鐵路貨車(chē)鑄鋼件試驗(yàn)與仿真符合精度研究

張馨，馬巧艷

（中車(chē)齊齊哈爾車(chē)輛有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

0 引言

在鐵路貨車(chē)部件中，鑄鋼件承載能力穩(wěn)定，易于規(guī)模生產(chǎn)，制造成本低，很多重要承載部件都會(huì)采用鑄鋼件，如搖枕、側(cè)架、車(chē)鉤、鉤尾框、整體牽引梁等。仿真和試驗(yàn)是評(píng)價(jià)鑄鋼件可靠性的重要手段，提升它們的符合精度可以有效提升鑄鋼件的設(shè)計(jì)質(zhì)量。有多位學(xué)者對(duì)鐵路鑄鋼件的仿真試驗(yàn)符合精度問(wèn)題開(kāi)展過(guò)研究。沈京哲[1]、張立員[2]、趙春雷[3]進(jìn)行過(guò)貨車(chē)轉(zhuǎn)向架搖枕仿真及試驗(yàn)研究；梁昊[4]、許萬(wàn)[5]開(kāi)展過(guò)貨車(chē)轉(zhuǎn)向架側(cè)架可靠性研究；這些研究通過(guò)對(duì)比分析仿真和試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)仿真過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)，提出了針對(duì)鑄鋼件仿真的模型簡(jiǎn)化、網(wǎng)格劃分、邊界條件施加方面的建議。為進(jìn)一步研究提升鑄鋼件試驗(yàn)與仿真的符合精度，推進(jìn)二者相互驗(yàn)證，本文從影響因素識(shí)別入手，分析模型、試驗(yàn)、仿真中出現(xiàn)的各種因素，提出改進(jìn)方法，并在某出口車(chē)產(chǎn)品的鑄鋼件搖枕上得到驗(yàn)證。

1 影響因素識(shí)別

按照“人、機(jī)、料、法、環(huán)”5個(gè)方面分析仿真與試驗(yàn)過(guò)程，梳理對(duì)符合精度的影響因素（如圖1）?！叭恕钡囊蛩赜绊懣梢酝ㄟ^(guò)操作流程的標(biāo)準(zhǔn)化降低影響；“機(jī)”“環(huán)”兩種因素影響屬外部客觀因素；“料”的因素影響體現(xiàn)為鑄件實(shí)物與設(shè)計(jì)模型的差別；“法”的因素影響主要指仿真方法是否可以復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程。

圖1 精度影響因素因果分析圖

2 影響因素分析

2.1 鑄件實(shí)物與設(shè)計(jì)模型的差別

鑄件制造過(guò)程復(fù)雜，經(jīng)歷設(shè)計(jì)、工藝、模具制造、生產(chǎn)車(chē)間一系列過(guò)程，模型也發(fā)生了演化（如圖2）。

圖2 鑄件模型演化示意圖

在這個(gè)過(guò)程中，完成結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)后，以二維圖樣轉(zhuǎn)給鑄造工藝。鑄造工藝師根據(jù)設(shè)計(jì)二維圖，結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、鋼水流動(dòng)特點(diǎn)、液態(tài)金屬冷卻特點(diǎn)設(shè)置工藝參數(shù)，確定分型面、分芯面，設(shè)置拔模角度，增加拉筋，確定設(shè)計(jì)圖上的公差范圍為具體公差數(shù)值，根據(jù)分芯面及拔模等微調(diào)局部形狀；設(shè)置鑄造澆冒口系統(tǒng)、反變形量、加工量、材料收縮率等，形成鑄造工藝二維圖。

模具制造單位把鑄造工藝二維圖按照工藝設(shè)置要求轉(zhuǎn)化為三維模型，按照鑄鋼材質(zhì)的縮水率，把建好后的三維模型放大，再根據(jù)三維模型設(shè)計(jì)加工制造模具。

