P95大修列車走行履帶裝置維修工藝研究

夏春華

(上海鐵路局上海大機(jī)運(yùn)用檢修段，上海200439)

P95大修列車走行履帶裝置維修工藝研究

夏春華

(上海鐵路局上海大機(jī)運(yùn)用檢修段，上海200439)

走行履帶是進(jìn)口P95大修列車的核心工作裝置，目前其變形和磨損嚴(yán)重，影響設(shè)備正常運(yùn)用。本文對(duì)原設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)和材料特性進(jìn)行了分析，研究提出修復(fù)方案和工藝。履帶裝置修復(fù)后P95運(yùn)用實(shí)踐表明，其經(jīng)受往了各種施工作業(yè)的考驗(yàn)，取得了良好修復(fù)效果。

大修列車 走行履帶裝置 維修方法

P95大修列車集換枕、換軌功能于一體，是目前世界上最為先進(jìn)的鐵路綜合大修大型養(yǎng)路機(jī)械。其作業(yè)質(zhì)量好，效率高，舊枕收集、新枕鋪設(shè)、鋼軌更換全自動(dòng)流水線機(jī)械化作業(yè)，徹底取代了傳統(tǒng)鐵路大修繁重的體力勞動(dòng)。上海鐵路局于2002年從瑞士MATISA公司引進(jìn)P95大修列車，使用至今已有10余年，共完成換軌、換枕共611 km的施工任務(wù)。由于長(zhǎng)期滿負(fù)載作業(yè)，車上工作機(jī)構(gòu)均有損傷，尤其是大修列車核心工作裝置——走行履帶變形和磨損嚴(yán)重，影響施工質(zhì)量和作業(yè)安全。整套設(shè)備面臨隨時(shí)停產(chǎn)的危險(xiǎn)，及時(shí)修復(fù)走行履帶裝置，是恢復(fù)大修列車正常使用的關(guān)鍵。

1 走行履帶裝置存在的問(wèn)題

1.1 走行履帶裝置結(jié)構(gòu)功能

大修列車作業(yè)時(shí)，首先將舊軌撥到線路兩側(cè)，再收起舊枕、推平道床、鋪設(shè)新枕，最后換入新軌。中間有40 m左右的線路屬于新舊鋼軌交互區(qū)域，軌道面只有軌枕沒(méi)有鋼軌，必須由走行履帶裝置取代轉(zhuǎn)向架在軌枕槽上行走。走行履帶結(jié)構(gòu)如圖1所示，前后走行履帶分別通過(guò)滑動(dòng)支腿及油缸連接到前后大梁，大梁用螺栓固接后通過(guò)芯軸鉸接于車體。

圖1 走行履帶結(jié)構(gòu)示意

1.2 走行履帶裝置損傷情況

走行履帶裝置主要由9個(gè)部分組成，其中的前后大梁和前后履帶框架的損傷情況比較嚴(yán)重。

1.2.1 走行履帶裝置前后大梁損傷情況

1)大梁部件出現(xiàn)嚴(yán)重扭曲變形，造成作業(yè)走行時(shí)前后履帶易走偏。尤其是在曲線地段，履帶裝置收放困難，極易造成施工晚點(diǎn)。

2)變形部位銹蝕，強(qiáng)度降低，在大負(fù)載作用下，變形越來(lái)越嚴(yán)重，安全隱患日益突出。

3)芯軸變形無(wú)法取出，增加履帶裝置轉(zhuǎn)向阻力，解體檢修困難。

4)法蘭連接板銹蝕變形，螺栓孔損壞，降低了梁體強(qiáng)度，造成前后履帶不在同一條直線上。

1.2.2 工字型履帶框架損傷情況

工字型履帶框架各零件經(jīng)拆解、清洗、探傷和三坐標(biāo)檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，其損傷情況主要有三大類，如圖2所示。

