重載貨車擺動式轉向架制造工藝研究

胡宏偉

（南車長江車輛有限公司 工藝研究所，湖北武漢430212）

重載貨車擺動式轉向架制造工藝研究

胡宏偉

（南車長江車輛有限公司 工藝研究所，湖北武漢430212）

根據新型重載貨車大軸重擺動式轉向架結構特點，對該型轉向架的制造工藝進行了分析，通過對制造難點及關鍵件進行的仿真工藝分析，為試制及小批量生產制定了合理的工藝，經過試生產對工藝的合理性進行了驗證。

大軸重；轉向架；制造工藝

根據《中長期鐵路網發展規劃》，2020年前我國鐵路將陸續實行客貨分線運輸，形成＂客運高速、貨運重載＂的戰略格局。大軸重擺動式轉向架就是為適應這一形勢而為我國鐵路中南通道最新研發的一種重載貨車轉向架，軸重30 t。該轉向架采用我國現有擺動式轉向架成熟技術，同時，在優化結構的基礎上，一系采用軸箱彈性懸掛，有效地降低了轉向架簧下質量，并實現了輪對的彈性定位；通過搖動座、彈簧托板和軸箱彈簧實現側架可橫向擺動，增強轉向架橫向柔性，低動力、低磨耗特點顯著。該型轉向架主要由輪對、搖枕、側架、軸箱懸掛裝置、中央懸掛裝置、彈簧托板下擺動裝置、DAB-1型集成制動裝置、長行程彈性旁承等部分組成。

1 大軸重擺動式轉向架制造工藝及難點分析

1.1 主要結構

大軸重擺動式轉向架沿用了我國傳統3大件擺動式轉向架結構特點，但在搖枕、側架、彈簧托板等關鍵件的設計上采用了無焊接技術，降低了疲勞裂紋發生概率，提高了使用壽命，具體結構如圖1。

圖1 大軸重擺動式轉向架結構

1.2 結構工藝性分析

（1）搖枕、側架

搖枕、側架均為典型的箱形結構B＋級鋼鑄件，其橫截面為封閉的箱形截面。為有效降低簧下質量，鑄件產品壁厚采取了不等厚設計，鑄件澆鑄工藝較為復雜。

（2）彈簧托板

彈簧托板采用下凹形無焊接結構，取消了傳統彈簧托板上的焊接橫向止擋。由于彈簧托板板厚較厚，并且圓角半徑和板厚的比例接近2倍，整體一次冷壓成型，壓型后的尺寸、表面質量、殘余應力、裂紋狀況等難以控制。

（3）下擺動裝置

下擺動裝置主要由搖動座、搖動座支撐與彈簧托板組裝而成，其主要工藝與現有類似轉向架下擺動裝置結構基本一致，工藝較成熟。

（4）軸箱懸掛裝置

軸箱懸掛裝置主要由軸箱橡膠墊、彈性剪切板、承載鞍等組成。軸箱懸掛裝置結構簡單，裝配精度合理，組裝工藝簡便可靠。

（5）制動裝置

因基礎制動采用集成單元制動裝置，其主要控制要點為制動缸氣密性、閘調器性能、配件無錯裝、漏裝等，組裝工藝較簡單。

（6）輪軸

輪對選用RF2型車軸和HFS型或HFZ型車輪壓裝而成。車軸材質符合LZW鋼或LZ45Cr V鋼要求；車輪為LM型磨耗型踏面，材質為CL70或ZL－C鋼。軸承選用352132A型滾動軸承。車軸、車輪、軸承均為外購標準件，輪對工藝與執行標準與現行工藝及標準基本一致。