鑄造車(chē)間拿到制造好的金屬模具，根據(jù)模具進(jìn)行造型、制芯、配模、熔煉、澆鑄、清理，產(chǎn)出第一次毛坯模型。由于制造所采用型砂特性及其它生產(chǎn)因素，毛坯模型可能會(huì)有誤差，針對(duì)毛坯模型進(jìn)行劃線(xiàn)檢查，根據(jù)劃線(xiàn)結(jié)果調(diào)整模具尺寸后再進(jìn)行制造。對(duì)合格的毛坯模型再進(jìn)行下一步機(jī)械加工。

整個(gè)過(guò)程完成后，生產(chǎn)出的實(shí)物模型與設(shè)計(jì)圖樣之間發(fā)生了演化，從設(shè)計(jì)圖樣到實(shí)物并不完全對(duì)等，這種差異是工藝、模具、制造設(shè)置的綜合控制結(jié)果,也包括材質(zhì)、生產(chǎn)條件的影響，體現(xiàn)了各個(gè)環(huán)節(jié)中技術(shù)、生產(chǎn)人員的經(jīng)驗(yàn)。

仿真采用的模型是設(shè)計(jì)三維模型，設(shè)計(jì)三維模型中體現(xiàn)的是設(shè)計(jì)名義尺寸。模具制造階段的三維模型是最接近于實(shí)物的模型版本，只有材質(zhì)縮水比例的影響，如果在仿真中能夠利用模具制造階段三維模型，可以縮小實(shí)物與仿真對(duì)象之間的差距，有效提升仿真與試驗(yàn)間的符合精度。

2.2 試驗(yàn)細(xì)節(jié)

提升試驗(yàn)與仿真的符合精度，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)也提出了要求，試驗(yàn)數(shù)據(jù)要滿(mǎn)足重復(fù)性、線(xiàn)性和對(duì)稱(chēng)性。試驗(yàn)數(shù)據(jù)最常見(jiàn)問(wèn)題是數(shù)據(jù)不對(duì)稱(chēng)，引起對(duì)試驗(yàn)的誤讀，影響試驗(yàn)與仿真符合精度。

引起鑄鋼件試驗(yàn)數(shù)據(jù)不對(duì)稱(chēng)的試驗(yàn)細(xì)節(jié)主要有測(cè)點(diǎn)布置、試件擺放和試件形位公差3個(gè)方面。

2.2.1 測(cè)點(diǎn)布置

對(duì)鑄鋼件試件布置測(cè)點(diǎn)時(shí)，要注意應(yīng)變片的位置、方向精度及貼片位置。位置、方向精度可通過(guò)劃線(xiàn)方式輔助確認(rèn)；試件表面質(zhì)量一般通過(guò)打磨去除鑄件表皮保證，如遇到鑄件氣孔及表面缺陷狀況可以稍加深磨，缺陷較大則需要更改貼片及對(duì)稱(chēng)片位置。

2.2.2 試件擺放

試驗(yàn)件擺放時(shí)，需要保證試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)工裝、試驗(yàn)件三者間的相對(duì)位置關(guān)系準(zhǔn)確。可使用激光水平儀進(jìn)行定位輔助，通過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)備、工裝、工件三者對(duì)稱(chēng)面共面，減小位置誤差。如有活動(dòng)部件，建議擺放前，在活動(dòng)部件上劃好定位輔助線(xiàn)。

2.2.3 試件形位公差影響

鑄鋼件實(shí)物因表面平面度或平行度等形位公差的原因，放置在工裝上，會(huì)出現(xiàn)局部翹曲，造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)不對(duì)稱(chēng)。試驗(yàn)中需要調(diào)整，實(shí)現(xiàn)設(shè)備、工裝、工件三者之間緊密接觸。

2.3 仿真方法

仿真模型要能真實(shí)反映設(shè)備、工裝及試驗(yàn)件三者關(guān)系。分析試驗(yàn)傳力路徑，正確設(shè)置模型的邊界條件，以恰當(dāng)?shù)姆抡媸侄螐?fù)現(xiàn)設(shè)備工裝的作用。并通過(guò)仿真結(jié)果中的位移趨勢(shì)和應(yīng)力趨勢(shì)檢查仿真方法設(shè)置的正確性。

