關于軌道交通用定位轉臂延壽提質的技術研究

謝祥

摘 要：“軌道交通用定位轉臂延壽提質技術開發”主要依托金屬構件輕量化設計與近凈金屬成形精密制造領域取得的研究成果作為技術基礎，結合中國中車在軌道交通用定位轉臂高精密加工中的現實需求，“軌道交通用定位轉臂延壽提質技術開發”，通過開發定位轉臂產品結構優化技術、定位轉臂產品延壽技術、開發工序能力提升與保障技術等，實現對于定位轉臂的精加工，最終實現提高定位轉臂產品疲勞壽命5%、降低定位轉臂產品廢品率至2%以下;滿足我國軌道交通尤其是高速鐵路需求。

關鍵詞：軌道交通;定位轉臂;延壽提質

1軌道交通用定位轉臂延壽提質技術開發研究依據

1.1項目國內外科技創新發展概況

鐵路軌道交通設備中，要通過轉向架解決在高速運行時車輛的平穩性、穩定性及安全性。鐵路車輛運行性能主要取決于其轉向架，構架作為轉向架的最核心部件，是承載和傳力的基體，是轉向架眾多零部件連結的主體骨架，它不僅將轉向架的各零部件連接成一個整體，同時還承受和傳遞各種作用力，其結構、形狀和尺寸大小都應該滿足各零部件的組裝要求，因此其質量對轉向架性能影響很大。動車組轉向架構架目前均采用全焊接結構的H型構架，其結構的主體部分基本相似，主要由側梁、橫梁以及各種吊座（鍛件）組成，側梁、橫梁也都采用鋼板焊接的箱型結構。

構架與軸箱定位的連接方式大多采用轉臂節點方式，通過連接塊將軸箱節點固定在構架上的轉臂定位座內來限制自由度，進而起到定位的作用。隨著動車組運行速度的提高，動車組各部件的服役環境越來越惡劣，軸箱作為動車組承載的重要部件，其安全性和可靠性受到越來越多的重視，對于影響軸箱體安裝的關鍵部位（轉臂定位座）技術要求很嚴，因此構架上安裝軸箱體的轉臂定位座通常要求精加工來完成。

1.2項目研究的目的、意義

本項目“軌道交通用定位轉臂延壽提質技術開發”，通過開發定位轉臂產品結構優化技術、定位轉臂產品延壽技術、開發工序能力提升與保障技術等，實現對于定位轉臂的精加工，最終實現提高定位轉臂產品疲勞壽命5%、降低定位轉臂產品廢品率至2%以下;滿足我國軌道交通尤其是高速鐵路需求。

1.3項目同類技術或產品國內外競爭情況及產業化前景

定位轉臂是連接輪對軸箱和構架裝置的關鍵部件。目前，轉向架所用定位轉臂多為分體式結構，主要包括定位轉臂、軸箱體及夾緊箍等部分，分體結構的缺點是簧下質量較重，構成零件較多，分解組裝工藝復雜，耗費大量人力物力，生產效率低下。其次，是當前加工精度還不能滿足軌道交通尤其是高速鐵路的需求。

機車零部件是構成鐵路機車配件加工整體的各單元及服務于鐵路機車配件加工的產品，其主要可以分成牽引和制動系統、轉向架、自動防護系統、自動駕駛系統、車門和軸承等細分領域。機車零部件作為軌道交通制造業的基礎，是支撐行業持續健康發展的必要因素。

根據國家統計局數據顯示，2015-2020年，我國機車零配件行業市場規模整體呈波動趨勢。2019年，我國軌道機車零部件銷售收入約為1238.56億元，同比上升20%。經過初步預測，2020年我國軌道機車零部件銷售收入約為1336億元。

根據2020年8月發布的《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》，到2035年，全國鐵路網運營里程達到20萬公里左右，其中高鐵7萬公里左右。20萬人口以上城市實現鐵路覆蓋，50萬人口以上城市高鐵通達。綱要明確，未來將統籌推進高鐵主通道及普速鐵路通道建設，普速鐵路基本覆蓋縣級以上行政區。到2050年，全面建成更高水平的現代化鐵路強國，全面服務和保障社會主義現代化強國建設。

