（材料加工工程專業(yè)論文）鐵路客車轉向架構架材料焊接接頭的組織與性能研究.pdf

摘要 摘要 列車高速化是我國目前鐵路客運發(fā)展的戰(zhàn)略方向。隨著車輛運行速度的不斷提高， 轉向架焊接構架所承受的載荷更加復雜，這對轉向架焊接構架的材質及焊接接頭的力學 性能提出了更高要求。因此，選擇合適構架材質，進一步提高焊接質量對提速列車的安 全運行有著極其重要的應用價值和現(xiàn)實意義。 本文主要研究內容如下：采用j m 5 6 實心焊絲和混合氣體保護焊方法在相同的焊接 工藝參數(shù)下焊接了1 6 m n r 、$ 3 5 5 、$ 2 7 5 及1 6 m n r + q 2 3 5 b 鑄鋼四種不同材料，對焊接 接頭進行了拉伸，沖擊、硬度等常規(guī)力學性能和疲勞性能試驗，同時對焊接接頭顯微組 織、斷口形貌進行了觀察與分析。 試驗結果表明，在試驗工藝條件下采用j m 5 6 焊絲焊接1 6 m n r 、$ 3 5 5 、$ 2 7 5 和 1 6 m n r + q 2 3 5 b 級鑄鋼時，焊縫組織主要為沿柱狀晶晶界析出塊狀或條狀先共析鐵素體， 少量珠光體、粒狀貝氏體，晶內為細小的針狀鐵素體。其中$ 3 5 5 鋼和$ 2 7 5 鋼焊縫中還 產生了數(shù)量不等的魏氏組織；熱影響區(qū)熔合區(qū)、過熱區(qū)主要為塊狀或條狀先共析鐵素體、 少量的珠光體、粒狀貝氏體、向晶內生長的條狀鐵素體，其中$ 2 7 5 鋼焊接接頭過熱區(qū) 中還有少量針狀鐵素體，在1 6 m n r + q 2 3 5 b 級鑄鋼熔合區(qū)、過熱區(qū)中產生了一定量的魏 氏組織。 采用j m 5 6 焊絲在試驗工藝條件下焊接時，1 6 m n r 焊接接頭不論是- 2 0 還是一4 0 均具有較好的低溫沖擊韌性；與母材相比，$ 3 5 5 、$ 2 7 5 焊接接頭- 2 0 和- 4 0 沖擊 功是均降低較多；而1 6 m n r + q 2 3 5 b 鑄鋼焊接接頭不論是一2 0 。c 還是- 4 0 都具有良好的 低溫沖擊韌性。試驗用四種材質的焊接接頭一2 0 和一4 0 沖擊功均大于轉向架構架的有 關標準值。 采用j m 5 6 焊接1 6 m n r 、$ 3 5 5 和1 6 m n r + q 2 3 5 b 鑄鋼時，在指定壽命為5 1 0 6 次 循環(huán)下其焊接接頭的條件疲勞極限o 1 分別為：2 2 3 5m p a 、2 8 3 9m p a 、2 2 0 5 m p a 。 關鍵詞：轉向架構架；焊接接頭；顯微組織；力學性能 大連交通大學t 學碩十學位論文 a b s t r a c t h i g hs p e e do fl o c o m o t i v ei sb e c o m i n gas t r a t e g i cd i r e c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to f r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ni nc h i n a h i g h e rm a t e r i a l sq u a l i t ya n dh i g h e rp e r f o r m a n c e so ft h e c o r r e s p o n d i n gw e l d e dj o i n t so fb o g i ef r a m ea r ed e s i r e dt of i tf o rt h em o r ec o m p l i c a t e dl o a d s r e s u l t e df r o mt h ec o n s t a n th e i g h t e n i n go fr u n n i n gs p e e d t h e r e f o r e ，s e l e c t i n gs u i t a b l ef r a m e m a t e r i a l sa n du p g r a d i n gt h ew e l d i n gq u a l i t yc a nb eo fg r e a ta p p l i c a t i o nv a l u ea n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c ef o rt h es a f eo p e r a t i o no fh i g hv e l o c i t yt r a i n i nt h i sp a p e r ，b yu s i n gj m - 5 6s o l i dw e l d i n gw i r ea n dm i x e dg a sa r cw e l d i n gm e t h o d 16 m n r 、$ 3 5 5 、$ 2 7 5a n d16 m n r & q 2 3 5 bc a s ts t e e lw e r ew e l d e du n d e rs a m ep r o c e s s i n g p a r a m e t e r s t h e n ，t e n s i l e ，i m p a c t ，m i c r o h a r d n e s sa n df a t i g u et e s t so nt