跨座式單軌換梁型道岔制造工藝

周 航 敬 芮 李景浩

(中鐵科工集團軌道交通裝備有限公司,430223,武漢)

跨座式單軌是城市軌道交通的一種典型制式,其具有占地小、噪聲低、適應(yīng)性強、建設(shè)周期短和成本低等優(yōu)點,特別適用于中等運量需求的城市軌道交通線路,近年來在重慶、銀川、柳州、蕪湖等多個城市中均有推廣應(yīng)用。道岔作為跨座式單軌的關(guān)鍵設(shè)備之一,其性能直接決定了城市軌道交通線路能否正常運行。本文通過優(yōu)化工藝路線、設(shè)計專用工裝胎架、組織焊接工藝試驗等方法,對跨座式單軌換梁型道岔的制造工藝進(jìn)行了系統(tǒng)性研究,最終得出了一套完整的制造工藝方案。鑒于跨座式單軌道岔結(jié)構(gòu)的共通性,本文研究可為其他類型的跨座式單軌道岔的生產(chǎn)制造提供工程經(jīng)驗與技術(shù)指導(dǎo)。

1 換梁型道岔概況

根據(jù)道岔的結(jié)構(gòu)型式及不同線型,可以對不同類型的道岔進(jìn)行分類[1]。其中,換梁型道岔可分為單開道岔、雙開道岔和單渡線道岔。換梁型道岔由道岔梁、臺車、尾軸裝置、固定段、驅(qū)動裝置、鎖定裝置及電氣控制系統(tǒng)等部件組成,其示意圖如圖1 a)所示。當(dāng)?shù)啦硌b置啟動時,驅(qū)動裝置電動推桿作軸向運動向前伸長,推動道岔梁體繞尾軸轉(zhuǎn)動,再通過連桿帶動另一根道岔梁體繞尾軸轉(zhuǎn)動,到達(dá)指定位置后,鎖定裝置向前伸出,將道岔梁體與固定段進(jìn)行固定,由此實現(xiàn)道岔的轉(zhuǎn)向工作。

a) 換梁型道岔

換梁型道岔各部件中,道岔梁是結(jié)構(gòu)形式最復(fù)雜、精度要求最高、功能最重要的部件,起到了承載車輛質(zhì)量和變更車輛行進(jìn)路線的重要作用。根據(jù)跨座式單軌交通線路線型需求,不同線路上可選用不同半徑圓曲線(如曲線半徑為54 m、100 m等)的道岔曲梁,使車輛在不同線路上均被保持最佳的通過性與舒適性。換梁型道岔梁結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 b)所示。

2 換梁型道岔制造工藝研究

2.1 制造工藝重難點分析

道岔作為線路的一部分,不僅要承載列車通過時傳遞的載荷,同時還要在不同線路間準(zhǔn)確切換,確保列車行進(jìn)線路的準(zhǔn)確性。為了確保道岔變更線路時的準(zhǔn)確性,道岔梁兩端的角度、道岔轉(zhuǎn)轍量及道岔各部件的安裝配合精度均要求嚴(yán)格控制在公差范圍內(nèi)。換梁型道岔公差要求如表1所示。

表1 換梁型道岔公差要求

為確保列車通過的穩(wěn)定性,對于道岔梁走行面的平面度、導(dǎo)向面及穩(wěn)定面的線型,以及道岔梁體的寬度均有較高的公差要求,如表2所示。要使道岔梁的各項尺寸滿足公差要求,就必須嚴(yán)格控制生產(chǎn)過程中的零件裝配精度及焊接結(jié)構(gòu)變形。但由于道岔梁各零件的厚度較薄(主要在10 mm左右),梁體長度較長,橫截面的尺寸相對較小,其本身的焊接結(jié)構(gòu)變形風(fēng)險較大,容易出現(xiàn)扭曲、翹曲等變形。同時,道岔各部件的焊縫質(zhì)量要求較高,且零件材質(zhì)多為Q460qENH鋼板,材料焊接性一般,需要合適的焊接工藝與之匹配才能滿足焊縫質(zhì)量需求。

表2 道岔梁相關(guān)參數(shù)公差要求

根據(jù)上述問題綜合分析,換梁型道岔的制造工藝難點有:① 道岔各部件安裝配合精度要求高;② 各部件尺寸精度、梁體線型精度要求高;③ 梁體結(jié)構(gòu)變形風(fēng)險高,線型控制難度大;④ 各部件焊縫質(zhì)量要求高、材料焊接性一般;⑤ 道岔梁體內(nèi)部空間狹小,不利于焊接作業(yè)。