因此，2021-2026年，中國機車零部件市場規模呈現逐漸上升的趨勢。在交通強國為目標的大背景下，軌道交通行業將達到迅速發展，相應地，作為軌道交通行業的上游，機車零部件行業也將得到迅猛發展。

2軌道交通用定位轉臂延壽提質技術開發項目主要研究內容

2.1主要研發內容和要重點解決的關鍵技術問題

本項目“軌道交通用定位轉臂延壽提質技術開發”，通過開發定位轉臂產品結構優化技術、定位轉臂產品延壽技術、開發工序能力提升與保障技術等，實現對于定位轉臂的精加工，最終實現提高定位轉臂產品疲勞壽命5%、降低定位轉臂產品廢品率至2%以下;滿足我國軌道交通尤其是高速鐵路需求。

2.1.1主要研發內容

1）開發定位轉臂產品結構優化技術。

2）開發定位轉臂產品延壽技術。

3）研發測量加工件沿層深方向的應力分布，開發工序能力提升與保障技術。

4）研發熱控鑄造技術，提供選材依據。

2.1.2要重點解決的關鍵技術問題

1）回火

轉向臂軸是轉向系統的重要零件，用來傳遞轉向力矩，根據其使用工況和服役條件，要求進行滲碳處理，解決齒面點蝕或斷齒問題。而滲碳處理過程中會帶來在螺紋處和圓角處產生淬火裂紋及延遲裂紋，導致在使用中出現在螺紋處發生斷裂。在制造過程中要求及時在螺紋尾部進行回火處理，消除延遲裂紋，保證零件質量。

研究回火技術：將需回火的羅紋端朝上放置在淬火機床的上下頂尖之間夾緊;按下啟動按鈕，工件開始旋轉開始加熱，加熱的全過程軸向保護噴水盒持續噴水，延時時間到停止噴水;即停止旋轉，感應器上升到原位;將零件取下完成回火。是滿足了零件的感應加熱回火質量及使用性能;感應器的結構簡單，工藝時間短，生產效率高，節約能源工藝成本低;采用間歇式加熱方式，通過熱傳導的效果，使C點圓角處的回火溫度達到工藝要求，硬度降低到45HRC以下，其它部位在20HRC以上。

2）應力釋放槽

從定位轉臂的結構特點出發，設計應力釋放槽，將定位轉臂上的應力引流到傾斜式應力釋放槽。減小將定位轉臂的應力，大幅度提高將定位轉臂承受扭矩的能力，從而延長將定位轉臂的使用壽命。04447A44-78DA-4B5F-9386-38AC4853D9C3

3）振動去應力

材料中難免存在殘余應力問題，可能導致尺寸不穩定及開裂破壞等，一直被視為是一種缺陷。因此，消除殘余應力是機械加工業一項十分重要的任務。傳統的消除應力方法是對材料進行加熱退火處理，即把材料加熱到相變溫度以下的高溫狀態，從而導致材料中殘余應力的釋放。在材料加熱退火過程中，通常要發生應力熱松弛過程，殘余應力的降低遵循熱力學規律，降低的程度主要與加熱溫度和時間等因素有關。傳統加熱退火方法的去應力效果比較明顯并且應用廣泛，缺點是由于加熱溫度較高以及加熱時間過長，會導致材料表面氧化現象，改變材料的微觀組織結構及性能，甚至可能因材料受熱不均而導致開裂或在冷卻過程中產生新的殘余應力。另一種常見的去應力方法就是振動去應力法，即通過機械振動的方法來去除材料中的殘余應力。

擬采用一種金屬材料加熱與振動聯合去應力方法，使其將加熱退火方法與振動去應力方法聯合，在材料加熱狀態下進行振動即加熱與振動聯合處理，可以最大程度地降低材料中的殘余應力，并且可以避免振動過程中材料自開裂。

