基于EN 15085焊接體系的209P型轉向架新型焊接構架研制

陳德強，金 偉，馮遵委

(中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京 210031)

209P型轉向架是我國20世紀80年代研制的運行速度為120 km/h的客車轉向架，是我國普速鐵路25型客車主型轉向架。構架是轉向架的承載主體結構，基本作用是承載和傳遞列車載荷。目前運用中的209P型轉向架構架主要有鑄造和焊接2種結構，2種結構的設計都是在20世紀八九十年代完成，鑄造結構具有按設計需要易生產出較復雜形狀零件的優點，并且可以很好地實現零件壁厚和斷面過渡圓滑，最大程度地減少應力集中，但鑄造結構的構架自重明顯增大，內部鑄造缺陷很難避免，并且能耗大，制造過程中對環境影響大[1]。而原焊接構架受當時的焊接工藝水平、焊接及加工設備的限制，在結構設計方面為了減少焊縫，主體采用壓型板材焊接結構，在側橫梁連接部位的結構設計強度不足，導致多個側橫梁連接部位出現疲勞裂紋。隨著我國裝備制造工藝水平的提高，基于先進焊接體系的設計、工藝、檢驗標準已經相當成熟，因此研制209P型轉向架新型焊接構架對節能減排、提高轉向架可靠性具有重要意義。

1 焊接構架結構設計

1.1 接口一致性

原鑄造構架主體鑄造完成后，需再焊接一些零部件組成構架裝置，以便吊掛其他系統部件，因此新型焊接構架必須保證與這些零部件的接口與原鑄造構架接口相同，從而實現新型焊接構架和鑄造構架的互換。圖1是原鑄造構架結構，其中，紅色部分為構架的主要接口。

圖1 原鑄造構架的主要接口

1.2 構架總體設計

焊接構架裝置由構架和制動吊座、牽引拉桿座、支承板座及其加強板等小零部件組成。焊接構架裝置如圖2所示。焊接構架主要尺寸見表1。

圖2 焊接構架裝置

1.3 構架裝置主要結構

構架裝置為H型，主要斷面為箱形焊接結構，包括2個側梁、2個橫梁、4個枕吊座等主結構部件及制動吊座、牽引拉桿座、支承板座等附屬零部件。

1.3.1 側梁組成

側梁組成見圖3，主要由下蓋板、上蓋板及2個腹板組成。此外側梁中間設置多個隔板和1個橫向擋座，兩端各有1個封板。

圖3 側梁組成

1.3.2 橫梁組成

橫梁組成見圖4，主要由下蓋板、上蓋板及2個腹板組成。橫梁中間對稱設置7個隔板。此外在外腹板側面焊接2個座板，在構架組成后利用機加工保證制動吊座的整體尺寸。

圖4 橫梁組成

1.3.3 枕吊座組成

枕吊座組成是側梁、橫梁連接強度的重要加強部分，其上焊有支承板座、牽引拉桿座、安全吊座，具體結構見圖5。它由1個座板、2個立板、1個下蓋板以及中間的2個隔板組成。其中座板、立板在構架整體加工時進行加工，以保證圖1中的支承板座、牽引拉桿座接口的焊接尺寸。此外，下蓋板是在枕吊座組成焊接到構架上之后再蓋上焊接，以確保枕吊座與構架的焊接結構工藝達到最佳。

圖5 枕吊座組成

1.3.4 側梁、橫梁對接結構

側梁、橫梁組成對接結構形式對于整個構架裝置的強度和安全性至關重要，從以往設計經驗和運用情況來看，側梁、橫梁組成對接部分都是應力最大的部位，實際運用中也出現了裂紋、斷裂等故障案例。新型焊接構架主要通過側梁、橫梁的上下蓋板對焊，同時橫梁的腹板伸入側梁的上下蓋板進行角焊，另外用枕吊座組成同時將側梁、橫梁連接起來，大大提高連接結構的整體強度，如圖6所示。新型焊接構架使折彎部分遠離制動吊座，盡量避免了結構應力集中和焊接的影響。

圖6 側梁、橫梁對接結構

1.3.5 橫向擋結構設計

原鑄造209P型轉向架構架橫向擋見圖7(a)，由單獨的帶孔橫向擋鑄件焊接在鑄造構架側梁中部安裝孔上。為避免存水銹蝕內部鋼板，新型焊接構架的橫向擋取消圓孔，采用全密封結構，但橫向擋與橫向擋座是過盈配合安裝，在安裝時需要排氣，于是設計了2個凹槽作為出氣孔。在保證原橫向擋位置的基礎上，根據EN 15085：2007標準要求，上下蓋板的焊縫要預留飛邊，因此，將橫向擋上下部切除一部分以避開上下蓋板的焊縫，如圖7(b)所示。

