鐵路客車(chē)牽引梁工藝簡(jiǎn)介及結構分析
文／魯萬(wàn)彪，竺星星，姚光虎，范欽磊，謝紹興，潘永剛·中車(chē)南京浦鎮車(chē)輛有限公司
車(chē)體鋼結構是列車(chē)的一個(gè)重要組成部分，而牽引梁是車(chē)體鋼結構的重要組成部分，車(chē)體在運行過(guò)程中，牽引梁不但要把牽引力和制動(dòng)力傳遞給車(chē)鉤，而且還要承受各種設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度和剛度，滿(mǎn)足相關(guān)技術(shù)標準的要求，保證列車(chē)運行的安全性和平穩性。
25G牽引梁結構及工藝介紹
25G型車(chē)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(chē)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(chē)鉤前后沖板座、放跳板、磨耗板等零部件組成了整個(gè)牽引梁結構，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(dòng)切割機將槽鋼切割成圖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)行調修，使其滿(mǎn)足技術(shù)要求。
圖1 槽鋼切割形狀
圖2 牽引梁拼焊圖
25T牽引梁結構及工藝介紹
25T型車(chē)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(chē)鉤緩沖裝置，兩槽鋼腹板間距為440mm，為了能使車(chē)鉤左右轉動(dòng)，將牽引梁安裝車(chē)鉤處端部開(kāi)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(chē)鉤安裝座零部件組成了整個(gè)牽引梁結構，牽引梁結構如圖3所示（為了便于看清里面結構，取掉了上蓋板）。
圖3 25T牽引梁結構圖
在制造過(guò)程中兩根槽鋼采用型鋼比較難成形，具體工藝過(guò)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)現將工件割開(kāi)。
由于牽引梁槽鋼折彎比較復雜，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(mǎn)足1mm/m的平面度要求，并檢驗外形尺寸。
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(huì )導致零件無(wú)法成形。牽引梁成形比較復雜，折彎順序如圖5所示，從1號邊開(kāi)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(guò)擴大折彎半徑來(lái)減少開(kāi)裂，采用R15mm折彎半徑。將折好的牽引梁，在平臺上適當增加喇叭口折彎角度，預留焊接收縮量，預留收縮量1～2mm。下翼面1和下翼面2之間的缺料可用100mm長(cháng)補板拼焊。
圖5 25T牽引梁折彎展開(kāi)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(kāi)坡口，以保證實(shí)現雙面焊。工藝孔不需要焊接，施焊前清理施焊部位及兩側各20mm范圍內水分、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號位補板時(shí)，為防止焊接時(shí)將補板拉歪，應在補板與主面板間點(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號位補板長(cháng)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、調校，使其滿(mǎn)足技術(shù)要求。
圖6 25T牽引梁組焊圖
圖7 補板與主板面之間的支撐板
25T牽引梁展望
隨著(zhù)鐵路運輸的不斷發(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量也不斷增多，牽引梁的強度方面也得有所提高。目前再增加牽引梁強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。
建立牽引梁計算模型
在建立計算模型時(shí)做了必要的簡(jiǎn)化。任何構件和零部件都是三維的，但是當某一個(gè)方向或某兩個(gè)方向的尺寸遠遠小于其他方向的尺寸時(shí)，就可以簡(jiǎn)化為板或梁，這種簡(jiǎn)化稱(chēng)為降維。牽引梁計算模型完全按照真實(shí)結構簡(jiǎn)化為板殼單元，這種簡(jiǎn)化模型不僅能代表原結構的力學(xué)特性，而且大大減小了解題規模，為后期分析計算提供了方便和可靠度，其計算模型如圖8所示。
圖8 牽引梁計算模型圖
牽引梁劃分網(wǎng)格
用于劃分網(wǎng)格的幾何形狀幾乎從設計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(chē)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
為了便于計算將牽引梁的兩端簡(jiǎn)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
計算結果顯示兩種方案與原方案相對比，最大應力明顯下降，三種方案的應力分布如圖10所示。
從圖10中顯示結果可以看出，當增加牽引梁上下蓋板厚度時(shí)的最大應力比增加槽鋼厚度后的最大應力小。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(mǎn)足強度要求。
從工藝角度出發(fā)，由于槽鋼需要折彎，當采用增加槽鋼厚度時(shí)，對折彎機的噸位要求比較高，最小需要520t的折彎機，普通的折彎機比較難以進(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，所以比較容易成形。
圖10 三種方案的牽引梁應力分布圖
綜上所述，增加牽引梁上下蓋板厚度的方案，強度更滿(mǎn)足要求，工藝性更好。
結束語(yǔ)
本文通過(guò)對25G型車(chē)和25T型車(chē)牽引梁的結構和制造工藝的介紹。以25T型車(chē)為基礎，通過(guò)增加上下蓋板厚度和增加槽鋼板厚進(jìn)行了強度和制造工藝分析，結果表明：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。
——節選自《鈑金與制作》 2018年第1期
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