鐵路貨車(chē)中梁焊接收縮量及撓度的分析與研究

袁 寧 戴鴻雁 陳 榮

（南車(chē)長(zhǎng)江車(chē)輛有限公司工藝研究所，武漢 430212）

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鐵路貨車(chē)中梁焊接收縮量及撓度的分析與研究

袁 寧 戴鴻雁 陳 榮

（南車(chē)長(zhǎng)江車(chē)輛有限公司工藝研究所，武漢 430212）

摘 要：本文結(jié)合鐵路貨車(chē)中梁制造過(guò)程中焊接收縮量及撓度的實(shí)際變化情況，對(duì)中梁焊接收縮量及撓度的變化趨勢(shì)進(jìn)行理論分析，研究出了一種鐵路貨車(chē)常見(jiàn)結(jié)構(gòu)的中梁焊接收縮量及撓度工藝參數(shù)的計(jì)算方法，從而統(tǒng)一了相關(guān)工藝文件中工藝參數(shù)的確定方法，并對(duì)計(jì)算結(jié)果的可行性進(jìn)行理論分析。實(shí)踐證明，結(jié)果可行。

關(guān)鍵詞：中梁 撓度 收縮量

目前，鐵路貨車(chē)中梁制造的工藝文件中，涉及焊接收縮量[1]及撓度[2]等需要過(guò)程控制的工藝參數(shù)存在一些問(wèn)題，技術(shù)人員對(duì)這些參數(shù)的確定方法和檢查標(biāo)準(zhǔn)有著不同的理解，且同一個(gè)工藝文件中的相同參數(shù)也會(huì)出現(xiàn)前后不一的現(xiàn)象。這主要表現(xiàn)在四個(gè)方面：第一，沒(méi)有通過(guò)分析確定工藝參數(shù)，而是直接引用圖樣參數(shù)；第二，同類(lèi)型車(chē)輛的參數(shù)設(shè)置不盡相同；第三，同樣的檢查項(xiàng)點(diǎn)在不同文件中重復(fù)出現(xiàn)；第四，工藝參數(shù)的前后關(guān)系不匹配。

上述問(wèn)題還會(huì)出現(xiàn)在底架組成這種工序過(guò)程較多且需要確定工藝過(guò)程參數(shù)的文件中。本文針對(duì)中梁焊接收縮量及撓度等工藝參數(shù)的確定進(jìn)行理論分析，明確基本規(guī)范。

1 基本原則

中梁收縮量主要發(fā)生在長(zhǎng)度方向。該方向上的主要工藝過(guò)程參數(shù)有定距[3]和切頭長(zhǎng)度。定距可以確定中梁中心線，同時(shí)也就確定了其他配件組裝的定位基準(zhǔn)。因此，它是一個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)。在確定收縮量的過(guò)程中，本文考慮了底架結(jié)構(gòu)組焊時(shí)的焊接收縮預(yù)留量，尤其是底架上有縱向長(zhǎng)大焊縫（如鐵地板）時(shí)的情況。但是，為了簡(jiǎn)化收縮量參數(shù)的確定，本文側(cè)重考慮縱向長(zhǎng)大焊縫的影響，而忽略牽引梁部分的收縮量。

中梁焊接收縮量及撓度會(huì)隨著工序的進(jìn)展發(fā)生匹配關(guān)系。因此，中梁收縮量及撓度可以分為以下幾種情況進(jìn)行分析確定。

（1）根據(jù)常用的中梁結(jié)構(gòu)形式，中梁可以分為乙字鋼中梁、型鋼中梁以及板結(jié)構(gòu)中梁三種形式；

（2）腹板高度尺寸對(duì)焊接收縮量和撓度的影響較大，因此型鋼中梁和板結(jié)構(gòu)中梁按其腹板高度可分為小于400～500mm和大于500～600mm兩種情況。

