（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，130062，長(zhǎng)春∥第一作者，工程師）

CRH3型動(dòng)車組鑄鋁枕梁國(guó)產(chǎn)化研究

楊集友 王艷爽

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，130062，長(zhǎng)春∥第一作者，工程師）

介紹了CRH3型動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的鑄鋁枕梁國(guó)產(chǎn)化研制過(guò)程，并對(duì)其中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究和分析，包括：采用仿真技術(shù)和有限元分析對(duì)枕梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)24種載荷工況組合進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估；對(duì)配料、造型等工藝和工序進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)疲勞試驗(yàn)和線路運(yùn)營(yíng)考核驗(yàn)證了鑄鋁枕梁國(guó)產(chǎn)化的可行性與可靠性。

動(dòng)車組；轉(zhuǎn)向架；鑄鋁枕梁；國(guó)產(chǎn)化

Author′saddressCRRC Chanchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

枕梁作為大型承壓、受力鋁合金鑄件，受力嚴(yán)苛，內(nèi)部質(zhì)量要求高，制造難度大。受設(shè)備條件和技術(shù)難度限制，鑄鋁枕梁在國(guó)產(chǎn)化前，全部依靠國(guó)外進(jìn)口，經(jīng)濟(jì)成本較高，因此，鑄鋁枕梁的國(guó)產(chǎn)化工作，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。

1 枕梁結(jié)構(gòu)與技術(shù)指標(biāo)

CRH3型動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架鑄鋁枕梁是轉(zhuǎn)向架與車體之間的過(guò)渡連接元件，負(fù)責(zé)傳遞車體和轉(zhuǎn)向架之間的各種力和力矩，同時(shí)，枕梁的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)用于空氣彈簧系統(tǒng)的附加氣室。枕梁與車體通過(guò)緊固螺栓和定位裝置實(shí)現(xiàn)與轉(zhuǎn)向架的快速連接，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

CRH3型動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架鑄鋁枕梁長(zhǎng)3 068mm、寬1 315mm、厚230mm、凈質(zhì)量580kg，屬于大型鋁合金鑄件。枕梁內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)作為空氣彈簧的貯氣室，會(huì)承受一定的工作壓力，故枕梁又屬于承壓鑄件。在運(yùn)行過(guò)程中，枕梁還承受著車體重量，以及各種工況的交變載荷作用，所以枕梁也屬于受力鑄件。

圖1 鑄鋁枕梁結(jié)構(gòu)示例

鑄鋁枕梁的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如下：適應(yīng)環(huán)境溫度－40℃～＋40℃；質(zhì)量≤630kg；氣室容積約220 L；最大承壓16bar；使用壽命30年；材料及力學(xué)性能為ZL101AT6；內(nèi)部質(zhì)量為3級(jí)；內(nèi)腔要求無(wú)塵、無(wú)雜質(zhì)；鑄造公差等級(jí)為CT12。

除執(zhí)行以上關(guān)鍵指標(biāo)外，鑄鋁枕梁還需要通過(guò)氣密性、強(qiáng)度試驗(yàn)等一系列檢測(cè)和試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析

2．1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

國(guó)產(chǎn)化鑄鋁枕梁外部接口需滿足CRH3型動(dòng)車組既有接口，因此，外形結(jié)構(gòu)需與裝車的進(jìn)口枕梁完全一致，主體外形尺寸全部需要按照既有圖紙進(jìn)行設(shè)計(jì)。

枕梁需根據(jù)氣室容積要求進(jìn)行內(nèi)部空腔設(shè)計(jì)，需根據(jù)受力情況進(jìn)行內(nèi)部空腔網(wǎng)格化設(shè)計(jì)，利用各網(wǎng)格間的連接內(nèi)筋，保證枕梁主體承載力；同時(shí)內(nèi)腔的設(shè)計(jì)還需考慮澆注、冷卻、清砂及清洗等制造工藝的合理性。因此，內(nèi)部空腔設(shè)計(jì)需結(jié)合強(qiáng)度和制造工藝等多方面因素進(jìn)行設(shè)計(jì)?？刹捎糜?jì)算機(jī)鑄造模擬技術(shù)并結(jié)合有限元分析技術(shù)對(duì)枕梁內(nèi)部空腔進(jìn)行設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 枕梁內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)