h ec o r r e s p o n d i n g w e l d e dj o i n t sw e r ec a r r i e do u t ，a n dt h em i c r o s t r u c t u r e sa n df r a c t u r em o r p h o l o g i e sw e r e o b s e r v e da sw e l l t h er e s u l t ss h o w e dt h a t1 6 m n r 、$ 3 5 5 、$ 2 7 5a n d1 6 m n r & q 2 3 5 bc a s ts t e e lw h e n w e l d e db yu s i n gw e l d i n gw i r eo fj m - 5 6u n d e rt h et e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n so ft h i ss t u d y ，t h e m i c r o s t r u c t u r ei nw e l d e dm e t a lm a i n l yc o n t a i n sb l o c ka n ds t r i pp r o e u t e c t o i df e r r i t e st h a t a p p e a r e da l o n gt h ec o l u m n a rg r a i nb o u n d a r i e s ，al i t t l ep e a r l i t e sa n dg r a n u l a rb a i n i t e s ，w h i l e t e n u o u sa c i c u l a rf e r r i t e sa p p e a r e dm a i n l yw i t h i nt h eg r a i n s b u ti nt h ew e l d e dm e t a lo f $ 3 5 5 a n d $ 2 7 5 ，ac e r t a i na m o u n to fw i d m a n s t a t t e ns t r u c t u r e sw e r eo b s e r v e d f u s i o na r e aa n do v e r h e a t e dz o n em a i n l yc o n t a i n sb l o c ko rc o l u m n a rp r o e u t e c t o i df e r r i t e s ， al i t t l ep e a r l i t e s ，g r a n u l a rb a i n i t e sa n ds o m ef e r r i t eb a n d i n gg e n e r a t e df r o mg r a i nb o u n d a r i e s t oi n s i d eo fg r a i n s m e a n w h i l e ，al i t t l ea c i c u l a rf e r r i t e sa p p e a r e dw i t h i nt h ew e l d e dj o i n t ， n e v e r t h e l e s s ，i nf u s i o na r e aa n do v e r h e a t e dz o n eo f16 m n r & q 2 35 ba l s oc o n t a i n saq u a n t i t y o fw i d m a n s t i i t t e ns t r u c t u r e s w e l d e db yu s i n gj m - 5 6s o l i dw e l d i n gw i r eu n d e rt h es a m et e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n si n t h i ss t u d y ，t h el o w - t e m p e r a t u r ei m p a c tt o u g h n e s so f1 6 m n ri sg o o da tb o t h 一2 0 ( 2a n d 一4 0 ； c o m p a r i n gw i t ht h e i rb a s em e t a l ，i m p a c tt o u g h n e s so f w e l d e dj o i n to f $ 3 5 5a n d $ 2 7 5s t e e l h a sd r a m a t i cd e c l i n e d ；h o w e v e r ，t h el o w - t e m p e r a t u r ei m p a c tt o u g h n e s so f16 m n r & q 2 3 5 b c a s ts t e e l i se x c e l l e n ta tb o t h 2 0 a n d - 4 0 t h ei m p a c tt o u g h n e s so ff o u rd i f f e r e n tk i n d so f w e l d e dj o i n t ss t u d i e di nt h i sp a p e ra r ea l lh i g h e rt h a nt h er e q u i r e m e n to fb o g i ef r a m ea tb o t l l - 2 0 ( 2a n d - 4 0 。