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黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 題目 專業(yè)班級(jí) 姓 名 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 開題報(bào)告畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 開題報(bào)告 題目 1 本課題的來(lái)源 選題依據(jù) 2 本課題的設(shè)計(jì) 研究 意義 相關(guān)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 3 本課題的基本內(nèi)容 重點(diǎn)和難點(diǎn) 擬采用的實(shí)現(xiàn)手段 途徑 可以另附頁(yè) 4 文獻(xiàn)綜述 列出主要參考文獻(xiàn)的作者 名稱 出版社 出版時(shí)間以及與 本課題相關(guān)的主要參考要點(diǎn) 指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師 年 月 日 專業(yè)部意見 簽字 年 月 日 中期進(jìn)展情況檢查表中期進(jìn)展情況檢查表 年 月 日 課題名 稱 學(xué)生姓 名 學(xué) 號(hào)專 業(yè) 指導(dǎo)教 師 職 稱 主要研 究?jī)?nèi)容 及進(jìn)展 尚須完 成的任 務(wù) 存在的 主要問(wèn) 題及解 決措施 指導(dǎo)教 師審查 意見 專業(yè)部 審查意 見 黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 I 摘 要 受電弓是電力機(jī)車的電力接受器 在運(yùn)行中它和電力網(wǎng)線高速滑動(dòng)接觸 車 頭通過(guò)它把電力從電網(wǎng)引入 它是地鐵輕軌 普通鐵路 高速鐵路電氣化很重要 的一個(gè)火車部件 剛性底架由型材 鋼材 組焊而成 它是整個(gè)受電弓的基座部分 并通過(guò)絕緣子固定在機(jī)車車頂上 底架上裝有升弓氣囊 一套鉸鏈機(jī)構(gòu)和一副受 電弓的阻尼器等 升弓氣囊和阻尼器一端安裝在底架上 另一端均安裝在鉸鏈機(jī) 構(gòu)中的下臂桿上 鉸鏈機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)集電頭升降運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu) 包括有上框架 下臂 桿 拉桿和平衡桿等 它們通過(guò)各種鉸鏈座鉸接 上框架是由壓型鋁合金型材和 板材焊接而成 下臂桿是由管材組焊而成 拉桿和平衡桿為不銹鋼材料 各鉸接 處都裝有滾動(dòng)軸承并采用金屬軟編織線進(jìn)行短接 以防止電流對(duì)軸承的燒損 平 衡桿的作用是保證集電頭滑板面在受電弓整個(gè)工作高度范圍內(nèi) 始終保持基本水 平狀態(tài)集電頭是直接與接觸導(dǎo)線接觸受流的部分 其上裝有碳滑板 集電頭支撐 垂懸在 4 個(gè)拉簧下方 兩個(gè)扭簧安裝在集電頭和上臂間 克服橫向偏移 這種結(jié) 構(gòu)使滑板在機(jī)車運(yùn)行方向上移動(dòng)靈活 而且能夠吸收橫向方向上的沖擊 達(dá)到保 護(hù)滑板的目的 動(dòng)態(tài)接觸壓力 隨速度的變化增加或減少 可以通過(guò)安裝集電頭翼片來(lái)對(duì)不同 速度等級(jí)的機(jī)車進(jìn)行調(diào)節(jié) 如用戶需要 所以受電弓的日常維護(hù)與檢查是確保列車 運(yùn)行安全的重點(diǎn)之一 簡(jiǎn)單的受電弓故障處理也是必不可少的 關(guān)鍵詞 受電弓 火車部件 日常維護(hù) 故障 預(yù)備 牽引無(wú)流 黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 II Abstract The bogie is the main component of electric locomotive Its production and design directly impact on the structure and electric locomotive safe operation The welding quality of the side beam of frame affects the electric locomotive bogie assembly accuracy For the welding quality it is necessary for a frame side beam welding deformation was well controled The article firstly introduced the structure of SS4G electric locomotive bogie frame and the side beam of the frame Using SolidWorks finite element analysis software Simulation to establish a side beam cover plate two vertical plates three lower cover plate finite element mode Eventually consisted of the locomotive side finite element simulation model Keywords The side beam of frame Numerical simulation Welding distortion Welding sequence 黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 III 目 錄 摘摘 要要 I I ABSTRACTABSTRACT IIII 第第 1 1 章章 緒緒 論論 1 1 一 概述 DSA200 型受電弓 2 一 DSA200 型受電弓的結(jié)構(gòu)及作用 2 二 DSA200 型受電弓技術(shù)參數(shù) 3 第第 2 2 章章 1 1 一 課題背景及研究的目的和意義 1 二 國(guó)內(nèi)外研究狀況 4 一 國(guó)外焊接變形控制研究概況 