2 中梁焊接收縮量理論分析

2.1 確定原則

根據(jù)GB/T5600鐵道貨車(chē)通用技術(shù)條件中的相關(guān)要求：底架長(zhǎng)度尺寸極限偏差為長(zhǎng)度基本尺寸的±0.80/00，那么定距尺寸可以近似為L(zhǎng)±L×0.80/00（L為圖樣定距尺寸）。預(yù)放焊接收縮量很難獲得精確數(shù)據(jù)，因此本文充分利用標(biāo)準(zhǔn)所容許的底架長(zhǎng)度公差范圍，將底架的允許公差放在收縮量考慮范圍內(nèi)，使預(yù)計(jì)收縮量的適應(yīng)范圍擴(kuò)大±L×0.80/00，提高精度。

具有魚(yú)腹形式的中梁在制作魚(yú)腹時(shí)，需要初步估算收縮量以確定魚(yú)腹切割線，而其他形式的中梁一般在中梁內(nèi)縱焊（或點(diǎn)固）后才確定定距線，因此不需要考慮內(nèi)縱焊的焊接收縮因素。

表1 中梁焊接收縮量初值的計(jì)算方法

2.2 收縮量初值的計(jì)算

本文以乙字鋼中梁焊接收縮量為L(zhǎng)×±10/00的經(jīng)驗(yàn)值做基礎(chǔ)，確定中梁焊接收縮量的初值。初值的選取忽略了一些部件的焊接影響，如中梁的枕梁下蓋板、底板等部件。具體計(jì)算方法見(jiàn)表1。

將上述確定的收縮量初值加入定距尺寸的主體尺寸，作為定距工藝尺寸；將手工畫(huà)線可滿(mǎn)足的誤差，作為定距工藝尺寸確定的公差帶。那么，帶有焊接收縮量的定距工藝尺寸為L(zhǎng)＋δ，公差為＋20，進(jìn)而可以得出定距工藝尺寸的計(jì)算公式為：（L＋δ）＋20。將該定距工藝尺寸當(dāng)作中梁制作過(guò)程中第一次確定定距時(shí)的工藝參數(shù)。例如：魚(yú)腹結(jié)構(gòu)的型鋼中梁或板材中梁?jiǎn)纹捍_定魚(yú)腹切割線的工序；中梁組裝從板座和心盤(pán)座板時(shí)需要確定定位線的工序。

2.3 焊接收縮量的計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)上述焊接收縮量的計(jì)算方法，對(duì)目前公司四種中梁形式的代表產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 中梁焊接收縮量的計(jì)算結(jié)果

由表2可知，車(chē)型為序號(hào)1的定距設(shè)計(jì)尺寸為12092～12108mm，可計(jì)算出當(dāng)理論上允許的最大焊接收縮量為22mm，最小焊接收縮量為6mm時(shí)，便能夠滿(mǎn)足定距設(shè)計(jì)公差。而定距為12100mm的中梁，在焊接時(shí)產(chǎn)生的焊接收縮量大于6mm，證明其工藝定距的最小值適用。按照通常假定乙字鋼中梁焊接收縮量為每米收縮1mm的經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算，這里最多收縮12mm。因此，22mm的最大值大于假定值，且還留有10mm的收縮余量，用于彌補(bǔ)底架組焊時(shí)發(fā)生的焊接收縮（收縮量應(yīng)小于中梁焊接時(shí)的收縮值）。所以，其工藝定距的最大值同樣適用。

同上可得，序號(hào)為2、3、4的車(chē)型中梁計(jì)算理論最大焊接收縮量分別為21mm、35mm以及25mm，理論最小焊接收縮量分別為6mm、13mm以及5mm。由表2可知，該三種車(chē)型的工藝定距滿(mǎn)足理論值的要求。

