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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 論文 畢業(yè)設(shè)計 論文 題目 專業(yè)班級 姓 名 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計 論文 開題報告畢業(yè)設(shè)計 論文 開題報告 題目 1 本課題的來源 選題依據(jù) 2 本課題的設(shè)計 研究 意義 相關(guān)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 3 本課題的基本內(nèi)容 重點和難點 擬采用的實現(xiàn)手段 途徑 可以另附頁 4 文獻綜述 列出主要參考文獻的作者 名稱 出版社 出版時間以及與 本課題相關(guān)的主要參考要點 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 中期進展情況檢查表中期進展情況檢查表 年 月 日 課題名 稱 學(xué)生姓 名 學(xué) 號專 業(yè) 指導(dǎo)教 師 職 稱 主要研 究內(nèi)容 及進展 尚須完 成的任 務(wù) 存在的 主要問 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 論文 I 摘 要 受電弓是電力機車的電力接受器 在運行中它和電力網(wǎng)線高速滑動接觸 車 頭通過它把電力從電網(wǎng)引入 它是地鐵輕軌 普通鐵路 高速鐵路電氣化很重要 的一個火車部件 剛性底架由型材 鋼材 組焊而成 它是整個受電弓的基座部分 并通過絕緣子固定在機車車頂上 底架上裝有升弓氣囊 一套鉸鏈機構(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 構(gòu)中的下臂桿上 鉸鏈機構(gòu)是實現(xiàn)集電頭升降運動的機構(gòu) 包括有上框架 下臂 桿 拉桿和平衡桿等 它們通過各種鉸鏈座鉸接 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 處都裝有滾動軸承并采用金屬軟編織線進行短接 以防止電流對軸承的燒損 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 個拉簧下方 兩個扭簧安裝在集電頭和上臂間 克服橫向偏移 這種結(jié) 構(gòu)使滑板在機車運行方向上移動靈活 而且能夠吸收橫向方向上的沖擊 達到保 護滑板的目的 動態(tài)接觸壓力 隨速度的變化增加或減少 可以通過安裝集電頭翼片來對不同 速度等級的機車進行調(diào)節(jié) 如用戶需要 所以受電弓的日常維護與檢查是確保列車 運行安全的重點之一 簡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 故障 預(yù)備 牽引無流 黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 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 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 國內(nèi)外研究狀況 4 一 國外焊接變形控制研究概況 4 二 焊接變形控制在國內(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 6 結(jié)結(jié) 論論 8 8 參考文獻參考文獻 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 論文 1 第 1 章 緒 論 DSAA200型單臂受電弓是目前國內(nèi)新造機車的首選型號 其設(shè)計速度 200km h 適用于相應(yīng)速度等級的各種電力機車及動車組 其結(jié)構(gòu)合理 輕量化設(shè) 計 整弓質(zhì)量約125Kg 采用氣囊驅(qū)動升降弓 傳動系統(tǒng)安全可靠 弓頭采用彈性 懸掛型式 自由度大 相對接觸網(wǎng)線的跟隨性好 受流質(zhì)量高 具有獨特的自動 降弓裝置 ADD系統(tǒng) 當受電弓發(fā)生刮弓等故障時 自動降弓裝置使受電弓快速 降弓 對受電弓和網(wǎng)線起到保護作用 DSA200型受電弓設(shè)計速度為200km h 采 用了輕量化設(shè)計 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 其空氣壓力的變化來激勵自動降弓裝置的動作 驅(qū)動方式采用氣囊 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 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 各部件及整弓在實驗 室均經(jīng)過 40 的耐低溫試驗 經(jīng)過大量的裝車使用證明 DSA200受電弓適合不超過200km h各種運行速度等 級的機車和動車 電氣化鐵路的牽引動力是電力機車 機車本身不帶能源 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)高壓輸電線送來的電流 送到鐵路上空的接觸網(wǎng) 上 接觸網(wǎng)是向電力機車直接輸送電能的設(shè)備 是電氣化鐵路的動脈 我國電氣 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 受電弓靠滑動接觸而受流 是電力機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車工作的可靠性 隨著電力機車運行速度的不斷提 高 對其受流性能也提出了越來越高的要求 電力機車上安裝有兩臺受電弓 正常運行時一般只升后弓 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)簡單 尺寸小 重量輕 調(diào)整容易 具有良好的動特性 高速時動態(tài)跟隨性及受流特性較好 故而被現(xiàn)代 電力機車廣泛采用 目前 電力機車上采用有各種型號的受電弓 如SS1型 SS3B型機車采用的 黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 論文 2 TSG1 