《棚车侧表面平面度超差问题研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《棚车侧表面平面度超差问题研究.pdf（3页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、文章编号:100726034(2006)0620013203 棚车侧表面平面度超差问题研究 林孝华 1 ,姜树武 2 ,孙喜忠 1 ,黄波 2 (1. 大连交通大学,辽宁 大连116600 ; 2.中国北车集团齐齐哈尔铁道车辆(集团)责任有限公司,黑龙江 齐齐哈尔161002) 摘 要:依据现场检测数据、 试验数据和焊接、 冲压理论对铁路棚车侧表面平面度超差问题进行了 论述,提出了通过改进结构设计、 焊接工艺等方法可以将棚车的侧表面平面度控制在满意的水平。 关键词:铁路棚车;侧表面;平面度;超差 中图分类号:U272.1 文献标识码:B 按照铁路标准TBT1402 - 1996敞、 平、 棚车
2、通 用技术条件 的要求:铁路棚车侧表面(侧墙)的平面 度不大于5 mmm ,外观应平整。近年来,随着铁路 市场化的发展,对车辆质量的要求越来越高,车辆外 观的商品化已成为评比车辆质量的重要条件之一。 但是,国内历年生产的各种通用棚车中,部分车 辆的侧表面变形过大,平面度在812 mmm之间, 而且一些车辆组焊后,侧表面形成成片的皱褶,影响 美观。如何控制侧表面平面度质量,成为通用车辆 生产中最难解决的质量问题之一。 1 铁路棚车侧表面(侧墙组成)结构特点 铁路棚车侧表面(侧墙)是采用板柱焊接的钢结 构,由多块纵向拼接的侧板及间隔组焊的立柱、 门柱 等组成。以P64GK型棚车为例:该车侧表面侧板
3、采用 厚度为2.3 mm、09CuPCrNi - A高强度耐候钢板,钢 板上冷压出深20 mm、 宽600 mm的条形和浅方锥盒 形加强筋,外置组焊帽型冷弯型钢立柱。 由于除P64GK型棚车外,其他型号的棚车已不再 生产,目前已完成试制正在改进设计的P70型棚车的 侧表面结构与P64GK型棚车基本相同,本文研究以 P64GK型棚车为主,对该车进行检测。根据现场经验 可以得出棚车侧表面最大变形集中在车窗下面的侧 板(3)上的结论,此区域作为重点研究对象。 2 各工序完成后对平面度的影响(见表 1) 收稿时间:2006 - 07 - 20 作者简介:林孝华(1964 - ) ,男,黑龙江齐齐哈尔人
4、,高级工程师, 1988年毕业于哈尔滨电工学院机械系,工学学士。现从事铁路车辆 组装工艺工作。工程硕士在读。 表1 各工序完成后平面度检测值mmm 工序 名称 侧板 拉深 侧板 组对 正面 气体焊 背面 组焊 矫正 平面度183899 3 棚车侧表面变形理论阐述 棚车侧墙制造是侧板发生一系列复杂的受力变 形的过程,侧墙上拉深出浅方锥盒形加强筋,原本目 的是增加钢板的刚度、 抵抗焊接变形,但钢板在自身 拉深过程中同样出现了较大的变形,棚车侧墙的变 形实际上是拉深变形和组焊变形综合作用的结果, 应同时解决。 3.1 拉深变形 从材料力学理论中了解到,压缩变形就有失稳 的问题,变形区失稳最重要的表现
5、就是起皱,在棚车 侧板拉深过程中表现为加强筋以外平板部分连续波 浪变形。影响拉深起皱的主要因素是: (1)坯料的相对厚度 t D0 t 坯料实际厚度;D0 坯料外轮廓最大 尺寸。坯料受压时,相对厚度越小,变形区抗失稳能 力越差,越容易起皱。 (2)拉深系数mf= d D0 d 拉深部分侧壁距离。根据拉深系数的定 义可知,拉深系数越小,拉深变形程度越大;另一方 面,mf值越小,拉深变形区的宽度越大,抗失稳能力 越差。 根据相关公式计算得出, P64GK的拉伸系数为 0125。由于拉深系数过小,使P64GK型棚车侧板压形 31 冷热工艺 1994-2007 China Academic Journ
6、al Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 时产生失稳变形,需改变结构参数。 3.2 焊接变形 3.2.1 焊接残余变形 焊接残余变形可分为:板平面内变形、 板平面外 变形。影响棚车侧表面板变形的主要是板平面外变 形。由于焊接过程中的局部加热和快速冷却在焊缝 中及近缝区的母材内产生热应变和压缩塑性变形, 进而引起内应力,最终导致构件的收缩变形、 压曲变 形、 回转变形和角变形。 焊接结构变形的机理是一个比较复杂的问题, 目前在理论上尚未达到精确计算的阶段。但焊接变 形有其内在的规律性,理论上的定性分析有相当的 可靠性,