（7）轉向架組裝

該轉向架與傳統的3大件擺動式轉向架結構基本相同，其總組裝工藝與現行工藝基本相同。

1.3 主要制造工藝流程

根據該型轉向架的結構特點，該型轉向架制造工藝主要流程如圖2。

圖2 工藝流程

1.4 制造難點

從上述結構工藝性分析可知，該型轉向架制造主要有以下難點：

（1）搖枕、側架鑄件設計時采用了鑄件壁厚不均（最厚部位為35 mm，最薄部位約16 mm）的特點且結構復雜，搖枕、側架鑄造是該型轉向架的制造難點之一。

（2）由于彈簧托板采用下凹形無焊接結構，且板厚較厚，圓角半徑和板厚的比例接近2倍，整體一次冷壓成型在壓型后的尺寸、表面質量、殘余應力、裂紋控制方面也是該型轉向架的制造難點之一。

2 制造難點工藝仿真分析

2.1 搖枕、側架鑄件鑄造仿真分析

現以搖枕為例做鑄造工藝仿真分析。搖枕為薄壁框架結構件，由加強筋板形成內腔結構，結構復雜，魚腹面和拉桿孔為重要部位，旁承盒、心盤面、彈簧面、拉桿孔、端頭及側面為裝配部位。根據鑄造壁厚不均的結構特點，結合現有的裝備、人員情況，工藝采用一箱一件，外模采用潮膜沙工藝，砂芯采用三乙胺樹脂砂整體芯工藝，采用機器人自動下芯，從側面分兩個內澆道進行澆注。

（1）鑄造數值模擬的前處理

網格劃分：搖枕先進行三維造型，然后利用Meshcast進行有限元網格剖分。有限元模型網格見圖3。

圖3 搖枕模型網格圖

熱固性和熱物性參數的設置：鑄件材質為B＋級鋼，設置的一些參數包括：澆注溫度1 575℃；液相線溫度1 515℃；環境溫度25℃；鑄件與砂型的傳熱系數取為200 W/（m2·K）；澆注時間30 s。

（2）搖枕模擬結果及分析

流場（充型過程）：查看金屬液充型?？梢詫υ趯嶋H生產中金屬液的流動狀態有一個比較直觀的反映。合理的流動狀態可以使金屬液中的雜質快速上浮，避免裹氣，減少金屬液的氧化以及減弱金屬液對型壁的沖刷等。圖4是搖枕充型過程中不同時刻的充填順序分析結果。

由圖4、圖5可以看出，搖枕澆注系統設置在中部，金屬液進入型腔后無飛濺，平穩上升，易于鋼渣上浮。

溫度場（凝固過程）：查看鑄件溫度場，鑄件的溫度梯度以色標的形式表現出來。圖6是搖枕凝固過程中不同時刻各部位溫度、凝固時間分析結果。

圖4 金屬液充型5 s

圖5 金屬液充型結束

圖6 凝固時間分布圖

由圖6、圖7、圖8、圖9可見，凝固順序為拉筋和薄壁部分先凝固，心盤面下面厚實部位和冒口最后凝固，心盤面相對于其他部位比較厚實，此處壁厚不均勻，冷卻收縮不一致，易產生縮松縮孔缺陷，搖枕A、B部位無縮松縮孔缺陷。

應力場：鑄件結構復雜，凝固時間、凝固順序不一樣，導致局部區域會出現應力集中現象，通過工藝手段，控制凝固時間，可避免出現裂紋等缺陷。

圖7 固相分數圖

圖8 縮松縮孔分布圖

圖9 A、B部位缺陷分布

由圖10可看出，搖枕拉筋、旁承盒、冒口根部應力比較集中，易出現裂紋，在產品和工藝設計時優化圓角部位的設計、采取激冷措施保證此處產品質量。由圖11可看出，搖枕端面因先于其他部位凝固，此處易產生變形，單邊可設置1～1.5 mm反變形量來抵消凝固變形。

圖10 應力分布圖

圖11 變形（5X）

（3）工藝分析與優化

流場：流動狀態在金屬液進入到型腔內初期（金屬液進入到上型之前）存在較多渦流不利于雜質上浮且易裹氣、吸氣，進入到上型后，液面逐漸平穩，內部流動狀態趨于緩和，雜質上浮到表面；金屬液在型內的流動速度應小于0.5 m/s，上表面流速一般應在0.2～0.4 m/s之間。