4 二 焊接變形控制在國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀 5 三 熱 彈塑性有限元分析理論 6 一 焊接溫度場(chǎng) 6 結(jié)結(jié) 論論 8 8 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 9 9 致致 謝謝 1212 黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 1 第 1 章 緒 論 DSAA200型單臂受電弓是目前國(guó)內(nèi)新造機(jī)車的首選型號(hào) 其設(shè)計(jì)速度 200km h 適用于相應(yīng)速度等級(jí)的各種電力機(jī)車及動(dòng)車組 其結(jié)構(gòu)合理 輕量化設(shè) 計(jì) 整弓質(zhì)量約125Kg 采用氣囊驅(qū)動(dòng)升降弓 傳動(dòng)系統(tǒng)安全可靠 弓頭采用彈性 懸掛型式 自由度大 相對(duì)接觸網(wǎng)線的跟隨性好 受流質(zhì)量高 具有獨(dú)特的自動(dòng) 降弓裝置 ADD系統(tǒng) 當(dāng)受電弓發(fā)生刮弓等故障時(shí) 自動(dòng)降弓裝置使受電弓快速 降弓 對(duì)受電弓和網(wǎng)線起到保護(hù)作用 DSA200型受電弓設(shè)計(jì)速度為200km h 采 用了輕量化設(shè)計(jì) 整弓部件數(shù)量做了一定數(shù)量的減少 質(zhì)量約為125kg 改善了弓 網(wǎng)接觸特性 三維彈性懸掛方式降低了弓網(wǎng)之間的沖擊力 整體碳滑板內(nèi)設(shè)有氣道 通過(guò) 其空氣壓力的變化來(lái)激勵(lì)自動(dòng)降弓裝置的動(dòng)作 驅(qū)動(dòng)方式采用氣囊 調(diào)壓閥能即 使監(jiān)控并調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)的壓力 一保證接觸壓力的平穩(wěn)性 DSA200型受電弓各部件使用了不同的材料 低價(jià) 下臂和下導(dǎo)桿師鋼制材料 上臂是鋁合金材料 所用的非金屬材料具有耐侯性的特點(diǎn) 各部件及整弓在實(shí)驗(yàn) 室均經(jīng)過(guò) 40 的耐低溫試驗(yàn) 經(jīng)過(guò)大量的裝車使用證明 DSA200受電弓適合不超過(guò)200km h各種運(yùn)行速度等 級(jí)的機(jī)車和動(dòng)車 電氣化鐵路的牽引動(dòng)力是電力機(jī)車 機(jī)車本身不帶能源 所需能源由電力牽 引供電系統(tǒng)提供 牽引供電系統(tǒng)主要是指牽引變電所和接觸網(wǎng)兩大部分 變電所 設(shè)在鐵道附近 它將從發(fā)電廠經(jīng)高壓輸電線送來(lái)的電流 送到鐵路上空的接觸網(wǎng) 上 接觸網(wǎng)是向電力機(jī)車直接輸送電能的設(shè)備 是電氣化鐵路的動(dòng)脈 我國(guó)電氣 化鐵路的牽引供電制式從一開始就采用單相工頻 50赫 25KV交流制 受電弓靠滑動(dòng)接觸而受流 是電力機(jī)車與固定供電裝置之間的連接環(huán)節(jié) 其 性能的優(yōu)劣直接影響到電力機(jī)車工作的可靠性 隨著電力機(jī)車運(yùn)行速度的不斷提 高 對(duì)其受流性能也提出了越來(lái)越高的要求 電力機(jī)車上安裝有兩臺(tái)受電弓 正常運(yùn)行時(shí)一般只升后弓 前弓備用 按結(jié) 構(gòu)形式分 受電弓分為雙臂受電弓和單臂受電弓兩種 雙臂受電弓結(jié)構(gòu)對(duì)稱 側(cè) 向穩(wěn)定性好 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜 調(diào)整困難 單臂受電弓結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 尺寸小 重量輕 調(diào)整容易 具有良好的動(dòng)特性 高速時(shí)動(dòng)態(tài)跟隨性及受流特性較好 故而被現(xiàn)代 電力機(jī)車廣泛采用 目前 電力機(jī)車上采用有各種型號(hào)的受電弓 如SS1型 SS3B型機(jī)車采用的 黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 2 TSG1 600 25型受電弓 SS4改型機(jī)車采用的TSG1 630 25型和LV260 2型受電弓 SS6型機(jī)車上采用的 TSG3 630 25型單臂受電弓 SS9型機(jī)車上采用的DSA 200型 受電弓等 各型受電弓的某些零部件雖略有不同 但其基本結(jié)構(gòu)有許多相似之處 本節(jié)以SS8型和SS9型電力機(jī)車上采用的受電弓為例加以介紹 一 概述 DSA200 型受電弓 SS9型電力機(jī)車上安裝有兩架DSA 200型 它是一種采用氣囊驅(qū)動(dòng)升弓的單臂 式受電弓 主要應(yīng)用與干線電力機(jī)車 該受電弓裝有阻尼器和ADD自動(dòng)降弓裝置 一 DSA200 型受電弓的結(jié)構(gòu)及作用 DSA 200型受電弓的結(jié)構(gòu)如圖7 7所示 包括閥板 在機(jī)車內(nèi) 圖中未標(biāo)出 圖7 7 DSA200型受電弓 1 底架 2 下臂桿 3 導(dǎo)桿 4 上部框架 5 集電頭 6 集電頭導(dǎo)向裝置 7 驅(qū)動(dòng)裝置 8 氣路組裝 9 阻尼器 10 編織線 1 底架部分 剛性底架由型材 鋼材 組焊而成 它是整個(gè)受電弓的基座部分 并通過(guò)絕緣 子固定在機(jī)車車頂上 底架上裝有升弓氣囊 一套鉸鏈機(jī)構(gòu)和一副受電弓的阻尼 器等 升弓氣囊和阻尼器一端安裝在底架上 另一端均安裝在鉸鏈機(jī)構(gòu)中的下臂 黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 3 桿上 2 鉸鏈機(jī)構(gòu) 鉸鏈機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)集電頭升降運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu) 包括有上框架 下臂桿 拉桿和平 衡桿等 