接觸網(wǎng)作業(yè)車構(gòu)架焊接殘余應(yīng)力分析及改善措施

劉學(xué)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(gòu)架是接觸網(wǎng)作業(yè)車的結(jié)構(gòu)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(yè)車的牽引力。構(gòu)架因要承載各種裝置，其結(jié)構(gòu)形式、受力狀態(tài)是安裝各種裝置的基礎(chǔ)，因此構(gòu)架的強度和剛度應(yīng)滿足要求，并具有良好的穩(wěn)定性，才能確保作業(yè)車的正常行駛。構(gòu)架是由各個部件通過焊接組成的箱體梁結(jié)構(gòu)，整體尺寸較大。焊接過程中構(gòu)架會產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力會影響構(gòu)架的尺寸穩(wěn)定性，使之產(chǎn)生變形，減少構(gòu)架使用壽命。

1 構(gòu)架的焊接工藝

作業(yè)車的構(gòu)架生產(chǎn)工藝流程為：側(cè)梁預(yù)制—橫梁預(yù)制—端梁預(yù)制—構(gòu)架組焊。通過合理制定焊接裝配工藝，可以降低殘余應(yīng)力，但由于構(gòu)架為箱體梁結(jié)構(gòu)，殘余應(yīng)力會對構(gòu)架的穩(wěn)定性造成影響。了解焊接殘余應(yīng)力對構(gòu)架的影響，并選用適合的方法減少焊接殘余應(yīng)力，有助于提高構(gòu)架的穩(wěn)定性，作業(yè)車構(gòu)架外形見圖1。

圖1 接觸網(wǎng)作業(yè)車構(gòu)架

2 焊接殘余應(yīng)力對構(gòu)架的影響

焊接殘余應(yīng)力主要影響構(gòu)架尺寸的精度，以及各端梁、側(cè)梁、橫梁的穩(wěn)定性，影響受外載荷施加的應(yīng)力，降低構(gòu)架的承載能力和疲勞強度。在運行過程中當構(gòu)架受到外載荷影響時，殘余應(yīng)力與外載荷的應(yīng)力相互疊加，使得構(gòu)架的承載能力降低。構(gòu)架由于殘余應(yīng)力的存在使得其剛度不足，承載載荷的有效范圍變小。構(gòu)架中的殘余應(yīng)力不僅影響工件剛度，而且會加速裂紋擴展，影響構(gòu)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(huán)境、工序、工件限制等特點被廣泛應(yīng)用降低工件殘余應(yīng)力，可降低工件殘余應(yīng)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(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力的疊加數(shù)值超過工件材料的理論屈服極限時，工件發(fā)生塑形變形，其焊接殘余應(yīng)力得到降低并均化。

3.1 振動時效基本工藝參數(shù)

1）振動頻率的選擇：金屬構(gòu)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(gòu)件最終的形狀、質(zhì)量及構(gòu)件的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)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(nèi)的一個峰值作為振動頻率處理。

2）振動時間的確定：根據(jù)構(gòu)架的重量、材質(zhì)，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(jié)處，距側(cè)梁端部800 mm，左右位置以側(cè)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(gòu)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(gòu)架的激振器安裝位置選擇在側(cè)梁中間部位，也是波峰位置。根據(jù)首次振動時效對激振器的偏心角度進行調(diào)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(cè)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(jù)作業(yè)車構(gòu)架振動時效的特點，設(shè)計了試驗工藝流程：開工前準備、振動時效過程、振動時效結(jié)果判定、保存掃頻曲線和結(jié)果、現(xiàn)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(yīng)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(gòu)架不可直接接觸，為防止損傷電纜應(yīng)墊有膠皮，振動頻率選擇加速度范圍在5g～20g之內(nèi)的1～4個峰值進行振動時效處理。振前、振后的參數(shù)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(xiàn)象發(fā)生；七是n-t曲線下降后變平。根據(jù)設(shè)備型號和現(xiàn)場實際試驗總結(jié)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(yè)車構(gòu)架振動時效判定依據(jù)。

4 試驗結(jié)果及振動時效效果評價

4.1 試驗結(jié)果

準備工作完成后，對構(gòu)架進行掃頻，按“手動”鍵啟動激振器，轉(zhuǎn)速穩(wěn)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(guī)定的最高允許轉(zhuǎn)速（10 000 r/min）時，激振器自動停機。顯示出掃錄結(jié)果，得到振前掃描曲線，根據(jù)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(gòu)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(shù)如下：車型為J W型接觸網(wǎng)作業(yè)車；工件名稱為轉(zhuǎn)向架；構(gòu)架編號為16055；車號為4205；質(zhì)量為1 610 kg；外形尺寸為3 440 mm×2 176 mm×789 mm。根據(jù)試驗結(jié)果，可得出結(jié)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(gòu)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(yīng)力與構(gòu)架的剛度、固有頻率成正比，當殘余應(yīng)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(yīng)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(jié)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(jīng)過時效處理的構(gòu)架達到工藝效果。

依據(jù)振動時效的判定依據(jù)，處理結(jié)果為合格，但由于殘余應(yīng)力沒有具體數(shù)值，不能直觀評價殘余應(yīng)力的降低范圍，故對該構(gòu)架進行殘余應(yīng)力測試。

使用應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備對構(gòu)架振后和振前漏磁場的分布進行監(jiān)測，確認構(gòu)架殘余應(yīng)力分布情況，測試結(jié)果見表2。

從表2可看出振后和振前應(yīng)力梯度值的不同，直觀地說明了峰值應(yīng)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(gòu)架內(nèi)部焊接殘余應(yīng)力的減少或均化效果顯著。

表2 構(gòu)架殘余應(yīng)力測試結(jié)果

5 結(jié)論

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