2.2 零件制備工藝要點

零件制備的工藝要點有:

1) 所有鋼板在下料前均需經(jīng)過預(yù)處理和校平。

2) 隔板寬度預(yù)留3 mm余量,然后進(jìn)行銑邊,以確保道岔梁體寬度尺寸。

3) 對需要拼板的零件設(shè)計專用的拼接縫。例如:走行板采用折線拼接縫,腹板采用斜線拼接縫,兩側(cè)腹板拼接縫角度相反,以降低焊縫對結(jié)構(gòu)強度及尺寸精度的影響。

4) 道岔梁的走行板和腹板需要沿長度方向留余量,以抵消橫向隔板的角焊縫帶來的橫向收縮。焊縫的收縮變形與焊縫收縮過程中產(chǎn)生的等效收縮力相關(guān),而焊縫等效收縮力的主要決定因素為焊接熱的輸入值及材料相關(guān)性能參數(shù)。收縮變形量及焊縫等效收縮力的計算式參考文獻(xiàn)[2]。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]的計算式,同時結(jié)合本單位的工藝經(jīng)驗,確定道岔梁走行板及焊縫長度方向上的焊縫收縮余量可以表示為:

Δl=1.5‰L

(1)

式中:

L——道岔梁設(shè)計長度。

2.3 道岔梁制造工藝

道岔梁結(jié)構(gòu)型式為箱型截面梁,其截面示意圖如圖2所示。道岔梁在長度方向上的各橫截面高度不等,制造重點在于控制結(jié)構(gòu)由于焊接造成的彎曲和扭曲變形。采用先分組件進(jìn)行制作,再將各組件組焊成道岔梁整體的工藝方案,如圖3所示。該方案可以有效減少梁體上的焊接作業(yè)量,進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)變形風(fēng)險。在道岔梁與臺車整體組焊完成后,采用振動時效對其進(jìn)行消應(yīng)力處理,改變結(jié)構(gòu)的焊后殘余應(yīng)力分布狀態(tài),緩解焊縫處的應(yīng)力集中,減少結(jié)構(gòu)焊后殘余變形。

圖2 道岔梁截面示意圖

圖3 道岔梁制造工藝方案示意圖

2.3.1 導(dǎo)向板、穩(wěn)定板組焊

道岔梁導(dǎo)向板、穩(wěn)定板及其支撐板形成一個π形結(jié)構(gòu),統(tǒng)稱為π形板。兩條長角焊縫極易引起結(jié)構(gòu)彎曲和扭曲變形。通過工裝上的壓板和螺栓對導(dǎo)向板或穩(wěn)定板進(jìn)行夾持(見圖4),以控制焊接變形。道岔曲梁的π形板工裝根據(jù)內(nèi)外側(cè)π形板的不同半徑來制作。π形板焊接時采用小電流分段退焊工藝,控制焊接熱輸入,盡量降低其變形。

圖4 道岔梁π形板工裝胎架圖

2.3.2 道岔梁體組焊

道岔梁走行板是各零部件定位的基準(zhǔn),采用倒裝法進(jìn)行組焊,以走行面為基準(zhǔn)定位其他零件,確保道岔各部件的安裝精度。走行板組對需控制好對接縫間隙和平面度,隔板劃線與梁體中心線垂直。通過工裝胎架將腹板靠緊隔板進(jìn)行腹板安裝,注意控制尾軸中心線位置。完成腹板安裝后即可焊接內(nèi)部隔板,焊接順序依次為隔板與走行板、腹板與走行板、隔板與腹板之間的焊縫,焊接采用雙工位,從中間向兩端同時施焊。底板安裝時,利用工裝將其壓緊在腹板上,指接板安裝高度必須嚴(yán)格控制,否則有可能出現(xiàn)梁體干涉的現(xiàn)象。

2.4 臺車制造工藝

道岔臺車車架結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。采用倒裝法工藝順序,左右兩側(cè)車輪組支架的安裝面高度誤差控制在±0.2 mm以內(nèi),車輪組支架上螺栓孔的角度誤差控制在±0.5°以內(nèi),以確保兩螺栓孔中心點連線與道岔尾軸中心點處于同一直線上。