1)主要受力部位裂紋。主要集中在主橫梁與大小浮動(dòng)支撐座焊縫處及U形板與蓋板焊接處。

2)履帶框架變形。裂紋擴(kuò)展，框架整體變形嚴(yán)重。

3)銷孔不均勻磨損嚴(yán)重。履帶板銷孔在水平和垂直方向均不同程度磨損，尤其是在靠近橫梁部位。

以上走行履帶裝置存在的嚴(yán)重?fù)p傷，已多次引起施工晚點(diǎn)，嚴(yán)重影響施工安全，必須予以檢修。經(jīng)中國(guó)鐵路總公司組織行業(yè)專家論證，決定采用廠段結(jié)合的組織模式，由上海大機(jī)運(yùn)用檢修段聯(lián)合國(guó)內(nèi)專業(yè)廠家自行修理。這樣既能保證維修進(jìn)度和質(zhì)量，又可節(jié)省維修費(fèi)用。

雖然前后梁及芯軸非常重要，但經(jīng)分析這些問(wèn)題解決起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，不是本次維修的難點(diǎn)。本文重點(diǎn)探討履帶框架中重要部件工字型履帶框架的維修工藝及實(shí)施。

圖2 工字型履帶框架結(jié)構(gòu)

2 工字型履帶框架原設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)分析

由于缺少原設(shè)計(jì)技術(shù)資料，修理工作困難很大。課題組對(duì)工字型履帶框架結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了材料性能分析、三維立體檢測(cè)和力學(xué)強(qiáng)度分析計(jì)算，并研究制訂維修工藝。

2.1工字型履帶框架簡(jiǎn)介

工字型履帶框架通過(guò)較長(zhǎng)的履帶將車體荷載均勻傳遞到多根軌枕上，有利于整車的穩(wěn)定。其主橫梁采用150 mm×250 mm×15 mm箱形梁結(jié)構(gòu)，有較大的慣性矩，自身穩(wěn)定性較好。履帶板單邊焊接在U形槽上，焊縫長(zhǎng)而直，其銷孔上安裝有支重輪及銷軸，底部直接與履帶接觸，故要求板材焊接性能好，強(qiáng)度、硬度高，耐磨性好。大小浮動(dòng)支撐座通過(guò)銷軸與滑動(dòng)支腿相連，連接板通過(guò)銷軸與支腿油缸活塞桿相連。

2.2 工字型履帶框架材質(zhì)分析

為了準(zhǔn)確地獲取履帶框架的各項(xiàng)性能，在框架不同部位取樣分析履帶框架材質(zhì)的化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示。

表1 履帶框架材質(zhì)化學(xué)成分%

金相分析表明，框架關(guān)鍵部位——履帶板處為板條狀低碳馬氏體，框架基體均為低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345，材料符合GB/T 1591—2008要求。履帶板為淬火態(tài)，階梯硬度為42～45 HRC(沿板底部到上部焊縫處)，其余板件為調(diào)質(zhì)態(tài)，硬度為150～200 HBW。

2.3 履帶板銷孔尺寸

用德國(guó)進(jìn)口的三坐標(biāo)檢測(cè)機(jī)對(duì)履帶銷孔進(jìn)行了2次三維立體測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明，履帶板銷孔在水平和垂直方向均有不同程度的磨損現(xiàn)象，靠近橫梁部位磨損1.0～1.4 mm。以銷孔φ40為基準(zhǔn)，分別列出履帶板銷孔磨損量極限值表，見(jiàn)表2。

通過(guò)精密檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，履帶銷孔軸線與水平方向成一小角度，經(jīng)研究確認(rèn)這一小角度對(duì)履帶正常運(yùn)轉(zhuǎn)極為重要，因此維修后應(yīng)滿足這一技術(shù)要求。

2.4 工字型履帶框架力學(xué)強(qiáng)度分析

利用ANSYS對(duì)履帶框架進(jìn)行有限元分析。履帶板孔與銷軸的連接為過(guò)盈配合，在實(shí)際受力時(shí)只有孔下表面承受載荷。若將履帶板孔與銷軸整體建模剛性耦合，不能準(zhǔn)確模擬出此處受力特點(diǎn)。因此，為簡(jiǎn)化模型，同時(shí)保證計(jì)算精度，所有銷軸采用Beam 188單元模擬，與履帶板孔內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn)分別通過(guò)一圈Link180單元(承受壓力而不能承受拉力的非線性單元)連接，用于模擬鉸接形式，傳遞徑向力(如圖3所示)。同時(shí)，單個(gè)履帶框架承受的垂直荷載達(dá)到800 kN，因?yàn)楣ぷ鲿r(shí)軌枕處地面會(huì)產(chǎn)生變形，對(duì)整車受力和應(yīng)變會(huì)產(chǎn)生影響，因此對(duì)軌枕接觸面的模擬也十分必要，通過(guò)Link180單元受力后的壓縮變形模擬軌枕處地面的下陷。