600 25型受電弓 SS4改型機車采用的TSG1 630 25型和LV260 2型受電弓 SS6型機車上采用的 TSG3 630 25型單臂受電弓 SS9型機車上采用的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型電力機車上安裝有兩架DSA 200型 它是一種采用氣囊驅(qū)動升弓的單臂 式受電弓 主要應(yīng)用與干線電力機車 該受電弓裝有阻尼器和ADD自動降弓裝置 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 在機車內(nèi) 圖中未標出 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 它是整個受電弓的基座部分 并通過絕緣 子固定在機車車頂上 底架上裝有升弓氣囊 一套鉸鏈機構(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 論文 3 桿上 2 鉸鏈機構(gòu) 鉸鏈機構(gòu)是實現(xiàn)集電頭升降運動的機構(gòu) 包括有上框架 下臂桿 拉桿和平 衡桿等 它們通過各種鉸鏈座鉸接 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軸 承并采用金屬軟編織線進行短接 以防止電流對軸承的燒損 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個拉簧下方 兩個扭簧安裝在集電頭 和上臂間 克服橫向偏移 這種結(jié)構(gòu)使滑板在機車運行方向上移動靈活 而且能 夠吸收橫向方向上的沖擊 達到保護滑板的目的 動態(tài)接觸壓力 隨速度的變化增加或減少 可以通過安裝集電頭翼片來對不同 速度等級的機車進行調(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 受電弓 會迅速自動降下 更換滑板后 自動降弓裝置重新啟動 4 升弓裝置和氣路組裝 升弓裝置傳遞 實現(xiàn)對受電弓升降運動的控制 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 閥板安裝于機車內(nèi) 通過調(diào)節(jié)節(jié) 流閥開口的大小來控制升降弓時間 管路一端和升弓裝置的氣囊連接 另一端與 絕緣軟管連接 由機車供風(fēng)斷風(fēng) 從而實現(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 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 集電頭總長度 1 950 mm 集電頭寬度 580 mm 滑板總長度 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時空氣壓力 約0 36 0 38 MPa 2 DSA200型受電弓的特點與特性 1 1 技術(shù)先進 世界范圍普及率高技術(shù)先進 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占有 率 這一技術(shù)在我國的成功引進 完全符合鐵道部倡導(dǎo)的在我國鐵路機車車輛產(chǎn) 品方面打造中國 奧迪 的戰(zhàn)略方針 2 2 動態(tài)接觸性能好動態(tài)接觸性能好 先進的結(jié)構(gòu)設(shè)計及大量采用優(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 實現(xiàn)了弓網(wǎng)的良好接觸 在已進行的弓網(wǎng)試驗檢測表明 離線率幾近為0 3 3 壽命長壽命長 整弓的設(shè)計壽命為30年 易損件設(shè)計壽命均在5年以上 4 4 在接觸網(wǎng)線正常的情況下 實現(xiàn)在接觸網(wǎng)線正常的情況下 實現(xiàn)1010萬公里免維護萬公里免維護 由于關(guān)鍵件采用國際知名品牌 質(zhì)量可靠 如荷蘭KONI公司的阻尼器 德國 KNORR公司和日本SMC公司的閥類 德國INA ASK 及FAG軸承 法國生產(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用 5 5 耐侯性及耐腐蝕性強耐侯性及耐腐蝕性強 產(chǎn)品可在 40 70 的氣候條件下正常使用 適應(yīng)中國廣大地區(qū)及高溫 高寒 高空氣鹽密地區(qū) 6 6 安全獨特的安全獨特的ADDADD系統(tǒng)系統(tǒng) 獨特的自動降弓裝置 ADD系統(tǒng) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單 可靠性高 反應(yīng)靈敏 動 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 主斷控制器可斷開機車主斷路器 從而避免了帶負載降 弓時弓網(wǎng)之間產(chǎn)生拉弧而損壞受電弓和接觸網(wǎng) 該裝置輸出為無觸點控制 體積 黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 論文 5 小 可靠性高 安裝簡單 8 產(chǎn)品的質(zhì)量保證期長 整弓的質(zhì)量保證期為50萬公里或48個月 較小的氣動阻力及不同氣流條件下保持不變的氣動性能 由于總量較小以及 有利質(zhì)量分配 在低觸點壓力情況下以少量電弧進行能量傳輸 在單牽引以及多牽引時滑板運行效率較高 黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 論文 1 第 2 章 一 課題背景及研究的目的和意義 電力機車主要組成部分機車轉(zhuǎn)向架的設(shè)計和生產(chǎn)直接影響電力機車的構(gòu)造以 及能否保證機車的安全運用與運行 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)制造過程中面 對的主要問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)過程中控制焊接變形的關(guān)鍵因素 轉(zhuǎn)向架作為鐵道機車車輛的走行部分的主 要部件 它對行車安全起著至關(guān)重要的作用 其可靠性直接決定了機車車輛的運 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 