它們通過(guò)各種鉸鏈座鉸接 上框架是由壓型鋁合金型材和板材焊接而成 下臂桿是由管材組焊而成 拉桿和平衡桿為不銹鋼材料 各鉸接處都裝有滾動(dòng)軸 承并采用金屬軟編織線進(jìn)行短接 以防止電流對(duì)軸承的燒損 平衡桿的作用是保 證集電頭滑板面在受電弓整個(gè)工作高度范圍內(nèi) 始終保持基本水平狀態(tài) 3 集電頭部分 集電頭部分包括集電頭支撐和集電頭 集電頭是直接與接觸導(dǎo)線接觸受流的 部分 其上裝有碳滑板 集電頭支撐垂懸在4個(gè)拉簧下方 兩個(gè)扭簧安裝在集電頭 和上臂間 克服橫向偏移 這種結(jié)構(gòu)使滑板在機(jī)車運(yùn)行方向上移動(dòng)靈活 而且能 夠吸收橫向方向上的沖擊 達(dá)到保護(hù)滑板的目的 動(dòng)態(tài)接觸壓力 隨速度的變化增加或減少 可以通過(guò)安裝集電頭翼片來(lái)對(duì)不同 速度等級(jí)的機(jī)車進(jìn)行調(diào)節(jié) 如用戶需要 滑板中有氣腔 通有壓縮空氣 如果滑板出現(xiàn)磨損到極限或斷裂時(shí) 受電弓 會(huì)迅速自動(dòng)降下 更換滑板后 自動(dòng)降弓裝置重新啟動(dòng) 4 升弓裝置和氣路組裝 升弓裝置傳遞 實(shí)現(xiàn)對(duì)受電弓升降運(yùn)動(dòng)的控制 升弓裝置包括氣囊組裝 矩 形管 支架組焊 螺桿 四聯(lián)體等組成 升弓裝置一頭安裝在底架上 另一端通 過(guò)鋼絲繩與螺栓固定在下臂桿的調(diào)整板上 氣路組裝是由閥板和提供壓縮氣體的管路組成 閥板安裝于機(jī)車內(nèi) 通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié) 流閥開口的大小來(lái)控制升降弓時(shí)間 管路一端和升弓裝置的氣囊連接 另一端與 絕緣軟管連接 由機(jī)車供風(fēng)斷風(fēng) 從而實(shí)現(xiàn)升降弓控制 二 DSA200 型受電弓技術(shù)參數(shù) 1 主要技術(shù)參數(shù) 主要技術(shù)參數(shù) 額定工作電壓 25 kV 額定工作電流 1 000 A 設(shè)計(jì)速度 200 km h 靜態(tài)接觸壓力 70 N 10 N 可調(diào) 最低工作高度 包括絕緣子 888 mm 黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 4 最高工作高度 包括絕緣子 2 800 mm 最大升弓高度 包括絕緣子 3 000 mm 折疊高度 包括絕緣子 588 mm 集電頭總長(zhǎng)度 1 950 mm 集電頭寬度 580 mm 滑板總長(zhǎng)度 1 576 mm 碳滑板 1 250 mm 輸入空氣壓力 0 4 1 MPa 接觸壓力為70 N時(shí)空氣壓力 約0 36 0 38 MPa 2 DSA200型受電弓的特點(diǎn)與特性 1 1 技術(shù)先進(jìn) 世界范圍普及率高技術(shù)先進(jìn) 世界范圍普及率高 DSA系列受電弓 技術(shù)成熟 產(chǎn)品在歐 亞 美等幾大洲均有較高的市場(chǎng)占有 率 這一技術(shù)在我國(guó)的成功引進(jìn) 完全符合鐵道部倡導(dǎo)的在我國(guó)鐵路機(jī)車車輛產(chǎn) 品方面打造中國(guó) 奧迪 的戰(zhàn)略方針 2 2 動(dòng)態(tài)接觸性能好動(dòng)態(tài)接觸性能好 先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及大量采用優(yōu)質(zhì)鋁合金和不銹鋼等輕型材料保證了較輕的整 弓質(zhì)量 是TSG3型受電弓質(zhì)量的一半 尤其是輕質(zhì)量的弓頭及較大的弓頭自由度 實(shí)現(xiàn)了弓網(wǎng)的良好接觸 在已進(jìn)行的弓網(wǎng)試驗(yàn)檢測(cè)表明 離線率幾近為0 3 3 壽命長(zhǎng)壽命長(zhǎng) 整弓的設(shè)計(jì)壽命為30年 易損件設(shè)計(jì)壽命均在5年以上 4 4 在接觸網(wǎng)線正常的情況下 實(shí)現(xiàn)在接觸網(wǎng)線正常的情況下 實(shí)現(xiàn)1010萬(wàn)公里免維護(hù)萬(wàn)公里免維護(hù) 由于關(guān)鍵件采用國(guó)際知名品牌 質(zhì)量可靠 如荷蘭KONI公司的阻尼器 德國(guó) KNORR公司和日本SMC公司的閥類 德國(guó)INA ASK 及FAG軸承 法國(guó)生產(chǎn)的氣囊等 高質(zhì)量配件的采用大大降低了產(chǎn)品的故障率及維修費(fèi)用 5 5 耐侯性及耐腐蝕性強(qiáng)耐侯性及耐腐蝕性強(qiáng) 產(chǎn)品可在 40 70 的氣候條件下正常使用 適應(yīng)中國(guó)廣大地區(qū)及高溫 高寒 高空氣鹽密地區(qū) 6 6 安全獨(dú)特的安全獨(dú)特的ADDADD系統(tǒng)系統(tǒng) 獨(dú)特的自動(dòng)降弓裝置 ADD系統(tǒng) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 可靠性高 反應(yīng)靈敏 動(dòng) 態(tài)情況下1 2s離線150mm 7 7 可匹配集成化主斷控制器可匹配集成化主斷控制器 在弓網(wǎng)故障發(fā)生時(shí) 主斷控制器可斷開機(jī)車主斷路器 從而避免了帶負(fù)載降 弓時(shí)弓網(wǎng)之間產(chǎn)生拉弧而損壞受電弓和接觸網(wǎng) 該裝置輸出為無(wú)觸點(diǎn)控制 體積 黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 5 小 可靠性高 安裝簡(jiǎn)單 8 產(chǎn)品的質(zhì)量保證期長(zhǎng) 整弓的質(zhì)量保證期為50萬(wàn)公里或48個(gè)月 較小的氣動(dòng)阻力及不同氣流條件下保持不變的氣動(dòng)性能 由于總量較小以及 有利質(zhì)量分配 在低觸點(diǎn)壓力情況下以少量電弧進(jìn)行能量傳輸 在單牽引以及多牽引時(shí)滑板運(yùn)行效率較高 黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 1 第 2 章 一 課題背景及研究的目的和意義 