避免采用改變?cè)囼?yàn)件剛度的仿真簡(jiǎn)化，如直接在試驗(yàn)件上施加載荷與約束等，與試驗(yàn)件接觸的工裝需要建模，真實(shí)反映工裝剛度對(duì)試驗(yàn)件局部應(yīng)力分布的實(shí)際影響，設(shè)置合理的接觸摩擦因數(shù)并用非線(xiàn)性方法求解。

為鑄鋼件選取正確的材料參數(shù)，TB 1335標(biāo)準(zhǔn)[6]中9.4條規(guī)定鑄鋼件彈性模量為172 GPa，TB 3548標(biāo)準(zhǔn)[7]中附錄B中規(guī)定為200 GPa，GB 50017—2003標(biāo)準(zhǔn)[8]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定鑄鋼材料彈性模量為206 GPa；在針對(duì)鑄鋼件的實(shí)物取樣及拉伸試驗(yàn)中，實(shí)測(cè)彈性模量擬合數(shù)據(jù)約為200 GPa。仿真模型中，鑄鋼件彈性模量建議采用200 GPa，離散單元建議選擇6 mm六面體單元或8～12 mm的十節(jié)點(diǎn)四面體單元。

3 鑄鋼件搖枕仿真試驗(yàn)符合精度驗(yàn)證

以某出口產(chǎn)品搖枕垂向工況為例，使用本文方法對(duì)實(shí)物進(jìn)行試驗(yàn)與仿真，研究了鑄件實(shí)物的影響，對(duì)試驗(yàn)細(xì)節(jié)和仿真方法進(jìn)行了改進(jìn)。

3.1 實(shí)物測(cè)試與影響研究

利用工業(yè)CT檢測(cè)技術(shù)，可以方便完成鑄鋼件產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸測(cè)量[9－11]。綜合考慮測(cè)試成本后，確定了對(duì)搖枕成品進(jìn)行關(guān)鍵斷面CT掃描方案（如圖3，灰色細(xì)線(xiàn)是CT掃描斷面位置）。

圖3 CT測(cè)試圖

圖4 搖枕垂向工況仿真設(shè)置示意圖

通過(guò)測(cè)量搖枕各關(guān)鍵截面的尺寸，與產(chǎn)品圖樣比對(duì)，記錄實(shí)際的搖枕試件與設(shè)計(jì)圖樣之間存在的差異，總結(jié)該出口搖枕實(shí)物與產(chǎn)品圖樣有如下區(qū)別：搖枕垂向下壁測(cè)量厚度大于圖樣上的名義尺寸，垂向上壁測(cè)量厚度小于圖樣上的名義尺寸；搖枕兩側(cè)壁厚度稍小于圖樣上的名義尺寸；搖枕的側(cè)壁內(nèi)部與底壁之間增加工藝筋布置；搖枕內(nèi)部筋形、中部筋形有明顯的拔模斜度，筋形厚度明顯大于圖樣名義尺寸；搖枕稱(chēng)重結(jié)果比圖樣標(biāo)示質(zhì)量大10 kg。

根據(jù)實(shí)物的CT測(cè)試結(jié)果，建立了樣件數(shù)字模型。采用相同仿真手段，對(duì)樣件數(shù)字模型與設(shè)計(jì)數(shù)字模型進(jìn)行了心盤(pán)垂向工況仿真對(duì)比：兩者位移值差距為3%，樣件數(shù)字模型結(jié)果略?。粨u枕垂向中部部位和搖枕A部位的兩處關(guān)鍵應(yīng)力對(duì)比，應(yīng)力差距平均值為8.9%，CT模型應(yīng)力結(jié)果略小。

3.2 試驗(yàn)細(xì)節(jié)調(diào)整

該搖枕在靜力學(xué)試驗(yàn)中，因搖枕彈簧承臺(tái)翹曲，試驗(yàn)中搖枕兩側(cè)A部位的應(yīng)變片出現(xiàn)了不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象。對(duì)搖枕承臺(tái)進(jìn)行了劃線(xiàn)檢測(cè)：檢測(cè)兩側(cè)彈簧承臺(tái)面的平面度、加工后以心盤(pán)面為基準(zhǔn)兩側(cè)彈簧承臺(tái)面的相對(duì)心盤(pán)面的平行度，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 搖枕形位公差檢測(cè)結(jié)果mm