c t h ef a t i g u el i m i to f16 m n r 、$ 3 5 5a n d16 m n r & q 2 3 5 bw e l d e dj o i n t sa r e 2 2 3 5m p a 、2 8 3 9m p a 、2 2 0 5 m p ar e s p e c t i v e l yw h e nt h el i f ep e r i o da s s i g n e da s5 x 1 0 6 c i r c u l a t i o n s k e yw o r d s ：b o g i ef r a m e ；w e l d e dj o i n t ；m i c r o s t r u c t u r e s ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y 緒論 緒論 1 本課題研究的目的及意義 轉向架是能相對于列車車體回轉的一種走行裝置，通常包括搖枕、側架或構架、輪 對軸承裝置、彈簧減振裝置、轉向架基礎制動裝置等。其中構架是轉向架的重要部件之 一，它擔負著支撐車體、實施運行、轉動等功能n 1 。因此在性能上要求它既要有足夠的 強度和剛度，又要有適當?shù)膹椥浴⒘己玫目箾_擊性能及耐疲勞性能以滿足客車的使用安 全和運行品質。 目前我國正致力于客車的高速化發(fā)展，隨著客車車速的不斷提高，動應力也急劇增 加，各種垂向、縱向、橫向載荷，疲勞問題比較復雜，導致疲勞損傷和斷裂的事故非常 突出乜1 ，研制與開發(fā)高速轉向架己成為鐵路提速的關鍵技術之一。進一步提高轉向架構 架的強度及耐疲勞性能對列車安全行使有著至關重要的作用。 為了實現(xiàn)列車更加安全、可靠、高速運行，實現(xiàn)我國列車高速化的發(fā)展戰(zhàn)略，研究 與分析各種轉向架構架材質焊接接頭的組織和常規(guī)力學性能及疲勞性能，對于合理的選 用轉向架構架材料3 ，優(yōu)化焊接工藝，提高構架焊接接頭質量具有極為重要的現(xiàn)實意義。 2 轉向架構架國內外發(fā)展現(xiàn)狀 2 1 轉向架發(fā)展概況 高速客車的關鍵技術之一是轉向架，其歷史可以追溯到1 9 世紀中期。轉向架的應 用不僅提高了客車的運行速度，同時使車輛具有良好的曲線通過性能和舒適性。早期的 客車轉向架主要以鑄鋼結構或鋼板鉚焊結構為主，一系懸掛采用導框式軸箱加板簧方 式，軸承為滑動軸承。其中央懸掛采用板簧加搖枕結構，心盤用于承載和傳遞縱向力， 基礎制動為踏面制動。隨著制造水平的提高，客車轉向架開始采用焊接構架結構。2 0 世 紀2 0 年代開始出現(xiàn)了搖動臺結構的轉向架，有效地降低了二系的橫向剛度，從而大幅 度提高了車輛的橫向動力學性能。5 0 年代后，盤形制動、磁軌制動及防滑器等新技術 開始在客車上得到應用，為客車運行速度的提高奠定了基礎。在此之后，空氣彈簧的應 用以及中心銷取代傳統(tǒng)的心盤結構，使客車的動力學性能得到了進一步改善。7 0 年代 后，無搖枕轉向架開始出現(xiàn)，使客車轉向架朝著輕量化、模塊化、無磨耗、高舒適度的 方向發(fā)展。進入9 0 年代，磁軌渦流制動開始應用，不僅消除了磨耗，降低了噪聲，還 大大提高了制動功率。 大連交通大學t 學碩士學位論文 2 1 1 德國轉向架發(fā)展現(xiàn)狀 德國i c e 系高速列車是世界上最為成功的高速列車之一，以速度高、功能完備、 技術等級高、性能穩(wěn)定、車輛總體布置結構合理、內裝檔次高、運用維護性好等諸多優(yōu) 點而聞名于世。 德國的第1 臺客車標準型轉向架于1 8 9 0 年研制成功。該轉向架采用鍛壓鉚接構架， 一系懸掛為軸箱導框加板簧，中央懸掛由中央板簧、搖枕、摩擦旁承和心盤組成。在此 基礎上，2 0 世紀3 0 年代德國又開發(fā)出g - r l i t z 系列轉向架，最高運行速度為1 6 0k i n h 。 為解決軸箱導框的磨耗問題，德國聯(lián)邦鐵路( d b ) 于1 9 3 9 年開始研制m i n d e n 2 d e u t z 新 型轉向架。該轉向架采用了h 型焊接構架，一系懸掛為雙圓簧和雙拉板式定位裝置，中 央懸掛由搖動臺、鋼圓簧、搖枕、摩擦旁承和心盤組成，在搖枕和構架的兩側設有牽引 拉桿。該轉向架于1 9 4 9 年完成試制并投入線路考核試驗，隨后定型為m d 3 2 標準型 轉向架。此后，g r l i t zv 型轉向架也于1 9 5 8 年研制成功。其結構同m d 3 2 基本相似， 僅將一系懸掛的雙拉板式定位改為橡膠導柱定位。 德國w a g g o nu n i o n 公司在1 9 7 4 年研制成功的m d 5 2 型轉向架的基礎上于8 0 年代初開發(fā)出m d 5 2 - - 3 5 0 原型車轉向架，并經改進后定型為m d 5 3 0 型，用于1 9 9 1 年 開通的第1 代i c e 高速列車，其最高運行速度為2 8 0k m h 。該轉向架一系懸掛采用了 雙圓簧和單向雙層拉板定位，中央懸掛由搖動臺、搖枕、摩擦旁承和中心銷組成。