鐵路客車牽引梁工藝簡介及結(jié)構(gòu)分析
文／魯萬彪，竺星星，姚光虎，范欽磊，謝紹興，潘永剛·中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司
車體鋼結(jié)構(gòu)是列車的一個(gè)重要組成部分，而牽引梁是車體鋼結(jié)構(gòu)的重要組成部分，車體在運(yùn)行過程中，牽引梁不但要把牽引力和制動力傳遞給車鉤，而且還要承受各種設(shè)備載荷以及牽引中水平縱向和橫向沖擊載荷的作用力，因此，牽引梁必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，保證列車運(yùn)行的安全性和平穩(wěn)性。
25G牽引梁結(jié)構(gòu)及工藝介紹
25G型車的牽引梁主要由兩根材料為Q235-B的30a型槽鋼及Q235-A的牽引梁下蓋板和09CuPCrNi牽引梁上蓋板組焊而成。其上蓋板厚6mm、寬490mm，下蓋板厚8mm、寬490mm。為了符合在牽引梁腹板間安裝車鉤緩沖裝置，兩槽鋼腹板間距為350mm，并將牽引梁端部的一段加高至454mm。此外，在兩根槽鋼之間加隔板、車鉤前后沖板座、放跳板、磨耗板等零部件組成了整個(gè)牽引梁結(jié)構(gòu)，端牽枕組裝時(shí)牽引梁大端與端梁焊接，小端與枕梁焊接。
由于牽引梁靠近端梁端，需加高到454mm，工藝上用半自動切割機(jī)將槽鋼切割成圖1中的1、2兩種形狀，將切割好的零件采用埋弧焊拼焊成如圖2所示，最后再進(jìn)行調(diào)修，使其滿足技術(shù)要求。
圖1 槽鋼切割形狀
圖2 牽引梁拼焊圖
25T牽引梁結(jié)構(gòu)及工藝介紹
25T型車的牽引梁主要由兩根材料為Q345-E的槽鋼和Q345-E的牽引梁下蓋板及09CuPCrNi的牽引梁上蓋板組焊而成。兩個(gè)槽鋼與端梁焊接端的高度為458mm，與枕梁焊接端的高度為300mm，翼面高度為90mm，板厚8mm。上蓋板厚4mm、寬560mm，下蓋板厚6mm、寬560mm。為了符合在牽引梁腹板間安裝車鉤緩沖裝置，兩槽鋼腹板間距為440mm，為了能使車鉤左右轉(zhuǎn)動，將牽引梁安裝車鉤處端部開成喇叭口形狀，端部寬度為798mm。此外，在兩根槽鋼之間加隔板、車鉤安裝座零部件組成了整個(gè)牽引梁結(jié)構(gòu)，牽引梁結(jié)構(gòu)如圖3所示（為了便于看清里面結(jié)構(gòu)，取掉了上蓋板）。
圖3 25T牽引梁結(jié)構(gòu)圖
在制造過程中兩根槽鋼采用型鋼比較難成形，具體工藝過程如下：
激光下料
激光切割是利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達(dá)到燃點(diǎn)，同時(shí)借助與光束同軸的高速氣流吹出熔融物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)將工件割開。
由于牽引梁槽鋼折彎比較復(fù)雜，為了便于折彎，因此在工藝上采用板材先分段折彎后焊接的形式制造，孔徑不大于14mm如圖4所示。下料完成后，對主板進(jìn)行校平，滿足1mm/m的平面度要求，并檢驗(yàn)外形尺寸。
圖4 25T牽引梁切割下料
折彎
折彎時(shí)折彎順序很重要，如順序不對會導(dǎo)致零件無法成形。牽引梁成形比較復(fù)雜，折彎順序如圖5所示，從1號邊開始折彎，依次折2、3、4、5號邊。翼面折彎角度偏差均為：90°（0，-0.6°）。Q345-E材質(zhì)的沖壓性能不是很好，在折彎時(shí)需通過擴(kuò)大折彎半徑來減少開裂，采用R15mm折彎半徑。將折好的牽引梁，在平臺上適當(dāng)增加喇叭口折彎角度，預(yù)留焊接收縮量，預(yù)留收縮量1～2mm。下翼面1和下翼面2之間的缺料可用100mm長補(bǔ)板拼焊。
圖5 25T牽引梁折彎展開圖
焊接