2．2 強(qiáng)度計(jì)算

參照國(guó)際鐵路聯(lián)盟（UIC）和歐盟（EN）標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)枕梁進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度計(jì)算分析，其試驗(yàn)載荷至少包括車體、抗側(cè)滾扭桿、橫向止擋、橫向減振器、抗蛇行減振器和牽引拉桿等產(chǎn)生的載荷。

根據(jù)動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，對(duì)各種載荷進(jìn)行工況組合，共有28種載荷工況組合，利用其中24種載荷工況組合對(duì)枕梁進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估（見(jiàn)表1）。

通過(guò)計(jì)算，枕梁主體和內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求，其靜強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度，疲勞強(qiáng)度評(píng)估最小安全系數(shù)為2．23，疲勞強(qiáng)度滿足枕梁疲勞壽命要求（見(jiàn)圖3）。

表1 強(qiáng)度計(jì)算工況表

圖3 枕梁強(qiáng)度分析示意圖

3 制造工藝

鑄鋁枕梁各項(xiàng)性能指標(biāo)要求較高，其中材料化學(xué)成分和機(jī)械性能要求詳見(jiàn)表2和表3。除表中給出的化學(xué)成分和機(jī)械性能指標(biāo)外，鑄鋁枕梁內(nèi)部質(zhì)量要求高，個(gè)別部位要求缺陷等級(jí)為3級(jí)，同時(shí)表面質(zhì)量要求也有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。因此，在枕梁制造過(guò)程中，設(shè)計(jì)合適的工藝和工序至關(guān)重要，主要包括以下幾個(gè)方面。

表2 枕梁材料化學(xué)成分

表3 枕梁材料機(jī)械狀態(tài)

（1）配料工藝：首先對(duì)枕梁材料的化學(xué)成分進(jìn)行分析，然后進(jìn)行材料設(shè)計(jì)和鋁合金的熔煉分析，確定合適的鋁合金冶煉工藝。為達(dá)到指標(biāo)要求，需要選擇優(yōu)質(zhì)鋁合金錠原料并研究其合適的熔煉工藝，包括配料、精煉、變質(zhì)、除渣和除氣等工序。

（2）造型工藝：枕梁結(jié)構(gòu)尺寸較大，且內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此需合理設(shè)計(jì)砂型和砂芯結(jié)構(gòu)，選擇合適的造型、造芯材料，方可滿足枕梁表面質(zhì)量要求；同時(shí)還需合理設(shè)計(jì)型腔結(jié)構(gòu)、分型面、拔模斜度、澆道、排氣和補(bǔ)償孔、冷鐵及冒口等，以保證澆注與冷卻工序的可靠性，保證枕梁的鑄造質(zhì)量（見(jiàn)圖4）。

（3）澆注與冷卻模擬：初期利用計(jì)算機(jī)模擬整個(gè)澆注和冷卻過(guò)程，分析流場(chǎng)、凝固順序和溫度場(chǎng)的變化，驗(yàn)證造型的合理性，再進(jìn)行逐步優(yōu)化；然后進(jìn)行試樣工程試驗(yàn)，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的工藝；最后確定出一套合理的鑄造及熱處理工藝（見(jiàn)圖5）。

圖4 枕梁造型工藝圖示

圖5 計(jì)算機(jī)模擬鑄造過(guò)程示意圖

（4）清砂及焊接工藝：由于枕梁型腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且要求“枕梁的空腔區(qū)域不得有污物、加工屑和沙塵”，而普通的風(fēng)鏟清砂和振動(dòng)清砂難于清除干凈，因此，需將鑄件整體加熱，促使芯砂潰散，還需振動(dòng)清砂后再采用壓縮空氣吹凈浮砂，最后用專用工業(yè)吸塵器做吸塵處理。清砂完成后，需對(duì)預(yù)留的清砂工藝孔進(jìn)行堵焊。由于鋁合金焊接的特殊性，需合理設(shè)計(jì)焊接工藝，以保證焊接區(qū)域的總體性能。