動機 旁承等 還要傳遞車體與動輪之間的縱向 垂向 橫向等各種作用力 2003 年對 135 臺在運行的轉(zhuǎn)向架進行檢查時發(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 最大裂紋長度有 50mm 此外鄭州某機務(wù)段在對機車 進行例行檢查時發(fā)現(xiàn)有 7 臺在運的韶山 4G 電力機車中機車側(cè)梁與牽引梁的焊縫處 發(fā)現(xiàn)不同程度的裂紋 最大裂紋長度有 50mm 左右 原因是由于轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接 變形量過大 內(nèi)應(yīng)力過大造成 1 20 世紀 30 年代中期 幾乎多數(shù)的內(nèi)燃機車 蒸汽機車 電力機車 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 隨著我國鐵路的跨越式發(fā)展 作為牽引動力的電力機車朝著大功率 重載方向發(fā) 展 為了保證重載機車行車安全 對機車主要的承力部件的抗疲勞強度及其結(jié)構(gòu) 強度的要求逐步提高 因此需要制定科學(xué)的焊接工藝來保證電力機車轉(zhuǎn)向架側(cè)梁 等主要承力部件的焊接質(zhì)量 電力機車機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)相對于鑄造加工方法相比其優(yōu)點是可以使結(jié) 構(gòu)輕量化 即不降低部件結(jié)構(gòu)強度又節(jié)約了材料 并且焊接制造工藝與其他制造 工藝來說生產(chǎn)周期較短 步驟簡單可以生產(chǎn)較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)部件 目前 鐵道機車 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 焊接機構(gòu)在焊接時 由于焊接熱源具有高溫 并沿焊接點移動 所以受溫度 焊接速度的影響整個轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接過程就及其復(fù)雜 由于機車轉(zhuǎn)向架側(cè)梁尺寸 較大 整個焊接的過程就顯得及其復(fù)雜 整個過程加熱不均勻 因此側(cè)梁的溫度 分布就及其不均勻 焊接后冷卻時就使轉(zhuǎn)向架側(cè)梁產(chǎn)生分布不均勻的應(yīng)力同時產(chǎn) 黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 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)計要求 殘余變形量 大更影響著機車可靠的安全運用 3 側(cè)梁的殘余變形會產(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)的疲勞強度 尺寸參數(shù)不能達到 標準 因此從轉(zhuǎn)向架側(cè)梁整個生產(chǎn)過程中的每一個生產(chǎn)環(huán)節(jié) 包括設(shè)計 材料的 選擇 焊接的工藝與方法 焊后的處理等進行嚴格的控制 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焊縫的質(zhì)量保證來達到 這也是說焊縫的質(zhì)量是 焊接質(zhì)量的核心問題 通過對焊縫質(zhì)量的控制 來提高產(chǎn)品的質(zhì)量 減小焊接殘 余應(yīng)力 目前內(nèi)燃機車 電力機車 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)能否達到機車重載運行要求就 很關(guān)鍵 如結(jié)構(gòu)的抗疲勞強度 箱型鋼結(jié)構(gòu)的強度 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 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 后對產(chǎn)生的變形量進行矯正 現(xiàn)場通過技術(shù)人員長期積累的工作經(jīng)驗與數(shù)據(jù)來制 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)在對其變形量進行矯正 時就顯得極其不容易 致使生產(chǎn)周期過長 效率低 容易出現(xiàn)次品 為了較小焊 接后變形量對側(cè)梁整體結(jié)構(gòu)的影響 首先應(yīng)對產(chǎn)生的變形量進行評價 同時采取 措施來減小變形量以縮短生產(chǎn)周期 提高生產(chǎn)效率 較少次品率需要對側(cè)梁的加 工工藝與焊接過程進行理論化 系統(tǒng)化的分析研究 通過成系統(tǒng)化的分析找到側(cè) 梁焊接加工過程中產(chǎn)生變形量的預(yù)測方法 轉(zhuǎn)向架又是電力機車的走行部 其構(gòu)架是電力機車轉(zhuǎn)向架的重要部分 是一 個結(jié)構(gòu)復(fù)雜 尺寸要求較高的焊接件 承受較大的作用力 南車集團株洲電力機 車廠是制造電力機車的龍頭行業(yè) 制造電力機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)梁制造過程中減小焊接后的變形量的工藝是通過對焊接的方法合 理選取 對焊縫的布置進行重新設(shè)計 焊接時使其產(chǎn)生相反的殘余變形 采用固 件固定的方法 目前計算機模擬技術(shù)正在不斷的發(fā)展 而且應(yīng)用到了較多的工程實踐當中 黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 論文 3 計算機本身的硬件配置與計算速度都有較大幅度的提高 提高了計算機模擬焊接 過程的速度 提高了工作效率 利用計算機模擬實際的物理過程 稱為數(shù)值模擬 試驗 4 通過計算機對電力機車構(gòu)架側(cè)梁焊縫焊接過程進行的模擬 可以對側(cè)梁焊 接過程進行優(yōu)化 這可以降低了生產(chǎn)試驗經(jīng)費與時間 為提高焊接質(zhì)量提供數(shù)據(jù) 支持 因此 數(shù)值模擬在工程實踐與研究中具有深遠的意義 機車結(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 