電力機(jī)車主要組成部分機(jī)車轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)直接影響電力機(jī)車的構(gòu)造以 及能否保證機(jī)車的安全運(yùn)用與運(yùn)行 因此 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的制造質(zhì)量與精度就起著 決定性的因素 構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架的骨架和重要承力部件 在構(gòu)架生產(chǎn)制造過(guò)程中面 對(duì)的主要問(wèn)題是如何控制焊接變形 而本文所研究的構(gòu)架側(cè)梁變形又是構(gòu)架焊接 生產(chǎn)過(guò)程中控制焊接變形的關(guān)鍵因素 轉(zhuǎn)向架作為鐵道機(jī)車車輛的走行部分的主 要部件 它對(duì)行車安全起著至關(guān)重要的作用 其可靠性直接決定了機(jī)車車輛的運(yùn) 行的安全 構(gòu)架是其他部件的安裝基礎(chǔ) 如軸箱拉桿 垂向油壓減震器 牽引電 動(dòng)機(jī) 旁承等 還要傳遞車體與動(dòng)輪之間的縱向 垂向 橫向等各種作用力 2003 年對(duì) 135 臺(tái)在運(yùn)行的轉(zhuǎn)向架進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn) 有 44 輛車在縱向牽引拉桿座的 焊縫處發(fā)現(xiàn)不同程度的裂紋 最大裂紋長(zhǎng)度有 50mm 此外鄭州某機(jī)務(wù)段在對(duì)機(jī)車 進(jìn)行例行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)有 7 臺(tái)在運(yùn)的韶山 4G 電力機(jī)車中機(jī)車側(cè)梁與牽引梁的焊縫處 發(fā)現(xiàn)不同程度的裂紋 最大裂紋長(zhǎng)度有 50mm 左右 原因是由于轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接 變形量過(guò)大 內(nèi)應(yīng)力過(guò)大造成 1 20 世紀(jì) 30 年代中期 幾乎多數(shù)的內(nèi)燃機(jī)車 蒸汽機(jī)車 電力機(jī)車 鐵道車輛 的主要承力部件的制造大都采用焊接工藝 但也有少數(shù)車型仍采用鑄造的方法 隨著我國(guó)鐵路的跨越式發(fā)展 作為牽引動(dòng)力的電力機(jī)車朝著大功率 重載方向發(fā) 展 為了保證重載機(jī)車行車安全 對(duì)機(jī)車主要的承力部件的抗疲勞強(qiáng)度及其結(jié)構(gòu) 強(qiáng)度的要求逐步提高 因此需要制定科學(xué)的焊接工藝來(lái)保證電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架側(cè)梁 等主要承力部件的焊接質(zhì)量 電力機(jī)車機(jī)械部分的主要承力部件大都采用鋼板焊 接的箱型結(jié)構(gòu) 這種焊接的箱型結(jié)構(gòu)相對(duì)于鑄造加工方法相比其優(yōu)點(diǎn)是可以使結(jié) 構(gòu)輕量化 即不降低部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度又節(jié)約了材料 并且焊接制造工藝與其他制造 工藝來(lái)說(shuō)生產(chǎn)周期較短 步驟簡(jiǎn)單可以生產(chǎn)較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)部件 目前 鐵道機(jī)車 車輛轉(zhuǎn)向架焊接的箱型結(jié)構(gòu)已成為復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造中應(yīng)用最多的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之一 2 焊接機(jī)構(gòu)在焊接時(shí) 由于焊接熱源具有高溫 并沿焊接點(diǎn)移動(dòng) 所以受溫度 焊接速度的影響整個(gè)轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接過(guò)程就及其復(fù)雜 由于機(jī)車轉(zhuǎn)向架側(cè)梁尺寸 較大 整個(gè)焊接的過(guò)程就顯得及其復(fù)雜 整個(gè)過(guò)程加熱不均勻 因此側(cè)梁的溫度 分布就及其不均勻 焊接后冷卻時(shí)就使轉(zhuǎn)向架側(cè)梁產(chǎn)生分布不均勻的應(yīng)力同時(shí)產(chǎn) 黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 2 生不均勻的應(yīng)變 最終就導(dǎo)致了殘余變形的產(chǎn)生 轉(zhuǎn)向架側(cè)梁結(jié)構(gòu)的整體性受到 殘余變形的影響 其大小又決定著你加工的工藝能否滿足設(shè)計(jì)要求 殘余變形量 大更影響著機(jī)車可靠的安全運(yùn)用 3 側(cè)梁的殘余變形會(huì)產(chǎn)生很大的隱患 例如在側(cè) 梁與牽引梁的接頭中形成裂紋 影響轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度 尺寸參數(shù)不能達(dá)到 標(biāo)準(zhǔn) 因此從轉(zhuǎn)向架側(cè)梁整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的每一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié) 包括設(shè)計(jì) 材料的 選擇 焊接的工藝與方法 焊后的處理等進(jìn)行嚴(yán)格的控制 由于側(cè)梁是焊接的箱 型結(jié)構(gòu) 其殘余變形的控制通過(guò)焊縫的質(zhì)量保證來(lái)達(dá)到 這也是說(shuō)焊縫的質(zhì)量是 焊接質(zhì)量的核心問(wèn)題 通過(guò)對(duì)焊縫質(zhì)量的控制 來(lái)提高產(chǎn)品的質(zhì)量 減小焊接殘 余應(yīng)力 目前內(nèi)燃機(jī)車 電力機(jī)車 