重載貨車擺動(dòng)式轉(zhuǎn)向架制造工藝研究

胡宏偉

（南車長江車輛有限公司 工藝研究所，湖北武漢430212）

重載貨車擺動(dòng)式轉(zhuǎn)向架制造工藝研究

胡宏偉

（南車長江車輛有限公司 工藝研究所，湖北武漢430212）

根據(jù)新型重載貨車大軸重?cái)[動(dòng)式轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)該型轉(zhuǎn)向架的制造工藝進(jìn)行了分析，通過對(duì)制造難點(diǎn)及關(guān)鍵件進(jìn)行的仿真工藝分析，為試制及小批量生產(chǎn)制定了合理的工藝，經(jīng)過試生產(chǎn)對(duì)工藝的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。

大軸重；轉(zhuǎn)向架；制造工藝

根據(jù)《中長期鐵路網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃》，2020年前我國鐵路將陸續(xù)實(shí)行客貨分線運(yùn)輸，形成＂客運(yùn)高速、貨運(yùn)重載＂的戰(zhàn)略格局。大軸重?cái)[動(dòng)式轉(zhuǎn)向架就是為適應(yīng)這一形勢(shì)而為我國鐵路中南通道最新研發(fā)的一種重載貨車轉(zhuǎn)向架，軸重30 t。該轉(zhuǎn)向架采用我國現(xiàn)有擺動(dòng)式轉(zhuǎn)向架成熟技術(shù)，同時(shí)，在優(yōu)化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，一系采用軸箱彈性懸掛，有效地降低了轉(zhuǎn)向架簧下質(zhì)量，并實(shí)現(xiàn)了輪對(duì)的彈性定位；通過搖動(dòng)座、彈簧托板和軸箱彈簧實(shí)現(xiàn)側(cè)架可橫向擺動(dòng)，增強(qiáng)轉(zhuǎn)向架橫向柔性，低動(dòng)力、低磨耗特點(diǎn)顯著。該型轉(zhuǎn)向架主要由輪對(duì)、搖枕、側(cè)架、軸箱懸掛裝置、中央懸掛裝置、彈簧托板下擺動(dòng)裝置、DAB-1型集成制動(dòng)裝置、長行程彈性旁承等部分組成。

1 大軸重?cái)[動(dòng)式轉(zhuǎn)向架制造工藝及難點(diǎn)分析

1.1 主要結(jié)構(gòu)

大軸重?cái)[動(dòng)式轉(zhuǎn)向架沿用了我國傳統(tǒng)3大件擺動(dòng)式轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，但在搖枕、側(cè)架、彈簧托板等關(guān)鍵件的設(shè)計(jì)上采用了無焊接技術(shù)，降低了疲勞裂紋發(fā)生概率，提高了使用壽命，具體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 大軸重?cái)[動(dòng)式轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

1.2 結(jié)構(gòu)工藝性分析

（1）搖枕、側(cè)架

搖枕、側(cè)架均為典型的箱形結(jié)構(gòu)B＋級(jí)鋼鑄件，其橫截面為封閉的箱形截面。為有效降低簧下質(zhì)量，鑄件產(chǎn)品壁厚采取了不等厚設(shè)計(jì)，鑄件澆鑄工藝較為復(fù)雜。

（2）彈簧托板

彈簧托板采用下凹形無焊接結(jié)構(gòu)，取消了傳統(tǒng)彈簧托板上的焊接橫向止擋。由于彈簧托板板厚較厚，并且圓角半徑和板厚的比例接近2倍，整體一次冷壓成型，壓型后的尺寸、表面質(zhì)量、殘余應(yīng)力、裂紋狀況等難以控制。

（3）下擺動(dòng)裝置

下擺動(dòng)裝置主要由搖動(dòng)座、搖動(dòng)座支撐與彈簧托板組裝而成，其主要工藝與現(xiàn)有類似轉(zhuǎn)向架下擺動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)基本一致，工藝較成熟。