將折彎成形的槽鋼的翼面連接處進(jìn)行焊接，焊接前需在焊接處開坡口，以保證實(shí)現(xiàn)雙面焊。工藝孔不需要焊接，施焊前清理施焊部位及兩側(cè)各20mm范圍內(nèi)水分、鐵銹、油污等雜物后才可以焊接。如圖6所示在主平面與折彎面之間點(diǎn)焊2個(gè)支架控制1號位兩處焊接成形后的焊接收縮。3號位增加一塊補(bǔ)板焊接。焊接下翼面焊縫時(shí)，將上翼面平放于平臺上進(jìn)行焊接。在焊接3號位補(bǔ)板時(shí)，為防止焊接時(shí)將補(bǔ)板拉歪，應(yīng)在補(bǔ)板與主面板間點(diǎn)焊一塊支撐板，控制其在焊接時(shí)的垂直度，焊接示意圖如圖7所示。
先焊3號位補(bǔ)板長度方向焊縫，再焊接寬度方向焊縫。然后焊接2號位、1號位焊縫。焊后需打磨、清渣、調(diào)校，使其滿足技術(shù)要求。
圖6 25T牽引梁組焊圖
圖7 補(bǔ)板與主板面之間的支撐板
25T牽引梁展望
隨著鐵路運(yùn)輸?shù)牟粩喟l(fā)展，人們對舒適度、環(huán)境等有了更高的要求，牽引梁下的吊掛件數(shù)量也不斷增多，牽引梁的強(qiáng)度方面也得有所提高。目前再增加牽引梁強(qiáng)度方面有兩種不同的方案，即增加上下蓋板厚度、增加槽鋼厚度兩種方案。
本人對兩種方案利用I-DEAS軟件進(jìn)行了有限元分析，對兩種方案及原方案做了如下對比。
建立牽引梁計(jì)算模型
在建立計(jì)算模型時(shí)做了必要的簡化。任何構(gòu)件和零部件都是三維的，但是當(dāng)某一個(gè)方向或某兩個(gè)方向的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他方向的尺寸時(shí)，就可以簡化為板或梁，這種簡化稱為降維。牽引梁計(jì)算模型完全按照真實(shí)結(jié)構(gòu)簡化為板殼單元，這種簡化模型不僅能代表原結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，而且大大減小了解題規(guī)模，為后期分析計(jì)算提供了方便和可靠度，其計(jì)算模型如圖8所示。
圖8 牽引梁計(jì)算模型圖
牽引梁劃分網(wǎng)格
用于劃分網(wǎng)格的幾何形狀幾乎從設(shè)計(jì)圖中各處板厚的中面提取，上蓋板、下蓋板、槽型梁等均用相對等厚度的薄殼單元，在劃分網(wǎng)格時(shí)原方案為上蓋板厚4mm、下蓋板厚6mm、兩根槽型梁厚8mm；第一方案是將上蓋板厚改為6mm、下蓋板厚改為8mm：第二方案是將兩根槽型梁厚改為10mm；兩種方案增加的重量相差不多。有限元模型如圖9所示。
圖9 牽引梁有限元模型
牽引梁的材料特性
車體材料的彈性模量為E=2.1×105MPa；泊松比μ=0.3；密度ρ=7.82×10-6kg/mm3。
牽引梁的載荷處理
為了便于計(jì)算將牽引梁的兩端簡化為完全剛性約束，在橫梁焊接位置處分別施加4000N以模擬牽引梁下的吊掛件的重量。
有限元分析
計(jì)算結(jié)果顯示兩種方案與原方案相對比，最大應(yīng)力明顯下降，三種方案的應(yīng)力分布如圖10所示。
從圖10中顯示結(jié)果可以看出，當(dāng)增加牽引梁上下蓋板厚度時(shí)的最大應(yīng)力比增加槽鋼厚度后的最大應(yīng)力小。因此，增加牽引梁上下蓋板厚度的方案比增加槽鋼厚度的方案更滿足強(qiáng)度要求。
從工藝角度出發(fā)，由于槽鋼需要折彎，當(dāng)采用增加槽鋼厚度時(shí)，對折彎機(jī)的噸位要求比較高，最小需要520t的折彎機(jī)，普通的折彎機(jī)比較難以進(jìn)行折彎成形。而下蓋板為壓型成形，對噸位要求比較低，最小需要300t的壓型機(jī)，所以比較容易成形。
圖10 三種方案的牽引梁應(yīng)力分布圖
綜上所述，增加牽引梁上下蓋板厚度的方案，強(qiáng)度更滿足要求，工藝性更好。
結(jié)束語
本文通過對25G型車和25T型車牽引梁的結(jié)構(gòu)和制造工藝的介紹。以25T型車為基礎(chǔ)，通過增加上下蓋板厚度和增加槽鋼板厚進(jìn)行了強(qiáng)度和制造工藝分析，結(jié)果表明：在兩種方案增加的重量相差不多的情況下，增加上下蓋板厚度對提高牽引梁強(qiáng)度效果最佳；從制造工藝角度考慮增加上下蓋板厚度的工藝性更好。
——節(jié)選自《鈑金與制作》 2018年第1期
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