接觸網作業車構架焊接殘余應力分析及改善措施

劉學智，劉 鑫，楊永清，李 斌，段靜茹，欒 軍

（中車太原機車車輛有限公司，山西 太原 030027）

構架是接觸網作業車的結構主體，是重要的安全部件，不僅要承受車體的重量及其在運行過程的各種沖擊載荷，還要傳遞作業車的牽引力。構架因要承載各種裝置，其結構形式、受力狀態是安裝各種裝置的基礎，因此構架的強度和剛度應滿足要求，并具有良好的穩定性，才能確保作業車的正常行駛。構架是由各個部件通過焊接組成的箱體梁結構，整體尺寸較大。焊接過程中構架會產生焊接殘余應力，焊接殘余應力會影響構架的尺寸穩定性，使之產生變形，減少構架使用壽命。

1 構架的焊接工藝

作業車的構架生產工藝流程為：側梁預制—橫梁預制—端梁預制—構架組焊。通過合理制定焊接裝配工藝，可以降低殘余應力，但由于構架為箱體梁結構，殘余應力會對構架的穩定性造成影響。了解焊接殘余應力對構架的影響，并選用適合的方法減少焊接殘余應力，有助于提高構架的穩定性，作業車構架外形見圖1。

圖1 接觸網作業車構架

2 焊接殘余應力對構架的影響

焊接殘余應力主要影響構架尺寸的精度，以及各端梁、側梁、橫梁的穩定性，影響受外載荷施加的應力，降低構架的承載能力和疲勞強度。在運行過程中當構架受到外載荷影響時，殘余應力與外載荷的應力相互疊加，使得構架的承載能力降低。構架由于殘余應力的存在使得其剛度不足，承載載荷的有效范圍變小。構架中的殘余應力不僅影響工件剛度，而且會加速裂紋擴展，影響構架的疲勞壽命，影響程度大約在19.7%～40.7%[1]。振動時效因其不受環境、工序、工件限制等特點被廣泛應用降低工件殘余應力，可降低工件殘余應力30%～80%，抗靜載變形能力提高30%以上，抗動載變形能力提高1～3倍多[2]。

3 振動時效工藝的制定

振動時效的工作原理是以振動的形式將負載作用在工件上，當施加的外載荷應力和焊接殘余應力的疊加數值超過工件材料的理論屈服極限時，工件發生塑形變形，其焊接殘余應力得到降低并均化。

3.1 振動時效基本工藝參數

1）振動頻率的選擇：金屬構件因其固有特性，具有幾種不同振型的共振頻率。振動頻率由構件最終的形狀、質量及構件的材質和結構剛性等因素決定[3]。選取共振頻率時，在振前全頻掃描曲線中選取加速度范圍在5g～20g之內的一個峰值作為振動頻率處理。

2）振動時間的確定：根據構架的重量、材質，通過多次實驗確定振動時間為45 min時是最佳振動時間。

3）支撐點的選擇：用4個振動時效專用橡膠墊支撐在工件的波節處，距側梁端部800 mm，左右位置以側梁邊緣為基準，距離相同。

4）激振器的安裝位置：對稱的金屬構件的安裝位置一般選擇在工件的中心或重心位置[4-5]，因此構架的激振器安裝位置選擇在側梁中間部位，也是波峰位置。根據首次振動時效對激振器的偏心角度進行調整，確認角度為5°。

5）加速度傳感器的安裝位置：將加速度傳感器安裝在側梁縱向中心線上距測量端部約350 mm位置處，遠離激振器的波峰位置。

3.2 振動時效工藝流程

根據作業車構架振動時效的特點，設計了試驗工藝流程：開工前準備、振動時效過程、振動時效結果判定、保存掃頻曲線和結果、現場整理，具體見圖2。

圖2 振動時效工藝流程圖

振動時效過程中應注意，激振器的安裝部位必須保證平整，如不平整可考慮用手工進行砂輪打磨或更換其他平整的位置裝夾，所有電纜與構架不可直接接觸，為防止損傷電纜應墊有膠皮，振動頻率選擇加速度范圍在5g～20g之內的1～4個峰值進行振動時效處理。振前、振后的參數曲線進行對比時存在下述情況之一時，可以認為該時效效果合格：一是a-t曲線上升后變平；二是a-t曲線上升后下降然后變平；三是振后a-n曲線加速度峰值比振前升高；四是振后a-n曲線的共振頻率比振前降低；五是振后a-n曲線的帶寬比振前變窄；六是振后an曲線的共振峰有裂變現象發生；七是n-t曲線下降后變平。根據設備型號和現場實際試驗總結選定振后a-n曲線加速度峰值比振前提升、振后a-n曲線的共振頻率比振前下降為作業車構架振動時效判定依據。

4 試驗結果及振動時效效果評價

4.1 試驗結果

準備工作完成后，對構架進行掃頻，按“手動”鍵啟動激振器，轉速穩定后按“打印”鍵，打印機和激振器同時工作，再按“掃錄”鍵，打印出a-n曲線的縱坐標，再按“Δ”鍵，激振器以每秒增加50 r的加速度升速，達到規定的最高允許轉速（10 000 r/min）時，激振器自動停機。顯示出掃錄結果，得到振前掃描曲線，根據選取的共振頻率進行振動時效，時效后再進行全頻掃描，得到振后掃描曲線，得出構架的振動時效記錄卡，見表1；振動時效曲線見圖3、圖4。

表1 振動時效記錄Ⅰ

圖3 振動時效記錄Ⅱ-1

圖4 振動時效記錄Ⅱ-2

試驗參數如下：車型為J W型接觸網作業車；工件名稱為轉向架；構架編號為16055；車號為4205；質量為1 610 kg；外形尺寸為3 440 mm×2 176 mm×789 mm。根據試驗結果，可得出結論：符合驗收條件第3條、第4條，振動合格。

4.2 振動時效效果評價

從表1可以得到，構架的共振頻率振后比振前降低，振動加速度值振后比振前升高，因為殘余應力與構架的剛度、固有頻率成正比，當殘余應力降低和均化后，剛度減少，固有頻率也因此降低，阻尼減少使加速度值上升。選取振后和振前相近的頻率值所對應的加速度進行對比，用振后、振前頻率相差不大于100 r/min作為對比點，比較加速度值，升高值不小于0.1g時即可認為升高，可以判定振動時效結果合格，1號共振峰滿足對比點，振后頻率5 951 r/min，振前頻率5 955 r/min，降低4 r/min，振后加速度值為6.6g，振前加速度為6.1g，升高值為0.4 r/min，從通過掃頻曲線振后振前的對比圖可以判定經過時效處理的構架達到工藝效果。

依據振動時效的判定依據，處理結果為合格，但由于殘余應力沒有具體數值，不能直觀評價殘余應力的降低范圍，故對該構架進行殘余應力測試。

使用應力監測設備對構架振后和振前漏磁場的分布進行監測，確認構架殘余應力分布情況，測試結果見表2。

從表2可看出振后和振前應力梯度值的不同，直觀地說明了峰值應力在一定程度上得到了有效降低，下降率平均為45.9%，稱為頻譜諧波時效下降率。振動時效對構架內部焊接殘余應力的減少或均化效果顯著。

表2 構架殘余應力測試結果

5 結論

通過應用振動時效處理接觸網作業車構架的焊接殘余應力，對比振后和振前的共振頻率和加速度值，說明在減少構架的殘余應力方面取得了滿意的效果，確保了構架的強度和抗變形能力，保證了作業車構架機械質量以及整車的穩定性。