由上述可知，采用表1方法計(jì)算出的收縮量，其最大值和最小值都滿(mǎn)足采用經(jīng)驗(yàn)值方法確定的范圍和定距公差范圍。該方法充分利用公差范圍，擴(kuò)大了經(jīng)驗(yàn)值的適應(yīng)范圍，減小了經(jīng)驗(yàn)值的風(fēng)險(xiǎn)。而對(duì)魚(yú)腹結(jié)構(gòu)的單片梁，定距是在畫(huà)切割線時(shí)確定的。此時(shí)該工藝定距只作為確定切割線畫(huà)線的初值，在后續(xù)的中梁組裝時(shí)需要再次確定工藝定距。

2.4 工藝文件中定距尺寸的描述及檢查標(biāo)準(zhǔn)

隨著工序進(jìn)展，焊接收縮量的變化趨勢(shì)呈非線性，難以精確確定。本文采用簡(jiǎn)化方法來(lái)解決，即在編制中梁工藝文件時(shí)，只在需要確定定距線和檢查定距尺寸的文件中涉及定距尺寸。一般情況下，在中梁交驗(yàn)和畫(huà)定距線的工藝文件中需要對(duì)定距進(jìn)行標(biāo)注和檢查，而在其他工藝文件中通常只涉及1、2位定距線，并不涉及定距的整體尺寸。因此，可用1、2位定距線或中梁中心線作為定位基準(zhǔn)進(jìn)行描述。

工藝定距的簡(jiǎn)化方法遵循以下幾個(gè)原則。

（1）有魚(yú)腹結(jié)構(gòu)的型鋼或板材單片梁在畫(huà)魚(yú)腹切割線時(shí)的工序，在相關(guān)操作的描述和檢查卡片中采用工藝定距；

（2）中梁組裝<1＞，即組裝心盤(pán)座板以及前、后從板座時(shí)的工序，在相關(guān)操作描述和檢查卡片中采用工藝定距；

（3）在中梁交驗(yàn)工序中，工藝定距的尺寸已經(jīng)發(fā)生部分收縮，剩余的焊接收縮量將預(yù)留在底架組裝時(shí)利用，但是剩余的收縮量難以精確確定。上文已闡述預(yù)放的收縮量以整車(chē)鋼架形成后的定距滿(mǎn)足要求為基礎(chǔ)，因此這里采用簡(jiǎn)化方法確定中梁交驗(yàn)檢查尺寸。底架有鐵地板時(shí)，將收縮量的初值在主尺寸中??；底架無(wú)鐵地板時(shí)，將預(yù)留收縮量在主尺寸中取，并且按照?qǐng)D樣公差的一半標(biāo)注公差。

3 中梁撓度尺寸的計(jì)算及分析

3.1 計(jì)算原則

影響中梁撓度的因素較多，如中梁結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)度、焊縫、腹板高度、底架及車(chē)體結(jié)構(gòu)等。這里同樣采取以乙字鋼中梁撓度的經(jīng)驗(yàn)值為基礎(chǔ)的簡(jiǎn)化方法，分別對(duì)不同結(jié)構(gòu)的中梁及底架對(duì)撓度產(chǎn)生的影響進(jìn)行簡(jiǎn)化區(qū)分。

通常，車(chē)體鋼架形成后要求底架具有4～14mm的上撓度。但是，目前中梁制成后的預(yù)撓度值不可能完全與鋼架組成后底架形成的撓度匹配。在附屬件組裝工裝、底架組裝工裝結(jié)構(gòu)上沒(méi)有進(jìn)行撓度匹配的情況下，如果使中梁具備較大的上撓度，將會(huì)對(duì)底架組裝的精度和組裝過(guò)程產(chǎn)生負(fù)面影響。

中梁制造過(guò)程中，各工序撓度存在對(duì)應(yīng)的匹配關(guān)系。目前，工藝方法可進(jìn)行中梁調(diào)矯來(lái)確定最終值。因此，中梁撓度在備料進(jìn)行調(diào)梁時(shí)確定撓度初值，在調(diào)矯時(shí)確定撓度終值。例如：長(zhǎng)度大于20m的乙字鋼結(jié)構(gòu)中梁只確定撓度初值和終值的參考值，板材中梁只確定撓度終值。