表2 履帶板銷孔磨損量極限值mm

圖3 履帶框架應(yīng)力云圖(單位:MPa)

3 修復(fù)方法研究與實(shí)施

工字型履帶框架裂紋、變形的維修相對(duì)簡(jiǎn)單，最大的難點(diǎn)是履帶板上銷孔(成直線排列，共25個(gè))磨損的維修。

3.1 工字型履帶框架裂紋修復(fù)

針對(duì)工字型履帶框架裂紋問(wèn)題，在分析成分、焊接、熱處理和機(jī)加工工藝基礎(chǔ)上，對(duì)特殊材料加工和長(zhǎng)直焊縫焊后硬度處理等問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。

在強(qiáng)度方面，通過(guò)有限元分析結(jié)合實(shí)際加載情況發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)位置為滑動(dòng)支腿座與蓋板的焊接部位及箱形梁與蓋板的焊接部位，與實(shí)際出現(xiàn)裂紋情況相符。維修模式不會(huì)改變應(yīng)力最大部位，因此，在上述危險(xiǎn)位置采用堆疊焊接和加強(qiáng)筋板的方式可解決強(qiáng)度不足問(wèn)題。3.2工字型履帶框架整體變形的修復(fù)

三坐標(biāo)檢測(cè)結(jié)果顯示，由于長(zhǎng)期非對(duì)稱載荷作用和施工現(xiàn)場(chǎng)的焊補(bǔ)導(dǎo)致履帶框架兩端翹曲嚴(yán)重。焊補(bǔ)過(guò)程中采用小電流、多層次控制并采用專用夾具，利用火焰矯形后風(fēng)冷的方式來(lái)解決框架變形問(wèn)題。

3.3 履帶銷孔修復(fù)

3.3.1 履帶銷孔修復(fù)方案

針對(duì)履帶板上銷孔磨損情況，三坐標(biāo)測(cè)量表明，銷孔外徑變大，并且由于軌底角的緣故，銷孔中心線與水平方向存在一個(gè)夾角，經(jīng)長(zhǎng)期作業(yè)各個(gè)銷孔角度也存在不同程度變化?？刹捎靡韵聝煞N維修方法。

1)先對(duì)銷孔進(jìn)行焊補(bǔ)處理，然后機(jī)加工到規(guī)定尺寸。優(yōu)點(diǎn):孔的加工余量有所保證，標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合襯套易于購(gòu)買。缺點(diǎn):由于孔徑限制，需要手工焊補(bǔ)，周期較長(zhǎng)，熱變形不易控制，對(duì)履帶板的硬度有影響。

2)對(duì)銷孔進(jìn)行擴(kuò)孔處理，配做銷軸和滾輪，訂制非標(biāo)襯套。優(yōu)點(diǎn):機(jī)加工無(wú)熱影響，能保證履帶板現(xiàn)有機(jī)械性能，加工周期較短。缺點(diǎn):由于銷孔磨損程度不一，需分級(jí)配做銷軸，訂制國(guó)外非標(biāo)襯套周期長(zhǎng)。

3.3.2 修復(fù)方案的比較分析

為了檢驗(yàn)方案1中焊接作業(yè)對(duì)履帶板硬度的影響程度，根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，選擇與履帶板材質(zhì)相近的Hardox450進(jìn)行焊接試驗(yàn)，其材料性能如表3和表4所示。