機車的縱向牽引 力通過輪對作用在軸箱上 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)梁相連進行傳遞的 轉(zhuǎn)向架焊接焊情況相當復(fù)雜 這就存在著一 些焊接缺陷應(yīng) 降低了轉(zhuǎn)向架整體的疲勞強度與壽命 當機車通過曲線時 橫向 力也通過軸箱及拉桿或側(cè)檔作用在側(cè)梁上 在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁生產(chǎn)制造過程由于 不能很好地控制焊接變形而達不到設(shè)計尺寸要求 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 而且會改余應(yīng)力的分布狀態(tài) 殘余應(yīng)力的存在對機車構(gòu)架勞強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 如何通過數(shù)值模擬仿真的方法對側(cè)梁的焊接變形進行預(yù)測并采取 圖 1 1 SS4 電力機車轉(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 論文 4 一定的措施控制焊接變形 保證側(cè)梁焊接制造過程中的焊接質(zhì)量 就成為保證整 個產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵 二 國內(nèi)外研究狀況 一 國外焊接變形控制研究概況 在 20 世紀 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 教授對這方面進行了分析與研究并提出了淺顯的原因 20 世紀 60 年代初 開始使用計算機研究焊接應(yīng)力和變形問題 20 世紀 60 年代中期泰爾首先利用計算 機技術(shù) 對一條簡單的焊縫進行了數(shù)值模擬分析 通過編程計算出焊接應(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 同時提出了預(yù)測焊接變 形的一系列公式為今后的焊接變形預(yù)測技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ) 金屬材料的性能與 溫度場之間的關(guān)系理論首先在 20 世紀 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 為以后的應(yīng)力場與應(yīng)變場的有限元的分析奠定 了基礎(chǔ) 1 DaniewiczSR 8 對大型的焊接結(jié)構(gòu)進行了大量的研究 通過數(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)驗與試驗數(shù)據(jù) 有限元在二十世紀八 十年代其技術(shù)發(fā)展的日臻成熟 通過試驗人員的大量研究 焊接結(jié)構(gòu)在焊接過程 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度還不是很高 不能用于生產(chǎn)實踐 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度 對焊接結(jié)構(gòu)的焊 接殘余應(yīng)力應(yīng)力分布情況進行了研究 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)機械航空工程系 John Goldak 10 11 教授等提出了自己的觀點 John Goldak 教授是熱加工過程數(shù)值模擬領(lǐng) 域著名學(xué)者 主要從事焊接熱過程 鑄造熱過程數(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)的模型來計算 二十世紀九十年代隨著計算 機的硬件制造工藝的發(fā)展 計算機的內(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 世紀末研究人員對焊接熱源即焊接點熱力分布進行了研究 并考慮到了焊接過程熱力學(xué)與晶相學(xué) 通過計算的出的結(jié)論與試驗測出的結(jié)論一 致 Tso Liang Teng Tso Liang Teng Chin Ping Fung Peng Hsiang Chang 12 等 對利用有限元分析軟件模擬了焊接構(gòu)件的應(yīng)力分布 對今后的焊接應(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 論文 5 提供了寶貴的經(jīng)驗 對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 克等人對此進行了大量的研究 并構(gòu)建了熱應(yīng)力的立體模型 同時將影響人熱應(yīng) 力分布的晶相學(xué)考慮進去 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 二十一世紀初對三維焊接模型進行了研究 13 對 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)測系統(tǒng)的發(fā)展研究在工程實踐中 具有深遠的意義 因此焊接變形預(yù)測分析系統(tǒng)研究具有代表性的國家就是英國 二 焊接變形控制在國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 七十年代初期對應(yīng)力變形的研究還處在起步階段 首先研究者對焊接過程中 的應(yīng)力對焊接件的影響 以及焊接應(yīng)力與焊接應(yīng)力對焊接裂紋影響進行了分析 并得出了試驗數(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面作用 并取得一定的數(shù)據(jù)成果 15 但總體來說 我國的焊接數(shù)值模擬研究起步晚 沒有前人的經(jīng)驗 落后發(fā)達國家 十幾年以上 盡管起步落后 但我國在焊接變形控制有限元分析領(lǐng)域也作出了較多的貢獻 許多的科研人員在此領(lǐng)域進行了深入的研究 在堆焊時的應(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程中利用計算機有限元通過應(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 