鐵路貨車中梁焊接收縮量及撓度的分析與研究

袁 寧 戴鴻雁 陳 榮

（南車長江車輛有限公司工藝研究所，武漢 430212）

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鐵路貨車中梁焊接收縮量及撓度的分析與研究

袁 寧 戴鴻雁 陳 榮

（南車長江車輛有限公司工藝研究所，武漢 430212）

摘 要：本文結(jié)合鐵路貨車中梁制造過程中焊接收縮量及撓度的實際變化情況，對中梁焊接收縮量及撓度的變化趨勢進行理論分析，研究出了一種鐵路貨車常見結(jié)構(gòu)的中梁焊接收縮量及撓度工藝參數(shù)的計算方法，從而統(tǒng)一了相關(guān)工藝文件中工藝參數(shù)的確定方法，并對計算結(jié)果的可行性進行理論分析。實踐證明，結(jié)果可行。

關(guān)鍵詞：中梁 撓度 收縮量

目前，鐵路貨車中梁制造的工藝文件中，涉及焊接收縮量[1]及撓度[2]等需要過程控制的工藝參數(shù)存在一些問題，技術(shù)人員對這些參數(shù)的確定方法和檢查標準有著不同的理解，且同一個工藝文件中的相同參數(shù)也會出現(xiàn)前后不一的現(xiàn)象。這主要表現(xiàn)在四個方面：第一，沒有通過分析確定工藝參數(shù)，而是直接引用圖樣參數(shù)；第二，同類型車輛的參數(shù)設(shè)置不盡相同；第三，同樣的檢查項點在不同文件中重復(fù)出現(xiàn)；第四，工藝參數(shù)的前后關(guān)系不匹配。

上述問題還會出現(xiàn)在底架組成這種工序過程較多且需要確定工藝過程參數(shù)的文件中。本文針對中梁焊接收縮量及撓度等工藝參數(shù)的確定進行理論分析，明確基本規(guī)范。

1 基本原則

中梁收縮量主要發(fā)生在長度方向。該方向上的主要工藝過程參數(shù)有定距[3]和切頭長度。定距可以確定中梁中心線，同時也就確定了其他配件組裝的定位基準。因此，它是一個關(guān)鍵工藝參數(shù)。在確定收縮量的過程中，本文考慮了底架結(jié)構(gòu)組焊時的焊接收縮預(yù)留量，尤其是底架上有縱向長大焊縫（如鐵地板）時的情況。但是，為了簡化收縮量參數(shù)的確定，本文側(cè)重考慮縱向長大焊縫的影響，而忽略牽引梁部分的收縮量。

中梁焊接收縮量及撓度會隨著工序的進展發(fā)生匹配關(guān)系。因此，中梁收縮量及撓度可以分為以下幾種情況進行分析確定。

（1）根據(jù)常用的中梁結(jié)構(gòu)形式，中梁可以分為乙字鋼中梁、型鋼中梁以及板結(jié)構(gòu)中梁三種形式；

（2）腹板高度尺寸對焊接收縮量和撓度的影響較大，因此型鋼中梁和板結(jié)構(gòu)中梁按其腹板高度可分為小于400～500mm和大于500～600mm兩種情況。

2 中梁焊接收縮量理論分析

2.1 確定原則

根據(jù)GB/T5600鐵道貨車通用技術(shù)條件中的相關(guān)要求：底架長度尺寸極限偏差為長度基本尺寸的±0.80/00，那么定距尺寸可以近似為L±L×0.80/00（L為圖樣定距尺寸）。預(yù)放焊接收縮量很難獲得精確數(shù)據(jù)，因此本文充分利用標準所容許的底架長度公差范圍，將底架的允許公差放在收縮量考慮范圍內(nèi)，使預(yù)計收縮量的適應(yīng)范圍擴大±L×0.80/00，提高精度。

具有魚腹形式的中梁在制作魚腹時，需要初步估算收縮量以確定魚腹切割線，而其他形式的中梁一般在中梁內(nèi)縱焊（或點固）后才確定定距線，因此不需要考慮內(nèi)縱焊的焊接收縮因素。

表1 中梁焊接收縮量初值的計算方法

2.2 收縮量初值的計算

本文以乙字鋼中梁焊接收縮量為L×±10/00的經(jīng)驗值做基礎(chǔ)，確定中梁焊接收縮量的初值。初值的選取忽略了一些部件的焊接影響，如中梁的枕梁下蓋板、底板等部件。具體計算方法見表1。