表3 Hardox450材料性能

通過(guò)原型焊接試驗(yàn)對(duì)比研究?jī)煞N方案的可行性。在尺寸為100 mm×100 mm×20 mm的Hardox450板材中心鉆φ40孔，預(yù)熱150℃后，采用YM-80焊絲焊補(bǔ)一圈，待溫度降低到100℃后，再焊補(bǔ)一圈，最后鏜孔至φ40，銑亮表面。對(duì)焊接過(guò)渡處硬度進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)從孔邊緣到板邊緣硬度依次降低(25～21 HRC)，均小于材料本身的硬度(45 HRC)。這說(shuō)明焊接熱應(yīng)力會(huì)降低履帶板材料的硬度。機(jī)加工完后附著在銷孔表面的只是熔合區(qū)的一層，而熔合區(qū)的微觀組織力學(xué)性能極不穩(wěn)定，是冷熱裂紋的發(fā)源地，其強(qiáng)度和硬度均不符合履帶框架的運(yùn)行工況，會(huì)帶來(lái)安全隱患，因此采用方案2。

3.3.3 銷孔修復(fù)方案的確定

履帶框架銷軸孔數(shù)量多且加工要求高，傳統(tǒng)的零件維修過(guò)程繁瑣、復(fù)雜或者無(wú)法修復(fù)。為保證精度，引入逆向技術(shù)中的表面數(shù)據(jù)采集技術(shù)，通過(guò)三坐標(biāo)檢測(cè)機(jī)測(cè)量各個(gè)銷軸孔的實(shí)際磨損狀態(tài)，采用不同方法，結(jié)合加工工藝對(duì)失效銷孔進(jìn)行修復(fù)。銷孔修復(fù)總體方案見(jiàn)圖4。

表4 Hardox450化學(xué)成分%

圖4 銷孔修復(fù)總體方案

根據(jù)磨損程度和角度偏斜情況，使用狀態(tài)良好的銷孔，結(jié)合采購(gòu)的SF-2型非標(biāo)復(fù)合襯套規(guī)格，確定其擴(kuò)孔尺寸為從維修角度來(lái)講，內(nèi)外孔磨損的程度不一致，一個(gè)銷軸的兩孔采用一次性加工，磨損或偏斜嚴(yán)重的銷孔，尺寸放到φ42-0.04單獨(dú)加工，而相對(duì)應(yīng)地，銷軸也采用階梯軸的辦法與之相配合，這樣解決了多個(gè)復(fù)雜變形銷孔的修復(fù)。同時(shí)，根據(jù)擴(kuò)孔后的銷軸尺寸，采用逆向技術(shù)，抽取數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、體系結(jié)構(gòu)等信息進(jìn)行三維立體數(shù)據(jù)分析，銷軸與銷孔的尺寸參數(shù)滿足材料強(qiáng)度要求，從理論上證明了選擇擴(kuò)孔方案是正確的。通過(guò)這種維修工藝很好解決了“銷孔要保證在同一基準(zhǔn)線的誤差范圍內(nèi);兩側(cè)銷孔要保證同軸度為0.03 mm”的技術(shù)難題。

4 維修效果

1)經(jīng)過(guò)修理，走行履帶裝置各部件損傷的情況已經(jīng)消除，完全滿足原設(shè)計(jì)的尺寸和精度要求。

2)履帶框架經(jīng)過(guò)各安裝工序組裝以后，各部件運(yùn)動(dòng)自如，沒(méi)有存在卡滯現(xiàn)象。

3)驗(yàn)證表明維修后的履帶裝置滿足“直線切入—直線切出”、“直線切入—曲線切出”、“曲線切入—直線切出”等多種作業(yè)工況，在更換54 155根軌枕、131個(gè)曲線的施工過(guò)程中，沒(méi)有出現(xiàn)由于機(jī)械故障而影響施工的情況，徹底解決了走行履帶存在的安全隱患。

5 結(jié)語(yǔ)

P95大修列車走行履帶裝置修復(fù)過(guò)程中，采用了理論分析、比較分析法和相應(yīng)試驗(yàn)，對(duì)多種維修方案加以比選，確定了修復(fù)方案，并取得良好的修理效果。P95大列重新上道一年多來(lái)，經(jīng)受了各種復(fù)雜施工作業(yè)的考驗(yàn)，證明修復(fù)后走行履帶裝置保持了原設(shè)計(jì)的技術(shù)性能要求，驗(yàn)證了維修思路和修復(fù)方案的正確性，為今后同類裝置的維修提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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(責(zé)任審編李付軍)

U216.67

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.34

1003-1995(2015)02-0122-04

2014-09-04;

2014-10-16

夏春華(1963—)，男，浙江紹興人，高級(jí)工程師。