圖7 橫向擋座結構

1.3.6 制動吊座焊接

原鑄造構架的制動吊座面為鑄造凸臺，加工其表面到一定尺寸后焊接制動吊座，周邊為一圈焊縫，在結構和工藝上容易實現。但在新型焊接結構中，橫梁的上下蓋板、腹板、安裝座及制動吊座間的焊縫較多，還需考慮加工尺寸，因此側梁的上蓋板、下蓋板及腹板先行焊接，再焊接安裝板以避讓腹板與蓋板的長焊縫。上蓋板、安裝板與制動吊座形成類似“V”形的對接焊縫，為了確保制動吊座焊接強度，在其上還增加了一塊補強板將制動吊座與上蓋板相連，下部采用2塊立板加強筋增加制動吊座的垂向受力強度，如圖8所示。

圖8 新型焊接結構制動吊座的焊接

1.4 材質選擇

目前我國大多數在役客車焊接構架所采用的鋼板為Q345材質，經過2～3個廠修后，會出現較為嚴重的腐蝕情況，給車輛運行帶來安全隱患，增加了檢修維護成本，在設計壽命周期內出現大量報廢。造成焊接構架腐蝕嚴重的原因，除了防腐不良、國內運行環境復雜、維護保養不當外，根本原因在于材質本身耐腐蝕性能差[2]。經過對國內外鋼板材質深入調研，分析影響耐腐蝕性的化學元素含量，綜合比較各型耐侯鋼的耐腐蝕性、機械性能、焊接性能，以EN 10025-5：2004 《熱軋結構鋼產品 改進型耐大氣腐蝕結構鋼交貨技術條件》標準的S355J2W材質為參照，結合國內鋼材制造工藝及運用情況，最終選取TJ/CL 413—2014《鐵道客車轉向架用耐大氣腐蝕熱軋鋼板暫行技術條件》中的S355J2W(H)，其中(H)表示在國內生產，質量控制更嚴。

2 構架強度仿真計算

采用有限元方法建立了構架有限元模型，分別按照TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》和EN 13749：2011標準進行了靜強度和疲勞強度仿真計算[3-4]：

(1) 按照TB/T 1335—1996標準計算：在各載荷工況下，最大應力發生在構架垂向載荷+橫向載荷+扭曲載荷組合工況下，位于橫向擋處，最大應力為183.5 MPa，小于許用應力222 MPa(σs=355 MPa，取安全系數1.6)，滿足標準要求。

(2) 按照EN 13749：2011標準計算：(a)在超常載荷工況下，最大應力發生在垂向載荷+橫向載荷+扭曲載荷工況下，位于橫向擋處，最大應力為326.5 MPa，小于材料許用應力355 MPa；橫向擋焊縫處最大應力為253.9 MPa，小于焊縫許用應力323 MPa，靜強度滿足標準要求。(b)通過對模擬運營工況的疲勞分析，結果表明，構架的平均應力、應力幅值均滿足Goodman疲勞極限圖的包絡要求，疲勞強度滿足標準要求。

構架強度分析計算結果表明，209P新型焊接構架的靜強度及疲勞強度均滿足標準TB/T 1335—1996和EN 13749：2011規定的要求。

3 構架強度試驗

3.1 臺架強度試驗

委托中國鐵道科學研究院集團有限公司產品質量監督檢驗中心機車車輛檢驗站對新型焊接構架按照EN 13749：2011及TB/T 1335—1996標準進行靜強度及疲勞強度試驗[5]。靜強度試驗結果表明：

(1) 按照TB/T 1335—1996標準進行靜強度試驗，最大應力位于橫側梁連接圓弧處，最大應力為-125 MPa。

(2) 按照EN 13749：2011標準進行靜強度試驗，超常工況下，最大應力為158.4 MPa，位于側梁下蓋板與枕吊座焊接焊縫處；模擬運營工況下，各測點的應力幅值均滿足材料的Goodman疲勞極限圖包絡要求。

疲勞試驗載荷包括垂向載荷、橫向載荷、扭曲載荷，連續進行3個階段共計1 000萬次的疲勞試驗。其中，試驗載荷同時滿足TB/T 1335—1996和EN 13749：2011標準的要求，即在每個階段試驗載荷選取時，選擇2種標準規定載荷中的較大載荷進行試驗。后2個階段試驗按照EN 13749：2011標準規定的后2個階段(額定載荷120%和140%)進行。垂向載荷(旁承處)、橫向載荷每20次循環就有一次右曲線和左曲線的交替。扭曲載荷和主要載荷同時實現，頻率是主要載荷的1/10。