7、借鉴试验数据和实践经验,焊接变形是可以 预测和控制的。 3.2.2 焊接变形产生的原因 (1)角变形 根据试验得出,由于角变形引起的板最大变形 量为2.5 mm。 (2)侧表面焊接产生的压曲变形 薄板构件焊接时,远离焊缝区域的残余应力使 板产生压曲变形。 临界压曲应力是板不发生压曲应力的最小应 力,可以按帕莱斯和杰里根著的 高强钢设计手册 O. W.勃劳杰等人的公式计算 3 : cr= k 2 E 12(1 -v 2) t b 2 式中:E 压缩弹性模数,21 000 kgfcm 2 ; t 板厚度,2.3 mm; b 板宽度(柱间距) (求此值 ) ; a 板长度,2 700 mm; v 泊
8、松比,0.3 ; k 常数,取决于ba和侧边的支承。 棚车侧墙焊接可取k= 4.00(两边简支承)。 理论计算,棚车侧板宽度在72 mm以上时焊接 后就会出现压曲,假设侧板上的600 mm宽度的浅方 锥盒形加强筋是绝对刚性的,棚车侧板不发生压曲 的临界宽度仅为b= 722 + 600 = 744 mm ,显然小 于P64GK侧板的宽度尺寸866 mm。如果不采取措施, P64GK型棚车侧板发生压曲变形不可避免。 4 侧板变形试验 4.1 侧板压型深度与侧板(零件)变形关系曲线 由于加强筋影响侧板的平面度,为确定其影响 程度,对P64GK型棚车侧板进行了不同深度的加强筋 拉深试验,根据试验数据绘
9、出图1。 图1 侧板压型深度与侧板变形关系曲线图 加强筋压型深度与侧板的变形呈增函数关系, 这与冲压理论及前面的研究是吻合的,起始阶段斜 率较缓,中间1020 mm阶段斜率较陡,20 mm以后 斜率较缓。从提高侧板压型的质量看,加强筋越浅 越好。 4.2 侧板压型深度与侧表面(组成件)平面度关系 曲线 为了进一步验证侧板拉深深度与侧墙组成平面 度关系,按试验数据绘出图2。可以看出,函数关系 比较复杂。 图2 侧板压型深度与车辆侧表面平面度关系曲线图 加强筋深度08 mm ,是减函数关系; 加强筋深度在820 mm区间,虽然侧板的刚性 仍起抵抗焊接变形的作用,但侧板的原始变形(拉深 时产生的变形
10、)逐渐占主导作用,侧墙总的变形在 增加。 5 实例介绍 5.1 坦赞尼亚棚车 41 冷热工艺 机车车辆工艺 第6期2006年12月 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 2004年中国北车集团齐齐哈尔铁路车辆(集 团)责任有限公司(下简称齐车公司)为坦赞尼亚生 产了一批棚车。在不影响性能的情况下,对坦赞尼 亚棚车侧表面的结构进行了一些改进,与P64GK型棚 车比较侧表面主要改变有: (1)板厚度由2.3 mm提高到2.5 mm; (2)侧板加强筋深度由2
11、0 mm改为14 mm; (3)侧柱间距810 mm; (4)控制焊脚尺寸。 由于侧板厚度提高、 加强筋深度降低、 侧板宽减 小,侧板拉深后的原始平面度得到控制。同时,侧柱 间距(侧板宽)减小及焊脚尺寸的控制,焊接的弯曲、 压曲变形也减小了。坦赞棚车侧表面的平面度小于 5 mm ,外观见图3。 图3 坦赞棚车侧表面外观 5.2 试制的P70型棚车 5.2.1 原方案 由于车辆减重的需要,P70型棚车试制车延续了 P64GK型棚车侧表面结构。 设计主要改变是:侧柱间距(侧板宽)由866 mm 增大为922 mm。 工艺主要改变是:侧柱与侧板的焊接改为气体 焊水平自动焊接。 侧板宽度增加,侧板拉深
12、后的原始平面度增加。 由于侧柱间距(侧板宽)增大及焊接改为水平焊接 (热量输入增大 ) , 焊接的弯曲、 压曲变形也增加了。 P70型棚车侧表面总体平面度超过了P64GK型棚车,检 测结果见下表2。 表2 各工序完成后侧表面平面度 mmm 工序名称 侧板压型 侧板组对 正面气体 背面组焊矫正 平面度202101011 5.2.2 改进后方案 (1)控制拉深变形 由于P70基本结构已经定型,只能采用相对调整 结构的方法:提高最大变形区域侧板的厚度t;增大 拉深系数mf;增大侧板加强筋宽度、 降低高度、 增加 圆角半径。 (2)控制焊接变形 增大侧板加强筋宽度,提高刚性部分的尺寸; 保持焊缝焊脚一
13、致,避免重复焊接,控制侧板 热输入量。 P70型棚车小批量生产采取上述措施后,侧表面 平面度有了较大的改善,测量数据见表3。 表3 各工序完成后侧表面平面度 mmm 工序名称 侧板压型 侧墙组对 正面焊接 反面焊接矫正 平面度143666 6 结论 通过理论与试验研究,得出如下结论: (1)棚车侧板的结构对侧表面平面度有较大的 影响。 (2)完善焊接工艺可以使侧板的平面度质量得 到控制。 (编辑:施翠燕) 51 棚车侧表面平面度超差问题研究 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/