溫度場：搖枕心盤面處的冒口起到一定的補縮作用，搖枕拉桿孔周圍區域有獨立液相區，凝固后出現縮孔缺陷，應加大冒口或使用保溫冒口以擴大冒口的熱影響區，實現順序凝固。

應力場：搖枕工藝拉筋和冒口根部易出現裂紋，應在拉筋周圍放置鉻鐵礦沙或冷鐵等措施，盡量與鑄件本體同時凝固，冒口根部做成圓角來避免出現裂紋。端頭在工藝設計時放1～1.5 mm反變形量保證產品尺寸。

2.2 彈簧托板工藝仿真分析

（1）彈簧托板成型、回彈仿真分析

選用板料沖壓仿真分析CAE技術，通過沖壓成型分析，能夠清晰的了解配件各部位的起皺情況、板厚變化情況、面內應力應變、材料流動情況等。

通過回彈分析，能夠判斷各個部位回彈情況，通過分析各個部位回彈數據，指導模具設計。

沖壓仿真參數：為盡量降低沖壓時動態效應，選取閉合速度v＝1 000 mm/s，沖壓速度v＝2 000 mm/s。模具閉合時的間隙選擇10%的板厚，摩擦系數選擇0.12。

（2）彈簧托板仿真工藝分析與優化

從圖12成型極限中可發現，主次應變坐標值低于FLC曲線，故彈簧托板設計比較合理，不會出現破裂等失效問題。

從圖13板厚變化中發現，成型過程中板厚變化不大，板厚變薄率僅為5.3%，故不會出現板厚變薄太大的問題。

從圖14彈簧托板回彈仿真結果中可發現，回彈后兩端彈簧承臺面出現上拱。

從圖15縱向斷面圖發現，彈簧托板回彈后高度降低6 mm。

圖12 彈簧托板成型極限圖

圖13 彈簧托板厚度變薄圖

圖14 回彈變化圖

圖15 彈簧托板縱向斷面圖

由仿真工藝分析結果對制造工藝進行優化，壓型時在彈簧托板兩端彈簧承臺面（圖14深色部位）增加反變形鑲塊可以解決承臺面上拱的問題；由于在壓型后彈簧托板回彈后高度降低，故設計彈簧托板模具時必須將模具的相應部位值高度增加6～8 mm，這樣回彈降低6 mm后可以得到準確的尺寸。

3 試制與驗證

通過對結構工藝性分析和制造難點及關鍵件的工藝仿真分析，完善了制造工藝。從試制關鍵件考核結果來看，搖枕、側架滿足TB/T 1959－2006《鐵道貨車搖枕、側架靜載荷及疲勞試驗》相關要求，同時，搖枕進行的垂向靜載荷、橫向靜載荷全項試驗均滿足要求。彈簧托板在循環次數達到設計規定200萬次疲勞可靠性試驗后檢驗合格無裂紋，其疲勞可靠性滿足設計要求，轉向架其他相關工藝的合理性均在試制中得到了驗證。

4 結束語

采用工藝仿真分析手段對重載貨車大軸重轉向架關鍵零部件及制造難點進行工藝分析，有效地提高了工藝設計準確性，縮短了新產品的研發周期。重載貨車擺動式轉向架制造工藝研究方法，對新型貨車轉向架的快速研發具有一定的參考價值。

Research on Manufacturing Technology of Swing-type Heavy Axle Load Wagon Bogie

HU Hongwei
（CSR YANGTZE Co.，Ltd.，Wuhan 430212 Hubei，China）

Based on the characteristics of the swing-type bogie on new heavy axle load wagon，this paper analyzes the manufacturing technology aiming at formulating proper procedure for manufacturing in small-scale by simulating the manufacturing procedure，especially the difficult and key ones.And the result of the small-scale production will test the rationality of the procedure.

heavy axle load wagon；swing-type bogie；manufacturing procedure

U270.6

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.01.08

1008－7842（2014）01－0041－04

2—）男，高級工程師（

2013－09－17）