材料加熱溫度及加熱方式：鋼鐵材料的加熱與振動聯合處理的加熱溫度小于再結晶溫度，即小于等于500℃，大型構件可對存在殘余應力的區域進行局部加熱，如采用煤氣烘烤對存在殘余應力的區域進行局部加熱。其工作原理是，鋼鐵材料的加熱退火溫度可分為再結晶退火、完全退火、球化退火及去應力退火，其中去應力退火溫度較低。只有在較低加熱溫度下，材料組織結構及性能才不會發生明顯變化。如果采用較高的加熱退火溫度，雖然去應力比較徹底，但可能造成材料微觀組織結構及性能發生變化，這是單純采用加熱退火去應力工藝的缺點。利用熱作用消除殘余應力，從宏觀上可解釋為應力的熱松弛現象，在高溫狀態下材料局部區域因熱塑性變形而導致應力松弛，達到消除殘余應力的作用。從微觀的角度講，高溫狀態下材料中原子必然發生擴散及位移的過程，使得微觀應力下降，同時還促進材料宏觀的塑性變形，使其宏觀應力下降。對于一些大型結構件，由于整體退火十分困難，可對存在殘余應力的區域進行局部加熱退火，使應力幅度下降，以減小在這些區域出現開裂危險性。另一方面，材料在高溫狀態下，其塑性會得到明顯改善，可以有效避免材料在振動處理過程中發生自開裂。

材料振動頻率及振幅：選擇材料的共振頻率及共振振幅，對材料施加交替的循環載荷，能夠使材料存在殘余應力區域的局部循環載荷超過其屈服強度。具體是：利用激振器并選擇材料的共振頻率及共振振幅，所施加的循環載荷能夠使材料存在殘余應力的區域發生塑性變形。其工作原理是，采用室溫振動去應力方法，雖然不會影響材料的組織結構及性能，但殘余應力降低幅度卻有限，而且循環應力可能導致材料自開裂。如果采用加熱與振動聯合去應力方法，可以充分發揮二者的優勢，不但能夠有效地降低材料中殘余應力，而且又能有效避免在材料振動過程中出現自開裂現象。在加熱狀態下進行振動處理，材料在激振器的作用下發生強迫振動，通過檢振器測量振幅的大小，通過改變激振頻率，直到材料發生共振現象。這種振動從宏觀上講是對材料施加一種循環機械載荷作用，從微觀上講是提高材料原子的動能，因而它又與熱作用類似。由于材料發生了強迫共振，局部區域的循環載荷超過材料的屈服強度，使殘余應力得以釋放。此外，由于大量塑性變形而使材料被強化，即在殘余應力明顯下降的同時，還可提高材料的抗變形能力。如果采用局部加熱與振動的聯合處理方法，可以在任何場地上進行現場去應力處理操作，不受實際構件大小和材料種類的限制，大到幾十噸的構件都可采用這種去應力方法，消除殘余應力的效果仍然比較明顯。

材料加熱與振動時間：選擇加熱與振動聯合處理的時間，與純機械振動處理時間相同，即小于等于30分鐘。其工作原理是，在加熱與振動聯合去應力方法中，是將材料高殘余應力區域預熱并進行振動處理，借助熱效應與機械效應的共同作用來消除殘余應力。其中加熱去應力是一種熱力學過程，去應力程度與時間呈冪指數關系，隨著時間的延長，消除應力的程度逐漸不明顯，但總是保持單調下降的趨勢。常規室溫振動去應力的時間為10-30分鐘，即使是延長振動時間，其消除應力的效果不會再有明顯的改善，最終材料平均殘余應力消除程度不會超過初始應力的50%。加熱與振動聯合去應力方法，由于綜合了熱效應與機械效應的優點，在常規振動處理時間即10-30分鐘之內，可以明顯地消除殘余應力。如果延長處理的時間，則消除應力的效果更為顯著，但處理時間過長則可能改變材料的微觀組織結構，從而導致材料的劣化。