（5）熱處理工藝：枕梁技術(shù)明確要求熱處理狀態(tài)為T6，因此，需選定合適的固熔及時(shí)效溫度和時(shí)間，以獲得合格的機(jī)械性能。由于枕梁結(jié)構(gòu)較大，且型腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在冷卻速度不均情況，故需制作特殊工裝，以保證熱處理過(guò)程及冷卻后變形量可控。

（6）其他工藝及相關(guān)檢測(cè)：除上述工藝以外，枕梁制造還涉及機(jī)加工、裝配、烘干和涂漆等工藝，均需制定合理的工藝流程。尤其在機(jī)加工工序中，需設(shè)計(jì)特殊工裝，保證加工屑不進(jìn)入內(nèi)腔，以及在烘干工序時(shí)保證內(nèi)腔水汽徹底除盡，同時(shí)不可引起枕梁變形。為此，每一臺(tái)枕梁需進(jìn)行表面全滲透檢測(cè)，內(nèi)部射線檢測(cè)，最后還需進(jìn)行內(nèi)腔的氣密性檢測(cè)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4．1 疲勞試驗(yàn)

為驗(yàn)證國(guó)產(chǎn)化鑄鋁枕梁的強(qiáng)度可靠性，需對(duì)枕梁樣件進(jìn)行靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)力測(cè)試滿足要求，同時(shí)通過(guò)了1 000萬(wàn)次循環(huán)載荷疲勞試驗(yàn)（見(jiàn)圖6）。

圖6 國(guó)產(chǎn)化枕梁疲勞試驗(yàn)實(shí)景圖

4．2 線路運(yùn)營(yíng)考核

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范對(duì)枕梁進(jìn)行30萬(wàn)km的線路運(yùn)營(yíng)考核。考核期間對(duì)枕梁的各項(xiàng)功能狀態(tài)需進(jìn)行定期監(jiān)控，同時(shí)對(duì)枕梁的實(shí)際受力狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試（見(jiàn)圖7）?？己私Y(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)化枕梁總體性能合格，應(yīng)力測(cè)試合格，滿足動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)要求。

圖7 國(guó)產(chǎn)化枕梁線路考核前應(yīng)力測(cè)試貼片實(shí)景圖

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)CRH3型動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架鑄鋁枕梁的結(jié)構(gòu)、功能、技術(shù)要求、材料、制造等各關(guān)鍵技術(shù)的研究，并結(jié)合一系列的仿真分析和模擬計(jì)算，制定了鑄鋁枕梁的國(guó)產(chǎn)化實(shí)施方案，最終成功研制出了國(guó)產(chǎn)化鑄鋁枕梁。通過(guò)疲勞試驗(yàn)和線路運(yùn)營(yíng)考核，驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)化鑄鋁枕梁的可靠性和可用性。采用國(guó)產(chǎn)化枕梁替代進(jìn)口產(chǎn)品，可以有效打破國(guó)外技術(shù)壟斷，降低動(dòng)車組制造成本，同時(shí)提升國(guó)內(nèi)鋁合金鑄造技術(shù)。

［1］ 田榮璋．鋁合金鑄造［M］．長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2006．

［2］ 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)．鑄造鋁合金：GB／T 1173—2013［S］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014．

Localization of the Casting Aluminum Bolster for CRH3Series EMU

YANG Jiyou，WANG Yanshuang

The whole localization process of the aluminum bolster of CRH3 series EMU is introduced，some key technologies are studied and analyzed，including the simulation technology and the design of bolster structure based on finit element analysis．According to24loading conditions，the fatigue strength is evaluated for the design of batching，modeling process and working procedure．The feasibility and reliability of the casting aluminum bolster are verified by fatigue strength evaluation and practical line operation．

electric multiple unit（EMU）；bogie；cast aluminum bolster；localization

U270．33

10．16037／j．1007－869x．2017．02．023

2016－09－15）