研究了一種集計算精準 數(shù)據(jù)平衡并行之 有效的推論辦法 當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 由于焊接分段移動熱源在有限元模型的建立 上較為復(fù)雜 為了少計算 簡化模型構(gòu)建 提高計算效率清華大學(xué)就經(jīng)過研究 簡化了建模方法并將此研究應(yīng)用到了挖掘機 起重機主梁的設(shè)計 制造工藝當中 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著名焊接專 家 在焊接結(jié)構(gòu)強度和變形控制方面有突出貢獻 在焊接熱力過程有限元數(shù)值模 擬應(yīng)用上進行了多方面的研究工作 20 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的孟慶國 陶軍等在焊接 動態(tài)位移場的建模與數(shù)值模擬也做了研究 21 二十世紀 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 攻關(guān)了多個飛行器特種焊接項目中關(guān)鍵技 術(shù) 并提出了 低應(yīng)力無變形焊接 理論 即焊接的 靜態(tài)控制 推向 動態(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 論文 6 提煉出的一個構(gòu)思 22 在高速機車結(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 機耦合算法建立了熱彈 塑性仿真模型 23 24 經(jīng)過國內(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 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)變場和溫度 應(yīng)變場這一專一的方面向同時可以檢測到組織 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 電流場 應(yīng)力應(yīng)變場發(fā)展到縱向的多 場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 焊接件在焊接時在焊接熱源的高溫焊接下 焊接件內(nèi)外各點的某一時刻的溫 度分布情況稱為焊接溫度場 由于焊接過成是一個動態(tài)過程 因此在構(gòu)件焊接時 形成的溫度場隨時間變化而變化且極不均勻 在極不均勻的溫度場作用下使焊接 件產(chǎn)生焊接形變 同時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 接溫度場著手 但也不能忽略金相與顯微組織對焊接形變的反作用 因此討論轉(zhuǎn) 向架側(cè)梁焊接變形第一步應(yīng)模擬計算分析側(cè)梁的焊接溫度場分布情況 1 11 1 焊接傳熱形式與基本方程 1 焊接傳熱的形式 對于焊接過程來說有熱傳導(dǎo) 熱輻射 對流等三種過 程同時存在 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 焊接電弧所產(chǎn)生的能量主要與輻射和對流的形式傳遞給焊 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)部擴散 焊接熱傳遞 過程研究的對象就是焊接的熱溫度場隨時間變化的規(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 它 的流動遵循傅立葉定律 根據(jù)傅立葉定律及能量守恒定律 可以導(dǎo)出任一無限大 物體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)基本方程 假設(shè)有一個無限大的物體 dV dxdydz 則在x y z 三個方向的熱流量的變化設(shè)為dqx dqy dqz 在 dt 時間內(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 論文 7 式中 熱擴散率 cm2 s 拉普拉斯運算符號 沿 x y z 三個方向二階偏導(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 代表桿件橫截面 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 電力機車 轉(zhuǎn)向架側(cè)梁縫的瞬時溫度場 靜態(tài)的應(yīng)力場 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 尋找提高電力機車轉(zhuǎn)向 架焊接變形數(shù)值模擬精度的分析方法 并通過 SolidWorks Simulaiton 軟件制作了 SS4G 機車轉(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 分析功能模對 4 種不同焊接順序模型進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 論文 8 黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 論文 9 參考文獻 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 拉達伊 焊接熱效應(yīng)溫度場 殘余應(yīng)力 變形 熊第京等譯 M 機械社 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 動力機車轉(zhuǎn)向架焊接變形預(yù)測系統(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)測理論與計算一發(fā)展及應(yīng)用前景 C 屆計算機 在焊接中的應(yīng)用技術(shù)交流會論文集 上海 2000 13 19 6 武傳松 焊接熱過程數(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 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