2.2項目技術路線、技術方案

2.2.1技術路線

1）應用大型有限元軟件ANSYS，建立定位轉臂三維模型，基于定位轉臂模態和靜力學分析，建立面向承載截面最小應力目標的拓撲優化模型，優化定位轉臂產品結構;

首先，應用大型有限元軟件ANSYS對轉向架構架定位臂進行有限元分析，結合實際應用情況，找到結構疲勞部位。其次，根據定位臂結構特點，提出了改進方案并通過有限元程序進行比較計算。再次，對定位臂補強時的焊接變形及采取的防變形措施進行研究。最后，通過在線路對定位臂進行動應力測試，比較分析改進前后定位臂的疲勞強度和壽命。

2）基于典型工況載荷譜構建定位轉臂動力學分布云圖，運用FE-SAFE建立定位轉臂疲勞壽命分布云圖，獲取高疲勞壽命結構特征，提高定位轉臂使用壽命;

3）運用鑄造仿真軟件Pro-CAST，建立不同材料鑄件溫度應力分布云圖，針對不同鑄件材料開發降低鑄件熱應力的熱控鑄造技術，為甲方提供材料選擇建議;

4）利用X射線衍射法測量加工件沿層深方向的應力分布，開發基于工序的連續應力監測技術和系統，掌握加工應力的分布與釋放規律，獲得解決加工變形的方法和手段，解決異形金屬鑄件在金屬加工過程，由內應力造成零件變形的問題，降低產品加工工藝的廢品率。

5）應用軟件ANSYS建模，模擬產品應用狀況，優化產品結構;從實際加工工序開始，每一工步完成后，零件內部的應力情況分析和實際測量，獲得真實的應力分布情況。

2.2.2技術方案

定位轉臂加工工藝說明如表1：

1）定位轉臂毛坯加工前須回火時效，充分去除內應力，防止加工變形。

2）定位轉臂先加工大孔應力槽，釋放大孔內應力。

3）加工大孔應力槽后，振動去應力。

4）加工工藝安排，先加工大孔頂面及四個φ18孔，下兩道工序均以頂面及兩φ18孔定位加工。

3項目的特色和創新之處

（1）從定位轉臂的結構特點出發，設計應力釋放槽，將定位轉臂上的應力引流到傾斜式應力釋放槽。減小將定位轉臂的應力，大幅度提高將定位轉臂承受扭矩的能力，從而延長將定位轉臂的使用壽命。

（2）采用金屬材料加熱與振動聯合去應力方法，在材料加熱狀態下進行振動處理即將加熱退火方法與振動去應力方法聯合，可以最大程度地降低材料中的殘余應力，并且避免材料振動處理過程中出現自開裂。

（3）研究設計一種鏜孔定位裝置。可通過側端夾緊裝置、縱向定位裝置、中部壓緊裝置、可調定位裝置，以及橫向定位裝置和斜面定位裝置，從上下、前后、左右的不同角度對轉臂進行固定，使轉臂在鏜孔時不會發生任何偏動，保證了鏜孔效果和加工的精確度.

（4）研究開發一種轉臂定位座加工工藝，實現在不增加新設備和工裝夾具的情況下，就在原有的設備和加工條件下，對現有的刀具進行改進、優化加工工藝。使原轉臂定位座的加工效率低下、產品加工質量不穩定的情況變得加工效率高、產品加工質量合格率達到100%。

結論：“軌道交通用定位轉臂延壽提質技術開發”項目實現軌道交通用定位轉臂延壽提質技術開發，形成技術工藝1項，主要技術參數：精度小到0.05毫米。提高定位轉臂產品疲勞壽命5%。降低定位轉臂產品廢品率至1%以下。項目執行期內實現銷售收入1000萬，利潤100萬，稅收30萬。

參考文獻：

[1]陳棟，王剛，謝秀芬.混凝土泵車臂架振動的動態特性[J].機械設計與研究.2011，27（4）.92-95.04447A44-78DA-4B5F-9386-38AC4853D9C3