（4）軸箱懸掛裝置

軸箱懸掛裝置主要由軸箱橡膠墊、彈性剪切板、承載鞍等組成。軸箱懸掛裝置結(jié)構(gòu)簡單，裝配精度合理，組裝工藝簡便可靠。

（5）制動(dòng)裝置

因基礎(chǔ)制動(dòng)采用集成單元制動(dòng)裝置，其主要控制要點(diǎn)為制動(dòng)缸氣密性、閘調(diào)器性能、配件無錯(cuò)裝、漏裝等，組裝工藝較簡單。

（6）輪軸

輪對(duì)選用RF2型車軸和HFS型或HFZ型車輪壓裝而成。車軸材質(zhì)符合LZW鋼或LZ45Cr V鋼要求；車輪為LM型磨耗型踏面，材質(zhì)為CL70或ZL－C鋼。軸承選用352132A型滾動(dòng)軸承。車軸、車輪、軸承均為外購標(biāo)準(zhǔn)件，輪對(duì)工藝與執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)行工藝及標(biāo)準(zhǔn)基本一致。

（7）轉(zhuǎn)向架組裝

該轉(zhuǎn)向架與傳統(tǒng)的3大件擺動(dòng)式轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)基本相同，其總組裝工藝與現(xiàn)行工藝基本相同。

1.3 主要制造工藝流程

根據(jù)該型轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該型轉(zhuǎn)向架制造工藝主要流程如圖2。

圖2 工藝流程

1.4 制造難點(diǎn)

從上述結(jié)構(gòu)工藝性分析可知，該型轉(zhuǎn)向架制造主要有以下難點(diǎn)：

（1）搖枕、側(cè)架鑄件設(shè)計(jì)時(shí)采用了鑄件壁厚不均（最厚部位為35 mm，最薄部位約16 mm）的特點(diǎn)且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，搖枕、側(cè)架鑄造是該型轉(zhuǎn)向架的制造難點(diǎn)之一。

（2）由于彈簧托板采用下凹形無焊接結(jié)構(gòu)，且板厚較厚，圓角半徑和板厚的比例接近2倍，整體一次冷壓成型在壓型后的尺寸、表面質(zhì)量、殘余應(yīng)力、裂紋控制方面也是該型轉(zhuǎn)向架的制造難點(diǎn)之一。

2 制造難點(diǎn)工藝仿真分析

2.1 搖枕、側(cè)架鑄件鑄造仿真分析

現(xiàn)以搖枕為例做鑄造工藝仿真分析。搖枕為薄壁框架結(jié)構(gòu)件，由加強(qiáng)筋板形成內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，魚腹面和拉桿孔為重要部位，旁承盒、心盤面、彈簧面、拉桿孔、端頭及側(cè)面為裝配部位。根據(jù)鑄造壁厚不均的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有的裝備、人員情況，工藝采用一箱一件，外模采用潮膜沙工藝，砂芯采用三乙胺樹脂砂整體芯工藝，采用機(jī)器人自動(dòng)下芯，從側(cè)面分兩個(gè)內(nèi)澆道進(jìn)行澆注。

（1）鑄造數(shù)值模擬的前處理

網(wǎng)格劃分：搖枕先進(jìn)行三維造型，然后利用Meshcast進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分。有限元模型網(wǎng)格見圖3。

圖3 搖枕模型網(wǎng)格圖

熱固性和熱物性參數(shù)的設(shè)置：鑄件材質(zhì)為B＋級(jí)鋼，設(shè)置的一些參數(shù)包括：澆注溫度1 575℃；液相線溫度1 515℃；環(huán)境溫度25℃；鑄件與砂型的傳熱系數(shù)取為200 W/（m2·K）；澆注時(shí)間30 s。