為保 證其可靠性，中央懸掛仍采用鋼圓簧，搖枕的縱向定位采用橡膠緩沖座，在構架的兩側 設有磨耗板，牽引力的傳遞采用中心銷模式。m d 系列轉向架的旁承除承受車體的垂向 載荷外，還提供回轉力矩，以取代常規(guī)的抗蛇行減振器。為保證搖枕與構架間的扭轉剛 度和轉向架的縱向振動不向車體傳遞，搖枕通過扭桿和拉桿連接到轉向架的構架上。為 了進一步改善m d 5 3 0 型轉向架的動力學性能，m a n 公司在9 0 年代初研制成功帶輪 對耦合副構架的轉向架和采用碳纖維輕型構架的獨立旋轉車輪轉向架，2 臺高速轉向架 均采用了空氣彈簧。 1 9 9 2 年，由d b 組織研制新一代采用空氣彈簧的i c e 高速客車轉向架，1 9 9 5 年， d b 和東日本鐵道株式會社達成協(xié)議，由德國t a l b o t 公司和日本住友( s u m i t o m o ) 公司在卜5 0 0 3 型轉向架的基礎上聯(lián)合研制新一代高速轉向架，定型為j r 2 1 。該轉向 架采用內支承模式，其整體重量僅為4 3 0 0k g ，是目前世界上最輕的高速客車轉向架， 其最高試驗速度為4 5 0k m h 。 2 1 2 法國轉向架發(fā)展現(xiàn)狀 法國鐵路客車在二戰(zhàn)前運用的幾乎全是美國p e n n s y l v a n i a 型轉向架。該轉向架采 緒論 用傳統(tǒng)的鑄鋼構架，一系懸掛為軸箱導框加均衡梁結構，中央懸掛采用搖動臺、板簧及 搖枕的模式，承載方式為摩擦旁承加心盤的組合。在此基礎上，法國國鐵( s n c f ) 設計出 了最高速度為1 4 0k i n h 的y 1 6 型轉向架，隨后又開發(fā)和研制出了y 2 0 、y 2 4 、和y 2 6 型轉向架。其中y 2 6 型轉向架首次采用了空氣彈簧，最高試驗速度達到了1 8 0k m h ， 并于1 9 6 8 年投入運用。在總結了上述轉向架經驗的基礎上，s n c f 于1 9 6 7 年研制出了 y 3 0 型轉向架。該轉向架采用了全新的結構：一系懸掛為人字形橡膠堆定位，中央懸掛 為高圓鋼簧加中心銷模式。與此同時，s n c f 還開發(fā)出了最高試驗速度為2 3 0k m h 的 y 2 8 和y 2 0 7 型轉向架，并在此基礎上研制出新一代適合2 0 0k m h 的y 3 2 型轉向 架。y 3 2 型轉向架采用了h 型焊接構架，一系懸掛為橡膠節(jié)點轉臂定位中央懸掛為高 圓鋼簧、橫向液壓減振器、垂向液壓減振器、搖枕加抗側滾扭桿裝置，基礎制動裝置采 用了盤形制動和磁軌制動。為減小轉向架點頭及橫向等運動對車體的影響，牽引裝置采 用了鋼絲繩連接的方式。y 3 2 型轉向架自1 9 7 3 年批量生產以來，一直是s n c f 的主 型轉向架，并批量出口到其他國家。 2 0 世紀7 0 年代以后，法國開始研制t g v 高速列車，并研制出了y 2 2 9 型轉向 架。法國t g v 采用動力集中的牽引模式，車體之間采用鉸接方式。為此，法國開發(fā)出 了y 2 3 1 型轉向架用在第1 代t g v 一p s e 拖車上，并在此基礎上研制出了用在t g v a 拖車上的y 2 3 7 型轉向架。該轉向架采用了h 型焊接構架，一系懸掛為橡膠節(jié)點轉臂 定位，中央懸掛為大容積高柔性空氣彈簧、橫向液壓減振器、垂向液壓減振器、抗蛇行 液壓減振器、抗側滾扭桿及z 字形拉桿牽引裝置，基礎制動裝置采用了盤形制動。y 2 3 7 型轉向架由于采用了3m 的大軸距及1 ：4 0 的錐形踏面，故具有較高的抗蛇行穩(wěn)定性。 2 1 3 日本轉向架發(fā)展現(xiàn)狀 日本對高速機車車輛的系統(tǒng)性研究和試驗工作始于二戰(zhàn)后，但發(fā)展迅速。到目前為 止，共研制出了l o 多種系列的高速列車和近4 0 種轉向架。與歐洲國家不同，日本一直 致力于發(fā)展動力分散模式的高速列車。日本在高速轉向架方面的發(fā)展可分為3 個階段： 第1 階段是在高速鐵路開通前的研究和試驗過程，開發(fā)出第1 代d t 2 0 0 高速轉向 架，其最高運行速度為2 2 0k m h 。該轉向架一系懸掛采用雙圓簧及雙側板簧式定位， 中央懸掛由空氣彈簧、橫向液壓減振器、垂向液壓減振器、抗側滾扭桿及搖枕等組成。 第2 階段是1 9 9 2 年開發(fā)成功的3 0 0 系d t 2 0 3 新干線高速轉向架，其最高運營速度 為2 7 0k i n h 。該轉向架采用無搖枕轉向架省略了枕梁和轉向架構架的端梁；牽引電動 機采用了感應電動機：軸箱體和齒輪箱采用了鋁合金等，與過去的轉向架相比，大幅度 地實現(xiàn)了小型化和輕量化。適當選擇軸箱支承剛度，均衡兼顧提高速運行的穩(wěn)定性和通 大連交通大學t 學碩十學位論文 過曲線的性能，以改善舒適度，在瓜東海開發(fā)的3 0 0 系列“希望號 以后的新干高速 列車基本上采用了這種轉向架。進而對超過3 0 0k m h 的新干線高速列車用轉向架的研 究正在進中，為了進一步提高已經實用化的新干線高速列車無搖枕轉向架的運行穩(wěn)定 性，采取了以下措施嘲： ( 1 ) 將轉向架的軸距從過去的2 1 5m 加長( 例取3 1 0 m ) ，轉向架蛇行運動的臨界 速度可提高1k m h 左右，這在模擬計算和試驗臺的試驗中得到確認。 ( 2 ) 盡量減小車軸軸承的軸向游間( 例如通過用圓錐滾柱軸承，對輪對軸方向的 運動可能有一定度的抑制) 。 ( 3 ) 為了提高運行穩(wěn)定性，要有效地減少簧下簧間質量。 ( 4 ) 為了減輕在隧道內高速運行時產生的車體向振動，采用可變阻尼減振器和在 車體間安裝抗搖減振器。 ( 5 ) 開發(fā)安裝在轉向架上的、實際使用狀態(tài)下簧和減振器各種參數(shù)的鑒別方法， 選定適當?shù)霓D向各參數(shù)。 近年來，日本一直致力于開發(fā)第3 代高速轉向架，其目標運營速度為3 0 0k i n h 3 5 0k m h ，還研制出了獨立旋轉車輪轉向架和帶主動懸掛的轉向架。西日本鐵路客運 公司開發(fā)的山陽新干線5 0 0 系“希望”號高速列車于1 9 9 7 年年初投入運用，該車采用 了w d t 系列轉向架，其最高運營速度為3 0 0k m h 。與3 0 0 系d t 2 0 3 高速轉向架相比， 該轉向架的一系懸掛分別為轉臂式定位，雙圓簧加橡膠定位以及雙圓簧單拉板定位。值 得一提的是“希望 號高速列車的旅行速度和平均速度均超過了法國的t g v 和德國的 i c e 。與此同時，日本鐵路東海客運公司開發(fā)的3 0 0 x 高速車和東日本鐵路客運公司開 發(fā)的s t a r 2 1 投入運行，3 0 0 x 采用了d t 2 0 5 轉向架，其結構與3 0 0 系相似，最高運營 速度為3 5 0k m h 。s t a r 2 1 采用鉸接式車體，最高運行速度為3 5 0k m h 。1 9 9 7 年年 底投入運用的7 0 0 系高速車則又在原基礎上進行了改進，其轉向架以5 0 0 系為基礎，并 加裝了變阻尼孔的非線性空氣彈簧。 縱觀日本在高速轉向架方面的研究，其開發(fā)出的轉向架品種數(shù)量和采用新技術的種 類是其他任何國家無法比擬的，并保持著自己的固有特色。在轉向架構架方面，無論是 其結構還是制造工藝與歐洲都有所不同。日本是最早采用空氣彈簧的國家，并首創(chuàng)利用 調節(jié)空氣彈簧中的阻尼孔的大小來替代二系垂向液壓減振器，同時也是最早采用無搖枕 轉向架的國家之一。高速轉向架的輕量化一直是開發(fā)新型轉向架所追求的目標，日本的 高速轉向架及車體在減重方面自始至終處于世界領先地位。 4 緒論 2 1 4 我國轉向架的發(fā)展 我國轉向架的發(fā)展阻1 2 1 始于1 9 5 8 年，最早開始的是2 0 2 型轉向架，1 9 7 2 年定型 為c 軸標準型客車轉向架，1 9 8 8 年停產。該轉向架共生產4 萬余臺，是2 0 世紀7 0 年代和8 0 年代我國的主型客車轉向架，目前仍有近10 0 0 輛裝2 0 2 型轉向架的客車 在運行。該轉向架設計速度為1 2 0k i n h ，一系采用螺旋鋼彈簧、干摩擦導柱式軸箱定 位，中央懸掛采用螺旋彈簧帶搖動臺結構，并設有液壓減振器。構架和搖枕為鑄鋼結 構，采用吊工掛式雙側閘瓦制動。該轉向架的輪對定位裝置易磨耗，牽引和制動靠搖枕 擋起作用，縱向沖動較大。以后我國成功研制了2 0 6 型和2 0 7 型( 又稱u d 3 型) 客車 轉向架，2 0 6 型轉向架主要用于2 2 型客車。1 9 7 4 年，國內有關單位共同研制成功了 2 0 8 型( c 軸) 、2 0 9 型( d 軸) 轉向架，1 9 7 7 年投入批量生產，隨后對2 0 9 型轉向架 的軸箱定位結構和搖枕縱向擋進行了改進，后定型為廣泛使用的2 0 9 t 和2 0 9 p 型轉 向架。2 0 9 t 型轉向架于1 9 8 0 年開始投入批量生產，近年來大量生產的2 0 9 p 型轉向 架，主要用于2 2 型、2 5 b 型、2 5 g 型客車。在此基礎上，于1 9 8 7 年研制成功了2 0 9 p k 型轉向架，用于雙層客車。該轉向架采用了空氣彈簧、抗側滾扭桿盤形制動和高度調整 閥等新技術，為后來研制準高速客車轉向架打下了基礎。 為適應旅客列車提速的需要，1 9 9 0 年國內幾家客車廠分別開始研制時速1 6 0k m 的準高速客車轉向架，并命名為2 0 9 h s 、2 0 6 k p 、c w 型轉向架，主要用于5 z 和2 5 k 型客車。2 0 9 h s 型轉向架是2 0 9 系列中的一種，保持了2 0 9 p k 型轉向架的基本結構， 并在以下幾方面做了改進：構架、搖枕改鑄鋼為焊接結構，有效地減輕了重量：軸箱定位 采用磨耗橡膠定位器，并設有一系垂向液壓減振器：二系增加了橫向液壓減振器，改善 了橫向平穩(wěn)性：采用全旁承承載，利用旁承摩擦力矩來抑制轉向架的蛇行運動，提高了 蛇行運動穩(wěn)定性。c w 系列轉向架是在英國b t l 0 轉向架基礎上設計而成的，有c w - - 1 型( 中央懸掛為鋼彈簧) 和c w 一型( 中央懸掛為空氣彈簧) 2 種基本形式。2 種構架均 為h 型焊接構架并帶有節(jié)點定位座，兩端有橫向控制桿座。輪對采用轉臂式定位，并設 有垂向液壓減振器。二系采用搖動臺結構，設有橫向彈性止擋和橫向液壓減振器。c w 型轉向架也采用全旁承承載、中心銷及牽引拉桿牽引。2 0 6 k p 型轉向架是在2 0 6 型轉 向架的基礎上研制的準高速客車轉向架，與2 0 9 h s 和c w 型轉向架相比，其最大特 點是構架采用了u 形梁，并取消了搖動臺結構，結構最簡單。該轉向架軸箱懸掛采用 軸箱頂簧加轉臂式定位結構，并設有一系垂向液壓減振器，二系采用帶節(jié)流孔的空氣 彈簧、抗側滾扭桿、橫向液壓減振器和橫向彈性止擋等。