CRH3型動車組鑄鋁枕梁國產化研究

（中車長春軌道客車股份有限公司轉向架研發部，130062，長春∥第一作者，工程師）

CRH3型動車組鑄鋁枕梁國產化研究

楊集友 王艷爽

（中車長春軌道客車股份有限公司轉向架研發部，130062，長春∥第一作者，工程師）

介紹了CRH3型動車組轉向架的鑄鋁枕梁國產化研制過程，并對其中關鍵技術進行了系統研究和分析，包括：采用仿真技術和有限元分析對枕梁結構進行設計，對24種載荷工況組合進行疲勞強度評估；對配料、造型等工藝和工序進行設計。通過疲勞試驗和線路運營考核驗證了鑄鋁枕梁國產化的可行性與可靠性。

動車組；轉向架；鑄鋁枕梁；國產化

Author′saddressCRRC Chanchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

枕梁作為大型承壓、受力鋁合金鑄件，受力嚴苛，內部質量要求高，制造難度大。受設備條件和技術難度限制，鑄鋁枕梁在國產化前，全部依靠國外進口，經濟成本較高，因此，鑄鋁枕梁的國產化工作，具有很高的經濟效益。

1 枕梁結構與技術指標

CRH3型動車組轉向架鑄鋁枕梁是轉向架與車體之間的過渡連接元件，負責傳遞車體和轉向架之間的各種力和力矩，同時，枕梁的內腔結構用于空氣彈簧系統的附加氣室。枕梁與車體通過緊固螺栓和定位裝置實現與轉向架的快速連接，其結構如圖1所示。

CRH3型動車組轉向架鑄鋁枕梁長3 068mm、寬1 315mm、厚230mm、凈質量580kg，屬于大型鋁合金鑄件。枕梁內部空腔結構作為空氣彈簧的貯氣室，會承受一定的工作壓力，故枕梁又屬于承壓鑄件。在運行過程中，枕梁還承受著車體重量，以及各種工況的交變載荷作用，所以枕梁也屬于受力鑄件。

圖1 鑄鋁枕梁結構示例

鑄鋁枕梁的關鍵技術指標如下：適應環境溫度－40℃～＋40℃；質量≤630kg；氣室容積約220 L；最大承壓16bar；使用壽命30年；材料及力學性能為ZL101AT6；內部質量為3級；內腔要求無塵、無雜質；鑄造公差等級為CT12。

除執行以上關鍵指標外，鑄鋁枕梁還需要通過氣密性、強度試驗等一系列檢測和試驗驗證。

2 結構設計與強度分析

2．1 結構設計

國產化鑄鋁枕梁外部接口需滿足CRH3型動車組既有接口，因此，外形結構需與裝車的進口枕梁完全一致，主體外形尺寸全部需要按照既有圖紙進行設計。

枕梁需根據氣室容積要求進行內部空腔設計，需根據受力情況進行內部空腔網格化設計，利用各網格間的連接內筋，保證枕梁主體承載力；同時內腔的設計還需考慮澆注、冷卻、清砂及清洗等制造工藝的合理性。因此，內部空腔設計需結合強度和制造工藝等多方面因素進行設計。可采用計算機鑄造模擬技術并結合有限元分析技術對枕梁內部空腔進行設計，其結構如圖2所示。

圖2 枕梁內部空腔結構

2．2 強度計算

參照國際鐵路聯盟（UIC）和歐盟（EN）標準，對枕梁進行靜強度和疲勞強度計算分析，其試驗載荷至少包括車體、抗側滾扭桿、橫向止擋、橫向減振器、抗蛇行減振器和牽引拉桿等產生的載荷。

根據動車組實際運營情況，對各種載荷進行工況組合，共有28種載荷工況組合，利用其中24種載荷工況組合對枕梁進行疲勞強度評估（見表1）。

通過計算，枕梁主體和內部空腔結構設計滿足要求，其靜強度計算應力小于材料的屈服強度，疲勞強度評估最小安全系數為2．23，疲勞強度滿足枕梁疲勞壽命要求（見圖3）。

表1 強度計算工況表

圖3 枕梁強度分析示意圖

3 制造工藝

鑄鋁枕梁各項性能指標要求較高，其中材料化學成分和機械性能要求詳見表2和表3。除表中給出的化學成分和機械性能指標外，鑄鋁枕梁內部質量要求高，個別部位要求缺陷等級為3級，同時表面質量要求也有嚴格標準。因此，在枕梁制造過程中，設計合適的工藝和工序至關重要，主要包括以下幾個方面。