AAR M—210標(biāo)準(zhǔn)[12]中規(guī)定了搖枕彈簧承臺(tái)翹曲標(biāo)準(zhǔn)是彈簧承臺(tái)的平面度不超過(guò)3.175 mm。TB 3012標(biāo)準(zhǔn)[13]中規(guī)定，搖枕彈簧承臺(tái)面、側(cè)架彈簧承臺(tái)面的平面度不大于3.5 mm。搖枕兩端彈簧承臺(tái)面對(duì)心盤(pán)安裝面的平行度均為3 mm，搖枕兩端的彈簧承臺(tái)面的平行度為4 mm。從檢測(cè)結(jié)果上看，產(chǎn)品是滿(mǎn)足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求的，但搖枕彈簧承臺(tái)作為主要約束位置，試驗(yàn)中與工裝的接觸狀態(tài)直接影響了承臺(tái)附近的應(yīng)力幅值和走勢(shì)，緊密接觸部位附近的應(yīng)力大，非緊密接觸部位附近的應(yīng)力小。在工件與工裝之間使用不同厚度的鉛板進(jìn)行調(diào)節(jié)后，改善了結(jié)果對(duì)稱(chēng)性。從本例可以看出，為獲得較好的試驗(yàn)結(jié)果，符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)物在試驗(yàn)中仍需要局部調(diào)整。

3.3 仿真設(shè)置

搖枕的靜力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備為5000 kN四柱壓力試驗(yàn)機(jī)，由基礎(chǔ)工作臺(tái)、底部加載油缸、頂部固定墊板構(gòu)成；搖枕試驗(yàn)工裝由工裝座、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、墊板、鉛板、加載上心盤(pán)等構(gòu)成。仿真模型如圖5所示，設(shè)置如表2所示。

表2 搖枕試驗(yàn)裝備的仿真實(shí)現(xiàn)

3.4 驗(yàn)證結(jié)果

利用改進(jìn)后的試驗(yàn)方法與仿真方法對(duì)搖枕產(chǎn)品進(jìn)行了仿真及試驗(yàn)的符合性驗(yàn)證研究，對(duì)該搖枕的下壁中部、下壁A部位、中部孔等位置布置了99個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)（如圖6），采用設(shè)計(jì)模型仿真，試驗(yàn)與仿真結(jié)果的位移符合度達(dá)到95%，仿真及試驗(yàn)應(yīng)力相對(duì)誤差百分比符合正態(tài)分布，相對(duì)誤差平均值為9.6%，標(biāo)準(zhǔn)差為2.8%，核算精度為90.4%?？紤]到實(shí)物與設(shè)計(jì)模型差異因素，仿真與試驗(yàn)的數(shù)據(jù)符合性已經(jīng)比較理想，證明方法是合理的。

圖6 搖枕實(shí)物貼片

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鐵路貨車(chē)大型鑄鋼件的仿真與試驗(yàn)符合精度研究發(fā)現(xiàn)，試件、試驗(yàn)細(xì)節(jié)、仿真方法對(duì)符合精度影響最大。

鑄鋼件由于工藝過(guò)程復(fù)雜，實(shí)物反饋出的尺寸信息是各類(lèi)工藝及制造因素綜合的結(jié)果，與設(shè)計(jì)模型存有差異，統(tǒng)計(jì)規(guī)律后可以在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)參考使用。在鑄鋼件模型演變中，模具三維模型與實(shí)物模型最為接近，可以考慮在仿真流程中合理使用以獲得更理想的結(jié)果。

仿真模型對(duì)于試驗(yàn)裝置的合理實(shí)現(xiàn)是提升兩者符合精度的重點(diǎn)，并且不能忽略實(shí)物試驗(yàn)的操作細(xì)節(jié)對(duì)數(shù)據(jù)的影響，需嚴(yán)格把控試驗(yàn)細(xì)節(jié)保證數(shù)據(jù)的合理性。

該研究方法在鑄鋼件搖枕產(chǎn)品已得到驗(yàn)證，為鐵路貨車(chē)其它大型鑄鋼件的類(lèi)似問(wèn)題也提供了解決思路。