將上述確定的收縮量初值加入定距尺寸的主體尺寸，作為定距工藝尺寸；將手工畫線可滿足的誤差，作為定距工藝尺寸確定的公差帶。那么，帶有焊接收縮量的定距工藝尺寸為L＋δ，公差為＋20，進而可以得出定距工藝尺寸的計算公式為：（L＋δ）＋20。將該定距工藝尺寸當作中梁制作過程中第一次確定定距時的工藝參數(shù)。例如：魚腹結(jié)構(gòu)的型鋼中梁或板材中梁單片梁確定魚腹切割線的工序；中梁組裝從板座和心盤座板時需要確定定位線的工序。

2.3 焊接收縮量的計算結(jié)果及分析

根據(jù)上述焊接收縮量的計算方法，對目前公司四種中梁形式的代表產(chǎn)品進行計算，計算結(jié)果見表2。

表2 中梁焊接收縮量的計算結(jié)果

由表2可知，車型為序號1的定距設(shè)計尺寸為12092～12108mm，可計算出當理論上允許的最大焊接收縮量為22mm，最小焊接收縮量為6mm時，便能夠滿足定距設(shè)計公差。而定距為12100mm的中梁，在焊接時產(chǎn)生的焊接收縮量大于6mm，證明其工藝定距的最小值適用。按照通常假定乙字鋼中梁焊接收縮量為每米收縮1mm的經(jīng)驗值計算，這里最多收縮12mm。因此，22mm的最大值大于假定值，且還留有10mm的收縮余量，用于彌補底架組焊時發(fā)生的焊接收縮（收縮量應(yīng)小于中梁焊接時的收縮值）。所以，其工藝定距的最大值同樣適用。

同上可得，序號為2、3、4的車型中梁計算理論最大焊接收縮量分別為21mm、35mm以及25mm，理論最小焊接收縮量分別為6mm、13mm以及5mm。由表2可知，該三種車型的工藝定距滿足理論值的要求。

由上述可知，采用表1方法計算出的收縮量，其最大值和最小值都滿足采用經(jīng)驗值方法確定的范圍和定距公差范圍。該方法充分利用公差范圍，擴大了經(jīng)驗值的適應(yīng)范圍，減小了經(jīng)驗值的風(fēng)險。而對魚腹結(jié)構(gòu)的單片梁，定距是在畫切割線時確定的。此時該工藝定距只作為確定切割線畫線的初值，在后續(xù)的中梁組裝時需要再次確定工藝定距。

2.4 工藝文件中定距尺寸的描述及檢查標準

隨著工序進展，焊接收縮量的變化趨勢呈非線性，難以精確確定。本文采用簡化方法來解決，即在編制中梁工藝文件時，只在需要確定定距線和檢查定距尺寸的文件中涉及定距尺寸。一般情況下，在中梁交驗和畫定距線的工藝文件中需要對定距進行標注和檢查，而在其他工藝文件中通常只涉及1、2位定距線，并不涉及定距的整體尺寸。因此，可用1、2位定距線或中梁中心線作為定位基準進行描述。

工藝定距的簡化方法遵循以下幾個原則。

（1）有魚腹結(jié)構(gòu)的型鋼或板材單片梁在畫魚腹切割線時的工序，在相關(guān)操作的描述和檢查卡片中采用工藝定距；

（2）中梁組裝<1＞，即組裝心盤座板以及前、后從板座時的工序，在相關(guān)操作描述和檢查卡片中采用工藝定距；

（3）在中梁交驗工序中，工藝定距的尺寸已經(jīng)發(fā)生部分收縮，剩余的焊接收縮量將預(yù)留在底架組裝時利用，但是剩余的收縮量難以精確確定。上文已闡述預(yù)放的收縮量以整車鋼架形成后的定距滿足要求為基礎(chǔ)，因此這里采用簡化方法確定中梁交驗檢查尺寸。底架有鐵地板時，將收縮量的初值在主尺寸中取；底架無鐵地板時，將預(yù)留收縮量在主尺寸中取，并且按照圖樣公差的一半標注公差。

3 中梁撓度尺寸的計算及分析

3.1 計算原則

影響中梁撓度的因素較多，如中梁結(jié)構(gòu)、長度、焊縫、腹板高度、底架及車體結(jié)構(gòu)等。這里同樣采取以乙字鋼中梁撓度的經(jīng)驗值為基礎(chǔ)的簡化方法，分別對不同結(jié)構(gòu)的中梁及底架對撓度產(chǎn)生的影響進行簡化區(qū)分。