鐵道車輛在走行部的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上普遍都采用鋼板 焊接的箱型鋼結(jié)構(gòu) 因此箱型結(jié)構(gòu)的主要性能參數(shù)能否達(dá)到機(jī)車重載運(yùn)行要求就 很關(guān)鍵 如結(jié)構(gòu)的抗疲勞強(qiáng)度 箱型鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度 箱型鋼結(jié)構(gòu)的鋼度 焊接的 精度等 在轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接加工時(shí) 由于焊接的不均衡加熱使得焊接后的側(cè)梁結(jié) 構(gòu)發(fā)生形變 因此焊接加工生產(chǎn)的側(cè)梁質(zhì)量不能得到良好的控制 需要加工制造 后對(duì)產(chǎn)生的變形量進(jìn)行矯正 現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)技術(shù)人員長(zhǎng)期積累的工作經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)來(lái)制 定矯正變形量的方法 象側(cè)梁這樣較大較復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)在對(duì)其變形量進(jìn)行矯正 時(shí)就顯得極其不容易 致使生產(chǎn)周期過(guò)長(zhǎng) 效率低 容易出現(xiàn)次品 為了較小焊 接后變形量對(duì)側(cè)梁整體結(jié)構(gòu)的影響 首先應(yīng)對(duì)產(chǎn)生的變形量進(jìn)行評(píng)價(jià) 同時(shí)采取 措施來(lái)減小變形量以縮短生產(chǎn)周期 提高生產(chǎn)效率 較少次品率需要對(duì)側(cè)梁的加 工工藝與焊接過(guò)程進(jìn)行理論化 系統(tǒng)化的分析研究 通過(guò)成系統(tǒng)化的分析找到側(cè) 梁焊接加工過(guò)程中產(chǎn)生變形量的預(yù)測(cè)方法 轉(zhuǎn)向架又是電力機(jī)車的走行部 其構(gòu)架是電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架的重要部分 是一 個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜 尺寸要求較高的焊接件 承受較大的作用力 南車集團(tuán)株洲電力機(jī) 車廠是制造電力機(jī)車的龍頭行業(yè) 制造電力機(jī)車已有幾十年的歷史 該廠轉(zhuǎn)向架 側(cè)梁的制造工藝方法是 板材下料 板材加工 板材壓形 各粱焊接 各梁加工 構(gòu)架焊接 組焊 構(gòu)架退火 構(gòu)架整體加工 附件組焊 構(gòu)架拋丸 構(gòu)架油漆 4 株洲廠在側(cè)梁制造過(guò)程中減小焊接后的變形量的工藝是通過(guò)對(duì)焊接的方法合 理選取 對(duì)焊縫的布置進(jìn)行重新設(shè)計(jì) 焊接時(shí)使其產(chǎn)生相反的殘余變形 采用固 件固定的方法 目前計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)正在不斷的發(fā)展 而且應(yīng)用到了較多的工程實(shí)踐當(dāng)中 黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 3 計(jì)算機(jī)本身的硬件配置與計(jì)算速度都有較大幅度的提高 提高了計(jì)算機(jī)模擬焊接 過(guò)程的速度 提高了工作效率 利用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)際的物理過(guò)程 稱為數(shù)值模擬 試驗(yàn) 4 通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)電力機(jī)車構(gòu)架側(cè)梁焊縫焊接過(guò)程進(jìn)行的模擬 可以對(duì)側(cè)梁焊 接過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化 這可以降低了生產(chǎn)試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)與時(shí)間 為提高焊接質(zhì)量提供數(shù)據(jù) 支持 因此 數(shù)值模擬在工程實(shí)踐與研究中具有深遠(yuǎn)的意義 機(jī)車結(jié)構(gòu)除轉(zhuǎn)向架外 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)如圖 1 1 所示 是通過(guò)二系懸掛裝置 旁承 和一系懸掛裝置 軸箱彈簧 垂向油壓減震器 作用在側(cè)梁上 機(jī)車的縱向牽引 力通過(guò)輪對(duì)作用在軸箱上 軸箱作用在軸箱上 下拉桿以及拉桿座 軸箱拉桿座 與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁相連進(jìn)行傳遞的 轉(zhuǎn)向架焊接焊情況相當(dāng)復(fù)雜 這就存在著一 些焊接缺陷應(yīng) 降低了轉(zhuǎn)向架整體的疲勞強(qiáng)度與壽命 當(dāng)機(jī)車通過(guò)曲線時(shí) 橫向 力也通過(guò)軸箱及拉桿或側(cè)檔作用在側(cè)梁上 在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁生產(chǎn)制造過(guò)程由于 不能很好地控制焊接變形而達(dá)不到設(shè)計(jì)尺寸要求 為了矯正焊接變形而不得不采 用火焰加熱械調(diào)直等方法 這樣做不僅增加成本 而且會(huì)改余應(yīng)力的分布狀態(tài) 殘余應(yīng)力的存在對(duì)機(jī)車構(gòu)架勞強(qiáng)度和疲勞壽命均有很大的影響 特別是應(yīng)力和高 殘余應(yīng)力疊加的轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接接頭 往往產(chǎn)生應(yīng)變循環(huán) 若材料的韌性儲(chǔ)備不 足 就有可能開裂造成危害及隱患 