（2）搖枕模擬結(jié)果及分析

流場（充型過程）：查看金屬液充型。可以對(duì)在實(shí)際生產(chǎn)中金屬液的流動(dòng)狀態(tài)有一個(gè)比較直觀的反映。合理的流動(dòng)狀態(tài)可以使金屬液中的雜質(zhì)快速上浮，避免裹氣，減少金屬液的氧化以及減弱金屬液對(duì)型壁的沖刷等。圖4是搖枕充型過程中不同時(shí)刻的充填順序分析結(jié)果。

由圖4、圖5可以看出，搖枕澆注系統(tǒng)設(shè)置在中部，金屬液進(jìn)入型腔后無飛濺，平穩(wěn)上升，易于鋼渣上浮。

溫度場（凝固過程）：查看鑄件溫度場，鑄件的溫度梯度以色標(biāo)的形式表現(xiàn)出來。圖6是搖枕凝固過程中不同時(shí)刻各部位溫度、凝固時(shí)間分析結(jié)果。

圖4 金屬液充型5 s

圖5 金屬液充型結(jié)束

圖6 凝固時(shí)間分布圖

由圖6、圖7、圖8、圖9可見，凝固順序?yàn)槔詈捅”诓糠窒饶蹋谋P面下面厚實(shí)部位和冒口最后凝固，心盤面相對(duì)于其他部位比較厚實(shí)，此處壁厚不均勻，冷卻收縮不一致，易產(chǎn)生縮松縮孔缺陷，搖枕A、B部位無縮松縮孔缺陷。

應(yīng)力場：鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，凝固時(shí)間、凝固順序不一樣，導(dǎo)致局部區(qū)域會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，通過工藝手段，控制凝固時(shí)間，可避免出現(xiàn)裂紋等缺陷。

圖7 固相分?jǐn)?shù)圖

圖8 縮松縮孔分布圖

圖9 A、B部位缺陷分布

由圖10可看出，搖枕拉筋、旁承盒、冒口根部應(yīng)力比較集中，易出現(xiàn)裂紋，在產(chǎn)品和工藝設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)化圓角部位的設(shè)計(jì)、采取激冷措施保證此處產(chǎn)品質(zhì)量。由圖11可看出，搖枕端面因先于其他部位凝固，此處易產(chǎn)生變形，單邊可設(shè)置1～1.5 mm反變形量來抵消凝固變形。

圖10 應(yīng)力分布圖

圖11 變形（5X）

（3）工藝分析與優(yōu)化

流場：流動(dòng)狀態(tài)在金屬液進(jìn)入到型腔內(nèi)初期（金屬液進(jìn)入到上型之前）存在較多渦流不利于雜質(zhì)上浮且易裹氣、吸氣，進(jìn)入到上型后，液面逐漸平穩(wěn)，內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)趨于緩和，雜質(zhì)上浮到表面；金屬液在型內(nèi)的流動(dòng)速度應(yīng)小于0.5 m/s，上表面流速一般應(yīng)在0.2～0.4 m/s之間。

溫度場：搖枕心盤面處的冒口起到一定的補(bǔ)縮作用，搖枕拉桿孔周圍區(qū)域有獨(dú)立液相區(qū)，凝固后出現(xiàn)縮孔缺陷，應(yīng)加大冒口或使用保溫冒口以擴(kuò)大冒口的熱影響區(qū)，實(shí)現(xiàn)順序凝固。

應(yīng)力場：搖枕工藝?yán)詈兔翱诟恳壮霈F(xiàn)裂紋，應(yīng)在拉筋周圍放置鉻鐵礦沙或冷鐵等措施，盡量與鑄件本體同時(shí)凝固，冒口根部做成圓角來避免出現(xiàn)裂紋。端頭在工藝設(shè)計(jì)時(shí)放1～1.5 mm反變形量保證產(chǎn)品尺寸。

2.2 彈簧托板工藝仿真分析

（1）彈簧托板成型、回彈仿真分析

選用板料沖壓仿真分析CAE技術(shù)，通過沖壓成型分析，能夠清晰的了解配件各部位的起皺情況、板厚變化情況、面內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變、材料流動(dòng)情況等。