通常，車體鋼架形成后要求底架具有4～14mm的上撓度。但是，目前中梁制成后的預(yù)撓度值不可能完全與鋼架組成后底架形成的撓度匹配。在附屬件組裝工裝、底架組裝工裝結(jié)構(gòu)上沒有進行撓度匹配的情況下，如果使中梁具備較大的上撓度，將會對底架組裝的精度和組裝過程產(chǎn)生負面影響。

中梁制造過程中，各工序撓度存在對應(yīng)的匹配關(guān)系。目前，工藝方法可進行中梁調(diào)矯來確定最終值。因此，中梁撓度在備料進行調(diào)梁時確定撓度初值，在調(diào)矯時確定撓度終值。例如：長度大于20m的乙字鋼結(jié)構(gòu)中梁只確定撓度初值和終值的參考值，板材中梁只確定撓度終值。

3.2 撓度值的計算

以乙字鋼中梁撓度為L×20/00的經(jīng)驗值作為基礎(chǔ)，根據(jù)不同的中梁結(jié)構(gòu)，本文延伸出調(diào)梁時的撓度初值σ以及中梁交驗時的撓度終值τ的計算方法，具體計算方法見表3。

其中，撓度值的公差設(shè)為＋30和0-3兩種情況。在定距長度小于13m時，取上差；定距長度大于13m時，取下差。

3.3 撓度值的計算結(jié)果及分析

目前，常見貨車車型中底架長度一般在12～20m，其相應(yīng)定距最小為7m，最大為15m。針對定距的最小值和最大值，采用表3方法計算出的撓度結(jié)果見表4。

表3 中梁撓度的計算方法

表4 中梁撓度的計算結(jié)果

表4中的計算方法由數(shù)據(jù)對比的方式確定。根據(jù)計算結(jié)果可知，由最長定距和最短定距計算出的撓度值與中梁長度、腹板高度以及縱焊縫結(jié)構(gòu)的影響趨勢相符合，接近經(jīng)驗值，且極限值基本滿足撓度范圍，中間值的確定也更為合理。對腹板高度在500～600mm范圍內(nèi)的中梁，調(diào)矯比較困難，但其具有撓度變化不明顯的特性。因此，計算出的數(shù)據(jù)較為接近所需數(shù)值，而其他中梁和底架撓度可在調(diào)校中進行修正。

3.4 工藝文件中撓度的描述及檢查標準

隨著工序進展，撓度的變化趨勢同樣呈非線性，難以精確確定。因此，本文采用簡化方法解決：在編制中梁工藝文件時，只在備料單片梁調(diào)梁和中梁調(diào)矯（交驗）的工藝文件中涉及撓度尺寸。對于長度大于20m的乙字鋼結(jié)構(gòu)，中梁撓度值在工藝文件的檢查標準中另說明為參考值，且主要檢查標準為中梁的扭曲和旁彎。

4 結(jié)論

本文通過對常見結(jié)構(gòu)的鐵路貨車中梁焊接收縮量及撓度的分析與研究，得出一種中梁焊接收縮量及撓度的計算方法，并利用該方法對目前公司四種中梁形式的代表產(chǎn)品進行計算。計算結(jié)果表明，該方法具有可行性與普遍適用性。利用該方法，在工藝參數(shù)確定時，可以準確有效地確定中梁定距以及中梁預(yù)撓度。

參考文獻

[1]趙加亮，宋華偉.預(yù)制鋼箱梁節(jié)段接口匹配工藝及接口環(huán)縫焊接變形的規(guī)律[J].鋼結(jié)構(gòu)，2010，（9）：62-65.

[2]劉保東，任紅偉，李鵬飛.考慮波紋鋼腹板箱梁特點的撓度分析[J].中國鐵道科學(xué)，2011，（3）：21-26.

[3]成百輛.一種節(jié)省材料的連續(xù)模定距方式[J].機械工人，2002，（6）：50-51.

Analysis and Research on Welding Shrinkage and Deflection of the Railroad Truck Centre Sill

YUAN Ning，DAI Hongyan，CHEN Rong
(CSR Yangtze Co.,Ltd.,The Railway Product Research Institute，Wuhan 430212)

Abstract:Coming with the change of welding shrinkage and deflection in the proces s of the railroad truck centre s ill manufacturing,the change tendency of deflection and the shrinkage of centre si ll welding are theoretical analyzed in this paper.Both the centre si ll welding shrinkage of a commo n structure railway truck and the calculation method of the technological parameter deflection are developed.Process parameters determination method in the related process files are unified.The feasibility of the calculation res ults are theoretical analyz ed,and the practice has proved that the result is feasible.

Key words:centre sill,deflection,shrinkage