表2 枕梁材料化學成分

表3 枕梁材料機械狀態

（1）配料工藝：首先對枕梁材料的化學成分進行分析，然后進行材料設計和鋁合金的熔煉分析，確定合適的鋁合金冶煉工藝。為達到指標要求，需要選擇優質鋁合金錠原料并研究其合適的熔煉工藝，包括配料、精煉、變質、除渣和除氣等工序。

（2）造型工藝：枕梁結構尺寸較大，且內部空腔結構復雜，因此需合理設計砂型和砂芯結構，選擇合適的造型、造芯材料，方可滿足枕梁表面質量要求；同時還需合理設計型腔結構、分型面、拔模斜度、澆道、排氣和補償孔、冷鐵及冒口等，以保證澆注與冷卻工序的可靠性，保證枕梁的鑄造質量（見圖4）。

（3）澆注與冷卻模擬：初期利用計算機模擬整個澆注和冷卻過程，分析流場、凝固順序和溫度場的變化，驗證造型的合理性，再進行逐步優化；然后進行試樣工程試驗，以驗證所設計的工藝；最后確定出一套合理的鑄造及熱處理工藝（見圖5）。

圖4 枕梁造型工藝圖示

圖5 計算機模擬鑄造過程示意圖

（4）清砂及焊接工藝：由于枕梁型腔結構復雜，且要求“枕梁的空腔區域不得有污物、加工屑和沙塵”，而普通的風鏟清砂和振動清砂難于清除干凈，因此，需將鑄件整體加熱，促使芯砂潰散，還需振動清砂后再采用壓縮空氣吹凈浮砂，最后用專用工業吸塵器做吸塵處理。清砂完成后，需對預留的清砂工藝孔進行堵焊。由于鋁合金焊接的特殊性，需合理設計焊接工藝，以保證焊接區域的總體性能。

（5）熱處理工藝：枕梁技術明確要求熱處理狀態為T6，因此，需選定合適的固熔及時效溫度和時間，以獲得合格的機械性能。由于枕梁結構較大，且型腔結構復雜，存在冷卻速度不均情況，故需制作特殊工裝，以保證熱處理過程及冷卻后變形量可控。

（6）其他工藝及相關檢測：除上述工藝以外，枕梁制造還涉及機加工、裝配、烘干和涂漆等工藝，均需制定合理的工藝流程。尤其在機加工工序中，需設計特殊工裝，保證加工屑不進入內腔，以及在烘干工序時保證內腔水汽徹底除盡，同時不可引起枕梁變形。為此，每一臺枕梁需進行表面全滲透檢測，內部射線檢測，最后還需進行內腔的氣密性檢測。

4 試驗驗證

4．1 疲勞試驗

為驗證國產化鑄鋁枕梁的強度可靠性，需對枕梁樣件進行靜強度及疲勞強度試驗。試驗結果表明，應力測試滿足要求，同時通過了1 000萬次循環載荷疲勞試驗（見圖6）。

圖6 國產化枕梁疲勞試驗實景圖

4．2 線路運營考核

按照相關標準及規范對枕梁進行30萬km的線路運營考核。考核期間對枕梁的各項功能狀態需進行定期監控，同時對枕梁的實際受力狀態進行測試（見圖7）。考核結果表明，國產化枕梁總體性能合格，應力測試合格，滿足動車組運營要求。

圖7 國產化枕梁線路考核前應力測試貼片實景圖

5 結語

通過對CRH3型動車組轉向架鑄鋁枕梁的結構、功能、技術要求、材料、制造等各關鍵技術的研究，并結合一系列的仿真分析和模擬計算，制定了鑄鋁枕梁的國產化實施方案，最終成功研制出了國產化鑄鋁枕梁。通過疲勞試驗和線路運營考核，驗證了國產化鑄鋁枕梁的可靠性和可用性。采用國產化枕梁替代進口產品，可以有效打破國外技術壟斷，降低動車組制造成本，同時提升國內鋁合金鑄造技術。

［1］ 田榮璋．鋁合金鑄造［M］．長沙：中南大學出版社，2006．

［2］ 中國國家標準化管理委員會．鑄造鋁合金：GB／T 1173—2013［S］．北京：中國標準出版社，2014．

Localization of the Casting Aluminum Bolster for CRH3Series EMU

YANG Jiyou，WANG Yanshuang

The whole localization process of the aluminum bolster of CRH3 series EMU is introduced，some key technologies are studied and analyzed，including the simulation technology and the design of bolster structure based on finit element analysis．According to24loading conditions，the fatigue strength is evaluated for the design of batching，modeling process and working procedure．The feasibility and reliability of the casting aluminum bolster are verified by fatigue strength evaluation and practical line operation．

electric multiple unit（EMU）；bogie；cast aluminum bolster；localization

U270．33

10．16037／j．1007－869x．2017．02．023

2016－09－15）