直接影響著重載列車的行車安全 綜上所述 如何通過(guò)數(shù)值模擬仿真的方法對(duì)側(cè)梁的焊接變形進(jìn)行預(yù)測(cè)并采取 圖 1 1 SS4 電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架 1 前 后端梁 2 左 振器座 3 牽引梁 4 定位板 5 減震器座 6 垂向減振器座 7 下拉桿座 8 上拉桿座 黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 4 一定的措施控制焊接變形 保證側(cè)梁焊接制造過(guò)程中的焊接質(zhì)量 就成為保證整 個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵 二 國(guó)內(nèi)外研究狀況 一 國(guó)外焊接變形控制研究概況 在 20 世紀(jì) 40 年代初期關(guān)于焊接結(jié)構(gòu)的焊接變形與焊接應(yīng)力方面的研究較少 Osgood 5 教授對(duì)這方面進(jìn)行了分析與研究并提出了淺顯的原因 20 世紀(jì) 60 年代初 開始使用計(jì)算機(jī)研究焊接應(yīng)力和變形問(wèn)題 20 世紀(jì) 60 年代中期泰爾首先利用計(jì)算 機(jī)技術(shù) 對(duì)一條簡(jiǎn)單的焊縫進(jìn)行了數(shù)值模擬分析 通過(guò)編程計(jì)算出焊接應(yīng)力 6 1967 年一些學(xué)者開始研究鋼板在焊接時(shí)的應(yīng)力變化 找到了應(yīng)力集中與收縮引起 的焊接變形的原因 Watanabe Satoh K 7 為典型的代表 同時(shí)提出了預(yù)測(cè)焊接變 形的一系列公式為今后的焊接變形預(yù)測(cè)技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ) 金屬材料的性能與 溫度場(chǎng)之間的關(guān)系理論首先在 20 世紀(jì) 70 年代初 由日本的村川英一 麻寧等應(yīng) 用數(shù)值模擬分析的方法研究出來(lái) 為以后的應(yīng)力場(chǎng)與應(yīng)變場(chǎng)的有限元的分析奠定 了基礎(chǔ) 1 DaniewiczSR 8 對(duì)大型的焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究 通過(guò)數(shù)值模擬的 方法仿真模擬了焊縫的收縮情況 并成功的應(yīng)用到了輪船的焊接結(jié)構(gòu)中 為大型 的焊接結(jié)構(gòu)焊接變形的有限元分析提供了經(jīng)驗(yàn)與試驗(yàn)數(shù)據(jù) 有限元在二十世紀(jì)八 十年代其技術(shù)發(fā)展的日臻成熟 通過(guò)試驗(yàn)人員的大量研究 焊接結(jié)構(gòu)在焊接過(guò)程 中的應(yīng)力分布 焊接的殘余變形的情況掌握的以及各種焊接結(jié)構(gòu)的有限元分析也 在不斷深入 焊接殘余變形有限元分析的精準(zhǔn)度還不是很高 不能用于生產(chǎn)實(shí)踐 因此瓊弗森等人提高了焊縫殘余應(yīng)力分布的模擬分析的精準(zhǔn)度 對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的焊 接殘余應(yīng)力應(yīng)力分布情況進(jìn)行了研究 討論了減小管件焊接殘余變形的方法 9 在 彈 粘塑性模型與彈塑性模型的使用上加拿大卡爾頓大學(xué)機(jī)械航空工程系 John Goldak 10 11 教授等提出了自己的觀點(diǎn) John Goldak 教授是熱加工過(guò)程數(shù)值模擬領(lǐng) 域著名學(xué)者 主要從事焊接熱過(guò)程 鑄造熱過(guò)程數(shù)值模擬和軟件研究工作 并提 出了根據(jù)焊接溫度的不同應(yīng)使用相應(yīng)的模型來(lái)計(jì)算 二十世紀(jì)九十年代隨著計(jì)算 機(jī)的硬件制造工藝的發(fā)展 計(jì)算機(jī)的內(nèi)存與主頻逐步提高 因此為有限元的發(fā)展 提供了關(guān)闊的前景 20 世紀(jì)末研究人員對(duì)焊接熱源即焊接點(diǎn)熱力分布進(jìn)行了研究 并考慮到了焊接過(guò)程熱力學(xué)與晶相學(xué) 通過(guò)計(jì)算的出的結(jié)論與試驗(yàn)測(cè)出的結(jié)論一 致 Tso Liang Teng Tso Liang Teng Chin Ping Fung Peng Hsiang Chang 12 等 對(duì)利用有限元分析軟件模擬了焊接構(gòu)件的應(yīng)力分布 對(duì)今后的焊接應(yīng)力數(shù)值分析 黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 5 提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn) 對(duì)于較厚的鋼板焊接的數(shù)值模擬難度較大 加拿大的希迪亞 克等人對(duì)此進(jìn)行了大量的研究 并構(gòu)建了熱應(yīng)力的立體模型 同時(shí)將影響人熱應(yīng) 力分布的晶相學(xué)考慮進(jìn)去 隨著有限元技術(shù)發(fā)展的深入 焊接熱彈 塑性有限元 分析逐漸發(fā)展到三維模型研究 二十一世紀(jì)初對(duì)三維焊接模型進(jìn)行了研究 13 對(duì) 于焊接結(jié)構(gòu)的變形研究也逐步深入 結(jié)構(gòu)變形預(yù)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展研究在工程實(shí)踐中 具有深遠(yuǎn)的意義 因此焊接變形預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)研究具有代表性的國(guó)家就是英國(guó) 二 焊接變形控制在國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀 七十年代初期對(duì)應(yīng)力變形的研究還處在起步階段 首先研究者對(duì)焊接過(guò)程中 的應(yīng)力對(duì)焊接件的影響 以及焊接應(yīng)力與焊接應(yīng)力對(duì)焊接裂紋影響進(jìn)行了分析 