疲勞試驗結果表明，第1階段( 600萬次)、第2階段(800萬次，載荷為第1階段的1.2倍)及第3階段(1 000萬次，載荷為第1階段的1.4倍)完成后進行磁粉探傷，構架均未出現任何形式的裂紋。

3.2 線路動應力測試

為了驗證209P型轉向架新型焊接構架的運用可靠性，對該構架的關鍵部位在運用條件下進行了動應力、振動加速度測試，測試線路區間為洛陽—鄧州及南陽—鄭州，試驗車輛不載客，按照超員1.5倍進行配載，掛列車尾部。在構架側橫梁連接部、制動吊座、牽引拉桿座等關鍵部位布置了78個應力測點[6]。測試結果表明，最大等效應力幅值為54.1 MPa，位于枕吊座和橫梁焊接部位，小于疲勞許用應力70 MPa，滿足1 200萬km使用壽命要求。

4 構架制造工藝

4.1 構架制造工藝簡介

209P型轉向架新型焊接構架由2個側梁、2個橫梁、4個枕吊座組焊而成，其中側梁、橫梁、枕吊座均由板材件焊接而成，側梁、橫梁斷面均采用箱形結構。構架關鍵焊縫均采用機械手自動化焊接。部分焊縫打磨圓滑處理，以減少應力集中。構架進行退火處理以消除焊接應力[7]。為防止構架表面的腐蝕，構架加工前需預涂防銹底漆。構架機加工前復線檢查，確保機加工余量以及滿足壁厚要求。導柱面加工后進行定位擋圈焊接，作為二次加工定位基準，構架加工后對各部件進行尺寸檢查。合格后，完成構架裝置的組焊、探傷、劃線，最后對整個構架裝置打砂及油漆涂裝。

4.2 制造標準

構架裝置的制造按以下標準及要求進行：

(1) 焊接體系按照EN 15085：2007《鐵路應用 鐵路車輛及其部件的焊接》標準執行；

(2) 焊接工藝評定符合ISO 15614：2012《金屬材料工藝評定》標準要求；

(3) 焊工資質符合EN 287-1：2011《焊工資格考試》標準要求，無損檢測操作人員資質符合EN 473：2006《無損檢驗人員的資格及資格認定》/ISO 9712：2012《無損檢測 無損檢測人員的資格認證》標準要求；

(4) 焊接材料符合ISO 14341：2010《焊接材料 非合金鋼和細晶粒鋼的氣體保護金屬極電弧焊用焊絲和熔敷層》標準(焊絲)、ISO 3581：2016《焊接材料 不銹鋼和耐熱鋼手工金屬電弧焊用覆蓋焊條》標準(不銹鋼焊條)要求；焊接保護氣體符合ISO 14175：2008《焊接材料 熔化焊及相關工藝用氣體和混合氣》標準要求；

(5) 焊縫缺陷的驗收標準按照ISO 5817：2014《焊接 鋼、鎳、鈦及其合金的熔化焊接頭(束焊除外)缺欠質量等級》標準相應的級別進行要求；

(6) 構架熱處理按照NF F01-810《鐵路車輛 非合金鋼或低合金鋼的電弧焊接頭和電阻焊接頭 設計與實施規則》在590 ℃下進行消除應力退火；

(7) 構架在大型鏜銑加工中心進行機加工，采用3D檢測儀檢測構架各關鍵尺寸和形位公差，確保各公差符合設計要求；

(8) 噴丸并用油漆保護，面漆顏色為RAL9017黑色。

5 結論

本文基于EN 15085：2007標準焊接體系研制的209P型轉向架新型焊接構架完成了關鍵結構優化設計、強度仿真計算和試驗驗證工作：

(1) 與原構架結構在一系懸掛系統、二系懸掛系統、制動系統的接口保持不變，實現了新型焊接構架與原構架的互換；

(2) 在側梁與橫梁連接部位、制動吊座、橫向擋部位進行了優化設計，提高了強度；

(3) 按照TB/T 1335—1996和EN 13749：2011標準進行了靜強度和疲勞強度仿真計算，滿足標準要求；

(4) 按照TB/T 1335—1996和EN 13749：2011標準進行了1 000萬次疲勞試驗，構架未出現任何形式的裂紋，滿足標準要求；

(5) 線路動應力測試的最大等效應力幅值為54.1 MPa，位于枕吊座和橫梁焊接部位，小于疲勞許用應力70 MPa，滿足1 200萬km使用要求。

目前，5輛份新型焊接構架209P型轉向架小批量裝車運營已達5年多時間，運用里程約150萬km，技術狀態良好，沒有發生質量問題。