附加的拘束度。其中，部件的拘束度处于不断变化的状态。在较为复杂的情况下，拘束度对焊接变形的过程中产生极大影响，而随着复杂程度上升，拘束度也将上升。4转向架焊接构架变形的预测对于焊接变形的研究已持续多年，因此，国内外的研究人员已取得了许多成果。在本文中，笔者汇总了焊接变形的预测方法。4.1经验法上个世纪30年代，许多学者通过进行大量简单的试验得到经验公式以及数据曲线，然后预测焊缝的收缩量、角变形量。对于焊接变形，将其变形量和推导公式或数据曲线进行对比，分析某些参数之间的关系。由于涉及到的参数较多，且参数之间存在着复杂关系，必须考虑试验的成本、时间。在某些情况下，焊接过程相当复杂，不适合使用经验法，其只合适进行简单条件下的焊接变形预测。4.2解析法上个世纪50年代，一些学者开始研究解析法，其包含转位论、固有应变理论等，开发这一预测方法的代表人物为Fuqimodi、Wantadabe。经过其他学者的完善，该方法具有一定的实用性。然而，其过多考虑残余应变，且假设固定应变部分都具备弹性，将转向架各部件之间的数学关系理想化，因此，其只可用于预测某些部件的焊接变形。4.3数值模拟法该方法最初应用于对飞机结构矩阵的分析，之后，应用于汽车工业的分析之中。由于该方法的实用度、科学度较高，所以该方法的应用扩展到了多个领域。使用该方法时，首先要基于转向架的情况建立数学模型，并选择合适的算法，利用计算机进行模拟。该方法的核心是为抽取的模型找到对应的控制方程，其可对转向架构件内部的动态变化进行预测，帮助相关人员了解焊接情况，提升转向架焊接工作的质量。在通常情况下，其通常用于预测复杂条件下的焊接变形、焊接温度场变化、焊接残余应力变化。5控制转向架焊接变形的举措5.1选择合适的焊缝尺寸与形式当焊缝尺寸增加，焊接量也将增多，进而令焊接变形扩大。相关人员应在设计阶段准确计算焊缝尺寸，在确保结构承载性能的前提下选择较小的焊缝尺寸。对于承载性能较强的丁字接头以及十字街头，应在确保符合强度条件的情况下选择开坡口的焊缝。5.2选择合适的焊缝位置如果在某些部分设置焊缝，变形程度将上升。因此，必须选择合适的焊缝位置。在一般情况下，将焊缝设置于焊接结构截面的中轴或靠近中轴的部分较为合适。5.3使用预拉伸法在大多数时候，预拉伸法用于对薄板平面部件的焊接变形进行控制。在焊接工作开始前，将张力施加于焊工件上，或者进行预热，使得热膨胀量形成，之后进行焊接。焊接完成后，撤除张力或加热，使得平面部件恢复到原先的状态。该方法是减少焊接残余应力的有效方法，所以控制焊接变形的效果较为明显。5.4固定待焊接的部件利用夹具或刚性胎具将待焊接的部件固定，再进行焊接。由于待焊接部件被固定，所以角变形以及完全变形均被控制。因该方法的实用性强，所以许多焊接人员都应用该方法。6结语列车是我国的重要交通工具，而转向架涉及到行驶安全。并非所有转向架都适用于高速动车组，只有某些特定的转向架适用于高速动车组。如果使用发生变形的转向架，高速动车组中的人员安全将受到影响。在本文中，笔者讨论了转向架的组成，介绍了转向架焊接变形的原因、焊接变形的预测方法以及控制焊接变形的举措。Reference[1]李芾，安琪.国内外