轉向架的承載、牽引方式與 2 0 9 h s 相似?；? 0 6 k p 型轉向架在運用初期曾出現(xiàn)過局部結構裂紋等問題，經改進 后定型為s w 一1 6 0 型轉向架，并得到廣泛使用。 大連交通入學t 學碩士學位論文 我國高速客車轉向架從9 0 年代中期開始研制，其中c w 一2 0 0 型轉向架已投入運 行，最高運行速度2 0 0k m h ，并在此基礎上研制出c w 一3 0 0 型高速客車轉向架。同 時，在引進日本技術的基礎上，開發(fā)了運行速度為2 2 0k m h 的s w - - 2 2 0 型客車轉 向架，并在此基礎上開發(fā)出s w 一3 0 0 型高速客車轉向架。這2 種轉向架在首列國產 高速列車上進行了線路試驗，其最高速度均達到了3 2 1 1 5k m h 。 2 2 高速客車的輕量化及其對轉向架構架材料選用的影響 鐵路高速化的關鍵是車輛的輕量化。隨著列車運行速度的提高，尤其是當列車運行 速度大于2 0 0k m h 時，列車阻力及輪軌間的作用力急劇增大，制動功率增大，車體振 動情況及旅客舒適度也進一步惡化，為避免和減少此類情況的發(fā)生，必須從鐵道車輛的 材料上進行改進，即車輛實行輕量化，減輕車輛自重或降低每位旅客所占有的車輛自重。 車輛的輕量化有以下幾方面的作用u 3 吲： ( 1 ) 降低線路的建設費與維護保養(yǎng)費 車輛重量對于鋼軌、軌枕、道床等軌道結構影響較大，車輛輕量化可簡化軌道結構， 降低建設費用：此外車輛高速化后易使軌道變形，車輛輕量化能減輕軌道載荷，減少鋼 軌磨耗，降低軌道的維護保養(yǎng)費用，特別是降低簧下重量( 即車輪、車軸、軸承、齒輪 等的重量) ，對抑制軌道變形很重要。 ( 2 ) 提高車輛的走行性能 轉向架輕量化有利于減輕振動，提高旅客舒適度，特別重要的是減輕簧下重量可 抑制車輛高速運行時輪軌沖擊載荷的增大，提高車輛和線路的使用壽命。 ( 3 ) 節(jié)能 列車的阻力( 惰性運行時的運行阻力、加速阻力、坡道阻力、曲線阻力) 通常與 列車重量成正比。車輛的輕型化可望大大地的減少頻繁加速、減速的通勤電動車組的動 力費用，以及多坡道、多曲線的現(xiàn)有線上車輛的動力費用。加速所需的能量較小，這也 能減小減速所需的制動容量，在輕型化方面有多重效應。 另外輕量化還有環(huán)保、降低供電設備與電網的費用等好處。 對于鐵道車輛而言，由于長年處在激烈振動、外部氣候條件變化較大以及乘客量大 又不穩(wěn)定等非常苛刻的環(huán)境中，因而必須選擇具有高的強度和剛度、重量輕、耐老化、 耐污染、耐磨耗及耐光照、耐火、阻然、價格便宜、易于維修、隔熱、減振性好等特性 的鐵道車輛用新材料。 鐵道新材料的使用是車輛輕量化的保證。鐵道新材料主要指用于車體及轉向架的新 材料，鐵道部門由于非常重視材料使用的實際效果，所以對于材料的更換十分慎重。車 6 緒論 輛輕量化的同時，必須使部件和結構滿足強度的要求，應使用強度重量比高的材料，然 而只依據強度重量比來選用材料也有危險的，如鋁、鈦合金由于縱向彈性模量低而在剛 性上不如普通結構鋼，而鋼的厚度或直徑變小則剛性也會降低，因而，采用可減輕重量 的鐵道新材料時，必須考慮到這些因素： 用于輕量化的材料，一般認為從鐵系材料向合金、復合材料轉變，但這不是單純的 材料轉換，而是將能滿足嚴格要求的不同特性的材料，根據需要用在不同的部位，同時 采用新材料時還要考慮材料成本、耐用性、耐候性、阻然性等問題。 另外，鐵道新材料應使用疲勞強度、耐腐蝕性和耐磨性高的材料，即應選擇使用壽 命長，并適合其所用的場合和環(huán)境要求的材料，以降車輛維修成本。 對于轉向架來說，它主要包括有轉向架構架、輪對、軸箱、軸彈簧裝置、齒輪等。 其中轉向架構架占轉向架重量約1 7 ，應采用優(yōu)質碳素鋼或低合金高強度鋼的焊接結構， 同時加快鋁合金或玻璃纖維增強塑料( f r p ) 轉向架構架的試制；輪對占轉向架重量的 3 4 ，應采用微合金化的波狀輻析輾鋼車輪；采用真空脫氣鋼或電渣重熔鋼來制造空心 車軸；其它部分如齒輪箱采用高強度鋁合金等。通過以上減重措施便于轉向架實現(xiàn)足夠 大的牽引率，高的運行穩(wěn)定性，低的輪軌作用力，高的運行舒適性。 2 3 轉向架構架材質的國內外應用狀況及其焊接性分析 國外先進高速客車轉向架發(fā)展迅速，轉向架總的研發(fā)趨勢是采用新結構、新技術、 新工藝、新材料，向高速化、輕量化、高可靠性等先進技術方向發(fā)展。歐洲、日本等發(fā)達 國家的高速鐵路技術、高速列車技術已經具有長期運用的成功經驗，而且技術相當成熟。 2 3 1 國外轉向架構架材質及其焊接性 表1s t 5 2 3 的化學成分( 質量分數(shù)，) t a b l elc h e m i c a lc o m p o s i t i o no fs t 5 2 3s t e e l ( w t ，) 大連交通大學丁學碩十學位論文 1 ) s t 5 2 3 鋼u 7 1 列于德國d i n l 7 0 0 6 系統(tǒng)鋼號中，在該系統(tǒng)中為非合金鋼，與我國 的低合金鋼對應，d i n 2 3 9 1 標準對其交貨狀態(tài)有詳細的描述。表l 與表2 是s t 5 2 3 的 化學成分與力學性能。從母材的主要化學成分和力學性能來看，s t 5 2 3 鋼與我國壓力容 器用鋼1 6 m n r 低合金鋼相近，但增加了可細化晶粒和沉淀強化的c u 、n i 、c r 、m o 、 v ，并經正火處理，從而使其具有更高的塑性和韌性。