3.2 撓度值的計(jì)算

以乙字鋼中梁撓度為L(zhǎng)×20/00的經(jīng)驗(yàn)值作為基礎(chǔ)，根據(jù)不同的中梁結(jié)構(gòu)，本文延伸出調(diào)梁時(shí)的撓度初值σ以及中梁交驗(yàn)時(shí)的撓度終值τ的計(jì)算方法，具體計(jì)算方法見(jiàn)表3。

其中，撓度值的公差設(shè)為＋30和0-3兩種情況。在定距長(zhǎng)度小于13m時(shí)，取上差；定距長(zhǎng)度大于13m時(shí)，取下差。

3.3 撓度值的計(jì)算結(jié)果及分析

目前，常見(jiàn)貨車(chē)車(chē)型中底架長(zhǎng)度一般在12～20m，其相應(yīng)定距最小為7m，最大為15m。針對(duì)定距的最小值和最大值，采用表3方法計(jì)算出的撓度結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 中梁撓度的計(jì)算方法

表4 中梁撓度的計(jì)算結(jié)果

表4中的計(jì)算方法由數(shù)據(jù)對(duì)比的方式確定。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，由最長(zhǎng)定距和最短定距計(jì)算出的撓度值與中梁長(zhǎng)度、腹板高度以及縱焊縫結(jié)構(gòu)的影響趨勢(shì)相符合，接近經(jīng)驗(yàn)值，且極限值基本滿(mǎn)足撓度范圍，中間值的確定也更為合理。對(duì)腹板高度在500～600mm范圍內(nèi)的中梁，調(diào)矯比較困難，但其具有撓度變化不明顯的特性。因此，計(jì)算出的數(shù)據(jù)較為接近所需數(shù)值，而其他中梁和底架撓度可在調(diào)校中進(jìn)行修正。

3.4 工藝文件中撓度的描述及檢查標(biāo)準(zhǔn)

隨著工序進(jìn)展，撓度的變化趨勢(shì)同樣呈非線性，難以精確確定。因此，本文采用簡(jiǎn)化方法解決：在編制中梁工藝文件時(shí)，只在備料單片梁調(diào)梁和中梁調(diào)矯（交驗(yàn)）的工藝文件中涉及撓度尺寸。對(duì)于長(zhǎng)度大于20m的乙字鋼結(jié)構(gòu)，中梁撓度值在工藝文件的檢查標(biāo)準(zhǔn)中另說(shuō)明為參考值，且主要檢查標(biāo)準(zhǔn)為中梁的扭曲和旁彎。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)常見(jiàn)結(jié)構(gòu)的鐵路貨車(chē)中梁焊接收縮量及撓度的分析與研究，得出一種中梁焊接收縮量及撓度的計(jì)算方法，并利用該方法對(duì)目前公司四種中梁形式的代表產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，該方法具有可行性與普遍適用性。利用該方法，在工藝參數(shù)確定時(shí)，可以準(zhǔn)確有效地確定中梁定距以及中梁預(yù)撓度。

參考文獻(xiàn)

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Analysis and Research on Welding Shrinkage and Deflection of the Railroad Truck Centre Sill

YUAN Ning，DAI Hongyan，CHEN Rong
(CSR Yangtze Co.,Ltd.,The Railway Product Research Institute，Wuhan 430212)

Abstract:Coming with the change of welding shrinkage and deflection in the proces s of the railroad truck centre s ill manufacturing,the change tendency of deflection and the shrinkage of centre si ll welding are theoretical analyzed in this paper.Both the centre si ll welding shrinkage of a commo n structure railway truck and the calculation method of the technological parameter deflection are developed.Process parameters determination method in the related process files are unified.The feasibility of the calculation res ults are theoretical analyz ed,and the practice has proved that the result is feasible.

Key words:centre sill,deflection,shrinkage