圖5 道岔臺車車架結(jié)構(gòu)示意圖

2.5 固定段制造工藝

固定段制作方法與道岔梁基本相同,采用倒裝法工藝順序,以頂板為基準(zhǔn)定位其他零件。重點在于控制指接板安裝高度及伸出長度,避免固定段與道岔梁的指接板相互干涉。

2.6 尾軸及其基座制造工藝

尾軸及其基座鉚焊控制要點主要是以底板為基準(zhǔn),將頂板與底板的平行度控制在0.5 mm范圍內(nèi),尾軸與底板垂直度控制在0.5 mm范圍內(nèi)。尾軸上安裝有與道岔梁相連的關(guān)節(jié)軸承,尾軸上端有超級螺母緊固,安裝預(yù)緊力為525 kN,扭矩為65 Nm。

2.7 鎖定裝置制造工藝

鎖定裝置各部件加工完成后需安裝在活動端固定段內(nèi),安裝完成后應(yīng)進(jìn)行調(diào)試和試運行,電動推桿推動鎖銷體沿鎖銷座向前運動,插入定位槽中完成鎖定。隨著鎖銷體向前運動,帶動鎖定拉桿發(fā)生位移,從而使接縫裝置向下蓋攏。整個過程應(yīng)確保各運動部件不會被其他零件干涉或束縛。

2.8 焊接工藝設(shè)計

道岔的各焊接結(jié)構(gòu)件主要由Q460qENH鋼板組成,為將焊縫質(zhì)量、焊接殘余變形、焊接殘余應(yīng)力分布等各項指標(biāo)控制在合理范圍內(nèi),利用焊接數(shù)值模擬進(jìn)行了焊接工藝設(shè)計。在焊接數(shù)值模擬中,常用的熱源模型有雙橢球體熱源、3D高斯熱源及2D熱源。本文采用雙橢球體熱源,其焊接熱輸入分布在由兩個尺寸不同的1/4橢球體組合而成的區(qū)域內(nèi),橢球體組合能夠?qū)附訜崃鞣植歼M(jìn)行合理修正,使焊接溫度場模擬結(jié)果更合理。通過模擬仿真可以獲得不同焊接工藝參數(shù)下的試件溫度場、殘余應(yīng)力和殘余變形分布。焊接試件與仿真熔池形貌仿真示意圖如圖6所示,試件殘余應(yīng)力與殘余變形分布如圖7所示。通過對比分析獲得的一組最優(yōu)預(yù)備焊接工藝規(guī)程,如表3所示。對該工藝規(guī)程進(jìn)行焊接工藝試驗,進(jìn)一步驗證所提工藝規(guī)程的可靠性。

表3 預(yù)備焊接工藝規(guī)程

a) J01熔池

a) 殘余應(yīng)力

焊接數(shù)值模擬及工藝試驗試件采用厚為12 mm的Q460qENH鋼板,尺寸為450 mm(長)×150 mm(寬)×12 mm(厚)。通過比對數(shù)值模擬與工藝試驗結(jié)果,二者的溫度場及焊縫熔池形貌尺寸基本一致。經(jīng)過焊縫無損檢測和破壞性力學(xué)試驗,試件焊縫質(zhì)量滿足設(shè)計和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求,可應(yīng)用于道岔的生產(chǎn)制造。

3 結(jié)語

本文對跨座式單軌換梁型道岔制造工藝進(jìn)行了研究,明確了道岔產(chǎn)品制造的重難點及工藝要點,提出一種可行且有效的制造工藝方案,設(shè)計優(yōu)化了更有利于產(chǎn)品質(zhì)量的焊接工藝,并在本單位的道岔產(chǎn)品制造中獲得了有效應(yīng)用,對提升結(jié)構(gòu)安全性和產(chǎn)品生產(chǎn)效率有顯著的作用。應(yīng)用本文所提道岔制造工藝后,道岔產(chǎn)品生產(chǎn)一次合格率由85%提升至95%,生產(chǎn)周期縮短了25%。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在通過無損檢測與形位檢測的基礎(chǔ)上,還通過了最高1.5倍列車載荷和二期恒載共同作用的靜載試驗,以及3 Hz加載頻率下300萬次載荷為±30 kN的疲勞試驗,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的剛度和強度均獲得了有效保障。目前,本單位的道岔產(chǎn)品已應(yīng)用于柳州軌道交通1號線和2號線,經(jīng)過后期維保跟蹤服務(wù)反饋,列車運行過程中沒有任何部件或結(jié)構(gòu)出現(xiàn)設(shè)計壽命內(nèi)的故障或缺陷,應(yīng)用效果較好。