s t 5 2 3 鋼，母材的金相組織為鐵素 體+ 珠光體1 8 1 。 按照鋼的元素含量，根據國際焊接協(xié)會( i i w ) 推薦的碳當量公式 c e = c + s i 2 4 + m n 6 + n i 15 + c u 15 + c r 5 + m o 5 + v 5 計算，最大碳當量約為0 4 9 9 6 ，表明此鋼 具有一定的淬硬傾向，但尚不嚴重。由于熱影響區(qū)淬硬組織的存在，將導致焊接冷裂紋 的產生，因此應在焊接時工藝參數(shù)上采取措施，避免熱輸入過大，以及嚴格控制氫的來 源，防止冷裂紋的產生。由表l 可知s t 5 2 3 鋼中c 和s 的質量分數(shù)較低，而m n 的質 量分數(shù)較高，具有較好的抗熱裂性能，在正常的焊接條件下，熱裂紋出現(xiàn)的可能性很小。 另外，焊接過程中應注意防止合金元素的燒損n 。1 。 2 ) 日本和韓國的s m 4 9 0 c 橋梁鋼在轉向架構架上有廣泛應用。s m 4 9 0 c 鋼屬于n b 微合金化低合金鋼，在強度提高的基礎上，其延伸率和低溫沖擊韌性得到顯著提高。屈 服強度和延伸率與我國1 6 m n q 鋼相差不大，但沖擊韌性卻比1 6 m n q 好很多，尤其低溫 沖擊韌性。根據有關資料顯示，s m 4 9 0 c 鋼在溫度為4 5 時，s m 4 9 0 c 鋼的沖擊值可以 達到1 4 3j 啪1 ，因此它很好的滿足了轉向架在低溫下對韌性的要求。s m 4 9 0 c 的化學成分 如表3 ，s m 4 9 0 c 鋼的力學性能如表4 所示。 表3s m 4 9 0 c 的化學成分( 質量分數(shù)，) t a b l e3c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fs m 4 9 0 c ( w t ，) 8 緒論 我國京九鐵路孫口黃河大橋鋼梁制造中就使用了s m 4 9 0 c 鋼，這種鋼對過熱較敏 感，焊接時滇用過大的焊接線能量瞻。 可以看出，目前國外高速列車轉向架構架鋼材都采用優(yōu)質或高級優(yōu)質鋼，其特征是： 鋼中有害雜質硫、磷的含量控制嚴，要求不大于o 0 4 或0 0 3 5 ；其次冶煉時要求采用 完全或特殊脫氧的鎮(zhèn)靜鋼。這類鋼是在含c 5 0 2 0 的基礎上加入少量的固溶強化元素來 保證鋼的強度。組織為細晶粒的鐵素體和珠光體。m n 是一種固溶強化效果最顯著又比 較便宜的元素，除增加強度外，還改善塑性、韌性，加入量不超過1 8 。s i 的加入使得 鋼的固溶強化效果增強，但含量一般不高于o 6 ，否則對沖擊韌度有不利影響。上述國 外所采用的鋼材由于雜質含量少，并且分布均勻，因此有利于減少時效敏感性和冷脆性， 減小焊接熱裂傾向，從而提高材質的抗疲勞性能，減輕自重，實現(xiàn)低動力作用和確保運 行安全可靠。 2 3 2 我國轉向架構架材質及其焊接性 我國焊接構架的應用較晚，焊接構架生產制造工藝比較落后，最初我國的主型轉向 架材質規(guī)定采用a 3 鋼即q 2 3 5 c 普通碳素結構鋼，實際運用多年沒有發(fā)生疲勞損壞現(xiàn) 象，說明此轉向架的安全可靠性高，但是這種鋼因其抗拉強度低( 3 8 0 m p a ) ，不利于 減輕構架自重；鋼中有害雜質含量控制不嚴，疲勞強度低以及耐腐蝕性能不如高錳鋼和 含銅鋼好等缺點，決定了其不能適應客車高速運行的要求，其運行速度在1 4 0k i n h 以 下。隨著客車向高速化方向發(fā)展，近幾年來，我國車輛研究工作者通過獨立研制、引進、 吸收等多種方式對準高速、高速客車轉向架材質及其焊接技術做了大量的研究工作。為 實現(xiàn)中國鐵路2 0 0k m h 以上高速運行打下了技術基礎。我國客車的高速化要歸功于轉 向架材料的迅猛發(fā)展，現(xiàn)就國內轉向架構架材料及焊接性方面的研究作主要如下分析： 1 ) 1 6 m n r 是壓力容器用鋼心2 嗡1 ，在轉向架構架中的應用較廣，南京浦鎮(zhèn)車輛廠研 制生產的p w - 2 0 0 型客車轉向架，其橫梁、構架等關鍵部位均使用1 6 m n r 鋼。長春客 車廠轉向架也采用此種材質。表5 和表6 給出了1 6 m n r 低合金鋼的化學成分和力學性 能。 從化學成分和機械性能來看，1 6 m n r 與日本的s m 5 0 y b 相類似，也屬于5 0 0 m p a 級強度鋼，沖擊功為2 7 j ( 0 c ) ，由于含錳量高，其耐大氣腐蝕性比q 2 3 5 c 碳素鋼提 高2 0 - 3 8 ，其低溫沖擊韌性也比q 2 3 5 c 鋼要好。 1 6 m n r 焊接時，低線能量且快速冷卻導致過熱區(qū)硬脆的馬氏體含量增多；高線能 量導致促使粗大奧氏體形成，緩慢冷卻下來易形成晶界鐵素體。因此低線能量快速冷卻 和高線能量緩慢冷卻這兩種情況都會導致過熱區(qū)脆化。1 6 m n r 鋼在h 2 s h 2 0 環(huán)境中易 9 大連交通大學t 學碩十學1 = 奇：論文 產生氫致開裂，并且1 6 m n r 鋼焊接接頭顯微硬度隨著氫的聚集傾向提高而增大。當硬 度低于h b 2 0 0 時，接頭具有良好的抗氫致開裂性能；當硬度超過h b 2 0 0 時，接頭表現(xiàn) 出氫致開裂傾向。焊接熱輸入增大時，焊縫組織長大，晶粒粗化，s 、p 夾雜物尺寸也 隨之長大，導致焊縫抗氫致開裂能力下降幢7 1 。