并得出了試驗(yàn)數(shù)據(jù) 具有代表性的要數(shù)西安交大 14 為了提高熱 彈塑性有限元 焊接數(shù)值分析的確切性 上海交大在 1980 年初研究了不同焊接熱源條件下的有限 元分析方法 并消除了不同焊接中焊接熱源負(fù)面作用 并取得一定的數(shù)據(jù)成果 15 但總體來(lái)說(shuō) 我國(guó)的焊接數(shù)值模擬研究起步晚 沒有前人的經(jīng)驗(yàn) 落后發(fā)達(dá)國(guó)家 十幾年以上 盡管起步落后 但我國(guó)在焊接變形控制有限元分析領(lǐng)域也作出了較多的貢獻(xiàn) 許多的科研人員在此領(lǐng)域進(jìn)行了深入的研究 在堆焊時(shí)的應(yīng)力和變形的研究方面 孟繁森等一些研究人員在模擬焊接過(guò)程中利用計(jì)算機(jī)有限元通過(guò)應(yīng)力 應(yīng)變圖形 分布程序 方便直觀的分析出應(yīng)力和變形的情況 由于三維分析焊接應(yīng)力和變形 較為復(fù)雜 研究人員更是把涉及到三維的內(nèi)容與二維內(nèi)容互為變化 同時(shí)又充分 利用變形熱彈其平面塑性的物理特性 研究了一種集計(jì)算精準(zhǔn) 數(shù)據(jù)平衡并行之 有效的推論辦法 當(dāng)然其功能還在于有效穩(wěn)定的三維焊接熱彈性有限元法 其中 具有代表性的就是汪建華等人 16 18 由于焊接分段移動(dòng)熱源在有限元模型的建立 上較為復(fù)雜 為了少計(jì)算 簡(jiǎn)化模型構(gòu)建 提高計(jì)算效率清華大學(xué)就經(jīng)過(guò)研究 簡(jiǎn)化了建模方法并將此研究應(yīng)用到了挖掘機(jī) 起重機(jī)主梁的設(shè)計(jì) 制造工藝當(dāng)中 取得了較好的效果 19 哈爾濱工業(yè)大學(xué)焊接教研室主任田錫唐是我國(guó)著名焊接專 家 在焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形控制方面有突出貢獻(xiàn) 在焊接熱力過(guò)程有限元數(shù)值模 擬應(yīng)用上進(jìn)行了多方面的研究工作 20 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的孟慶國(guó) 陶軍等在焊接 動(dòng)態(tài)位移場(chǎng)的建模與數(shù)值模擬也做了研究 21 二十世紀(jì) 60 年代和 70 年代 關(guān)橋 院士在航空工業(yè)焊接中作出突出貢獻(xiàn) 攻關(guān)了多個(gè)飛行器特種焊接項(xiàng)目中關(guān)鍵技 術(shù) 并提出了 低應(yīng)力無(wú)變形焊接 理論 即焊接的 靜態(tài)控制 推向 動(dòng)態(tài)控 制 這種理論是他從大量影響飛行器薄壁焊接結(jié)構(gòu)安全性和可靠性的因素中 黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 6 提煉出的一個(gè)構(gòu)思 22 在高速機(jī)車結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬應(yīng)用上 大連交大的崔曉芳 楊鑫華 兆文忠在基于熱 機(jī)耦合算法建立了熱彈 塑性仿真模型 23 24 經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)其它一些專業(yè)人員的不斷深入研究 焊接領(lǐng)域的不斷發(fā)展也是突飛 猛進(jìn) 首先是關(guān)于焊接結(jié)構(gòu)的有限元技術(shù) 從原有的只注重在應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和溫度 應(yīng)變場(chǎng)這一專一的方面向同時(shí)可以檢測(cè)到組織 結(jié)構(gòu) 性能這一中觀和微觀尺度 這種?？菩缘陌l(fā)展 從原有單一的溫度場(chǎng) 電流場(chǎng) 應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)發(fā)展到縱向的多 場(chǎng)和多維耦合集成的變化方向 三 熱 彈塑性有限元分析理論 一 焊接溫度場(chǎng) 焊接件在焊接時(shí)在焊接熱源的高溫焊接下 焊接件內(nèi)外各點(diǎn)的某一時(shí)刻的溫 度分布情況稱為焊接溫度場(chǎng) 由于焊接過(guò)成是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程 因此在構(gòu)件焊接時(shí) 形成的溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化而變化且極不均勻 在極不均勻的溫度場(chǎng)作用下使焊接 件產(chǎn)生焊接形變 同時(shí)焊接件的金屬組織形態(tài)發(fā)生改變 金屬顯微組織的變化也 可以是焊接件產(chǎn)生應(yīng)力并引起形變 可以得出結(jié)論分析焊接產(chǎn)于變形首先應(yīng)從焊 接溫度場(chǎng)著手 但也不能忽略金相與顯微組織對(duì)焊接形變的反作用 因此討論轉(zhuǎn) 向架側(cè)梁焊接變形第一步應(yīng)模擬計(jì)算分析側(cè)梁的焊接溫度場(chǎng)分布情況 1 11 1 焊接傳熱形式與基本方程 1 焊接傳熱的形式 對(duì)于焊接過(guò)程來(lái)說(shuō)有熱傳導(dǎo) 熱輻射 對(duì)流等三種過(guò) 程同時(shí)存在 但是那種傳熱形式占主導(dǎo)地位要看構(gòu)件的加工工藝與方法而定 在 電弧焊接的條件下時(shí) 焊接電弧所產(chǎn)生的能量主要與輻射和對(duì)流的形式傳遞給焊 接構(gòu)件 焊條和母材在獲得能量后主要以熱傳導(dǎo)的形式在內(nèi)部擴(kuò)散 焊接熱傳遞 過(guò)程研究的對(duì)象就是焊接的熱溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化的規(guī)律是怎樣的 但主要是以熱 傳導(dǎo)為主 輔以熱對(duì)流和輻射的作用 2 焊接熱傳導(dǎo)的方程 按照熱從焊接構(gòu)件的高溫部位向低溫部位流動(dòng) 它 的流動(dòng)遵循傅立葉定律 根據(jù)傅立葉定律及能量守恒定律 