通過回彈分析，能夠判斷各個(gè)部位回彈情況，通過分析各個(gè)部位回彈數(shù)據(jù)，指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)。

沖壓仿真參數(shù)：為盡量降低沖壓時(shí)動(dòng)態(tài)效應(yīng)，選取閉合速度v＝1 000 mm/s，沖壓速度v＝2 000 mm/s。模具閉合時(shí)的間隙選擇10%的板厚，摩擦系數(shù)選擇0.12。

（2）彈簧托板仿真工藝分析與優(yōu)化

從圖12成型極限中可發(fā)現(xiàn)，主次應(yīng)變坐標(biāo)值低于FLC曲線，故彈簧托板設(shè)計(jì)比較合理，不會(huì)出現(xiàn)破裂等失效問題。

從圖13板厚變化中發(fā)現(xiàn)，成型過程中板厚變化不大，板厚變薄率僅為5.3%，故不會(huì)出現(xiàn)板厚變薄太大的問題。

從圖14彈簧托板回彈仿真結(jié)果中可發(fā)現(xiàn)，回彈后兩端彈簧承臺(tái)面出現(xiàn)上拱。

從圖15縱向斷面圖發(fā)現(xiàn)，彈簧托板回彈后高度降低6 mm。

圖12 彈簧托板成型極限圖

圖13 彈簧托板厚度變薄圖

圖14 回彈變化圖

圖15 彈簧托板縱向斷面圖

由仿真工藝分析結(jié)果對(duì)制造工藝進(jìn)行優(yōu)化，壓型時(shí)在彈簧托板兩端彈簧承臺(tái)面（圖14深色部位）增加反變形鑲塊可以解決承臺(tái)面上拱的問題；由于在壓型后彈簧托板回彈后高度降低，故設(shè)計(jì)彈簧托板模具時(shí)必須將模具的相應(yīng)部位值高度增加6～8 mm，這樣回彈降低6 mm后可以得到準(zhǔn)確的尺寸。

3 試制與驗(yàn)證

通過對(duì)結(jié)構(gòu)工藝性分析和制造難點(diǎn)及關(guān)鍵件的工藝仿真分析，完善了制造工藝。從試制關(guān)鍵件考核結(jié)果來看，搖枕、側(cè)架滿足TB/T 1959－2006《鐵道貨車搖枕、側(cè)架靜載荷及疲勞試驗(yàn)》相關(guān)要求，同時(shí)，搖枕進(jìn)行的垂向靜載荷、橫向靜載荷全項(xiàng)試驗(yàn)均滿足要求。彈簧托板在循環(huán)次數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定200萬次疲勞可靠性試驗(yàn)后檢驗(yàn)合格無裂紋，其疲勞可靠性滿足設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)向架其他相關(guān)工藝的合理性均在試制中得到了驗(yàn)證。

4 結(jié)束語

采用工藝仿真分析手段對(duì)重載貨車大軸重轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵零部件及制造難點(diǎn)進(jìn)行工藝分析，有效地提高了工藝設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性，縮短了新產(chǎn)品的研發(fā)周期。重載貨車擺動(dòng)式轉(zhuǎn)向架制造工藝研究方法，對(duì)新型貨車轉(zhuǎn)向架的快速研發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

Research on Manufacturing Technology of Swing-type Heavy Axle Load Wagon Bogie

HU Hongwei
（CSR YANGTZE Co.，Ltd.，Wuhan 430212 Hubei，China）

Based on the characteristics of the swing-type bogie on new heavy axle load wagon，this paper analyzes the manufacturing technology aiming at formulating proper procedure for manufacturing in small-scale by simulating the manufacturing procedure，especially the difficult and key ones.And the result of the small-scale production will test the rationality of the procedure.

heavy axle load wagon；swing-type bogie；manufacturing procedure

U270.6

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.01.08

1008－7842（2014）01－0041－04

2—）男，高級(jí)工程師（

2013－09－17）