所以，需控制焊接線能量，并進行焊后熱 處理以降低焊接接頭硬度，從而避免氫致開裂。 表51 6 m n r 的化學成分( 質量分數(shù)，) t a b l e5c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f16 m n r ( w t ，) 牌號交貨狀態(tài) 鋼板t m 厚度m囂r m 強度p a屈r e 震m p a伸長率a 枷) 冷1 8 0 1ml 。 2 ) q 3 4 5 e 屬于低碳低合金鋼降2 9 1 ，它含有少量的合金元素，處于熱軋狀態(tài)。符合 g b t 1 5 9 卜1 9 9 4 低合金高強度結構鋼其母材金相為帶狀分布的鐵素體+ 珠光體，它 是在1 6 m n 鋼合金系列的基礎上，調整了微量合金成分，以提高其低溫沖擊性能。其化學 成分和力學性能見7 和表8 。 q 3 4 5 e 鋼具有較低的碳當量，根據公式計算c e o i w r f 0 3 9 9 ，所以它的冷裂敏感性 不大，焊接性良好。在板厚為2 4 r a m 以下焊接時不需要預熱。與1 6 m n r 相比，其含碳 表7q 3 4 5 e 的化學成分( 質量分數(shù)，) t a b l e7 c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fq 3 4 5 e ( w t ，) 1 0 緒論 表8q 3 4 5 e 的力學性能 t a b l e8m e c h n i c a lp r o p e r t i e so fq 3 4 5 e 量較低，p 、s 等雜質含量控制更為嚴格，由于p 、s 等雜質含量較低，因而在焊接時生 成f e s f e 的量少，生成的呈片或鏈狀分布于晶界的低熔點共晶物少，并且合金元素m n 具有脫硫作用，能置換f e s 為m n s ，同時也能改善硫化物的分布形態(tài)，使薄膜狀f e s 改變?yōu)榍驙罘植?，從而提高了焊縫的抗裂性。所以q 3 4 5 e 鋼產生焊接熱裂紋的傾向小。 但此種鋼材被加熱到1 2 0 0 以上的熱影響區(qū)過熱區(qū)可能產生粗晶脆化，韌性明顯降低。 這是由于熱軋鋼焊接時，采用過大的焊接線能量，粗晶區(qū)將因晶粒長大或出現(xiàn)魏氏組織 等而降低韌性；焊接線能量過小時，由于粗晶區(qū)中馬氏體組織的比例增大，從而降低韌 性。 由于q 3 4 5 e 鋼p 、s 等雜質含量較低，因此具有良好的沖擊性能，尤其是低溫沖擊 性能啪1 。根據q 3 4 5 e 鋼低溫韌性的特殊要求，同時為進一步改善其抗裂性能，焊接時 應選擇氧化傾向較小的堿性焊接材料，并且嚴格控制焊接規(guī)范參數(shù)，控制母材熱輸入， 以保證焊接接頭中焊縫金屬及熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性。 3 ) 為了保證機車車輛在低溫環(huán)境中使用的安全性，轉向架構架疲勞的可靠性是非 常重要的。因此轉向架不僅要求其質量輕，而且要求其具有足夠的疲勞強度和低溫沖擊 韌性。目前，日本轉向架構架用鋼s m 4 9 0 c 、s m 4 9 0 y b 的沖擊功a l c vo 2 7 5 j ：德國 轉向架構架用鋼s t 5 2 - 3 ，按照d i n l 7 1 0 0 - 8 0 的要求，沖擊功a l ( v - 2 0 2 7 j ：法國轉向架 構架用鋼a 4 2 f p ，按照n f a 3 7 - 2 0 5 - 8 3 的規(guī)定，沖擊功一4 0 ， 2 8 j 口。在我國尚沒有 相關標準對機車車輛用鋼的低溫沖擊韌性作出明確的規(guī)定，但上面已提到，我國幅源遼 闊，南北地域的溫度差異很大，除青藏地區(qū)的最低氣溫達一4 5 以外，在西北和東北的很 多地區(qū)冬季的最低溫度可達- 4 0 。c 以下，因此轉向架構架的低溫韌性指標顯得更加重要， 若以a l ( 、，- 4 0 4 7 j 作為指標，1 6 m n r 、1 6 m n 、1 6 m n q 很難達到使用要求。 以上幾種低合金結構鋼作為鐵素體類型鋼，隨著溫度的下降鋼材逐步脆化，當?shù)竭_ 韌一脆轉變溫度時，沖擊功極不穩(wěn)定，大小差別較大，而超過這一溫度后，鋼材將失去韌 性，變?yōu)榇嘈圆牧?，這時鋼材極易發(fā)生低應力破壞。因此，鋼材具有足夠的韌性儲備對于 避免發(fā)生許用應力內疲勞斷裂是極為重要的。為了適應構架的低溫性能需要，采用 1 4 m n n b q 鋼口糾作為轉向架構架材料是合適的。現(xiàn)對其作一介紹。 大連交通人學t 學碩士學位論文 1 4 m n n b q 是在1 6 m n q 和1 5 m n v n q 之后發(fā)展起來的新鋼種，它是在1 6 m n q 鋼的基 礎上通過適當降低碳的含量和添加n b 對鋼進行微合金化。在控軋過程中，碳化物彌散 析出細化鋼的晶粒，從而提高鋼的強度和改善了鋼的焊接性。為了便于分析，其化學成 分及力學性能見表9 和表1 0 ： 表91 4 m n n b q 的化學成分( 質量分數(shù)，) t a b l e9c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f14 m n n b q ( w t , ) 1 4 m n n b q 鋼板的含碳量和碳當量比通常的1 6 m n