可以導(dǎo)出任一無(wú)限大 物體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)基本方程 假設(shè)有一個(gè)無(wú)限大的物體 dV dxdydz 則在x y z 三個(gè)方向的熱流量的變化設(shè)為dqx dqy dqz 在 dt 時(shí)間內(nèi)單位體積 dV 的熱量變 化為 25 得到的熱傳導(dǎo)的基本方程式為 222 2 222 TTTT T tcxyz 1 1 黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 7 式中 熱擴(kuò)散率 cm2 s 拉普拉斯運(yùn)算符號(hào) 沿 x y z 三個(gè)方向二階偏導(dǎo)函數(shù)之和 26 28 2T T xyz 表 1 1 焊接件在不同熱源獲得熱能 熱源QnR備 注 點(diǎn)熱源Qq t 3 222 xyz 線熱源 Q h 2 22 xy H 表示薄板厚度 面熱源 Q F 1xF 代表?xiàng)U件橫截面 結(jié) 論 本文在總結(jié)前人的工作基礎(chǔ)上 利用 SolidWorks 軟件模擬了 SS4G 電力機(jī)車 轉(zhuǎn)向架側(cè)梁縫的瞬時(shí)溫度場(chǎng) 靜態(tài)的應(yīng)力場(chǎng) 構(gòu)架側(cè)梁焊接合位移的變化情況 分析焊接變形數(shù)值模擬與焊接應(yīng)力數(shù)值模擬的基本原理 尋找提高電力機(jī)車轉(zhuǎn)向 架焊接變形數(shù)值模擬精度的分析方法 并通過(guò) SolidWorks Simulaiton 軟件制作了 SS4G 機(jī)車轉(zhuǎn)向架側(cè)的三維有限元模型 考利用 SolidWorks 有限元分析軟件的 Static 非線性靜態(tài)分析 熱分析 Thermal Analysis 插件 算例 的應(yīng)力與溫度場(chǎng) 分析功能模對(duì) 4 種不同焊接順序模型進(jìn)行分析得出研究成果如下 黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 8 黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 9 參考文獻(xiàn) 1 黃小葉 焊接構(gòu)架側(cè)梁殘余應(yīng)力數(shù)值模擬 D 西南交通大學(xué)碩士論文 2010 1 20 2 拉達(dá)伊 焊接熱效應(yīng)溫度場(chǎng) 殘余應(yīng)力 變形 熊第京等譯 M 機(jī)械社 1997 45 46 3 Wu Qiang Gong Jinke Chen Genyu et al Research on laser welding of vehicle body Optics Laser Technical 2008 40 420 6 4 張三磊 動(dòng)力機(jī)車轉(zhuǎn)向架焊接變形預(yù)測(cè)系統(tǒng)研究 D 上海交通大學(xué)碩文 2010 1 5 汪建華 焊接變形和殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)理論與計(jì)算一發(fā)展及應(yīng)用前景 C 屆計(jì)算機(jī) 在焊接中的應(yīng)用技術(shù)交流會(huì)論文集 上海 2000 13 19 6 武傳松 焊接熱過(guò)程數(shù)值分析 M 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 1990 12 7 WatanabeM SatohK Fundamental study on buckling of thins steel plate due to bead welding Journalof Japan Welding Society M 1959 27 6 13 20 8 Daniewicz S R McAninch M D McFarland B Application of deformation control technology duringfabrication of large offshore structures Proc of AWS ORNL International Conference on Modeling andControl of Joining Processes M 1993 67 68 9 KS AlfredssonandB LJosefson Harmonie Respnse of a Spot Welded BoxBeam Infiuence of Welding Residual Stresses and Deformations J Proc IUTAM SymPosium on the Mechanical Effeets of Welding Lulea Aweden june 1991 1 8 10 Goldak J Chakravarti eta l A New Finite Element Model for Welding Heat Sources MetallurgicalTransactions B M 1984 15B 298 306 11 GoldakK ZhouJ eta l Thermal Stress Analysis of Welds From Melting Point to Room TemperatureProceedings of the International Symposium on Theoretical Prediction in Joining and Welding M Japan 1996 225 230 12 Tso Liang Teng Chih Cheng Lin Effect of Welding Conditions on Residual Stresses due to ButtWelds International Journal of Pressure Vessels and Piping M 1998 75 856 868 13 L karlsson etal Thermal stresses in welding in R Hetnarski ed Thermal Stressesl North Holland Amsterdam 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