葉嬌龍，何清和，肖輝，曹明慧，李凌

中車株洲電力機(jī)車有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

焊縫連接是現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)最主要的連接方法之一，其具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、用料經(jīng)濟(jì)、制造簡(jiǎn)單及可使用自動(dòng)化焊接等優(yōu)點(diǎn)[1]。結(jié)構(gòu)中焊縫的受力是十分復(fù)雜的，在多種外力的作用下，焊縫受力可能會(huì)大于其許用應(yīng)力值，致使產(chǎn)生塑性變形從而出現(xiàn)低周疲勞現(xiàn)象，使焊縫壽命大大降低，造成焊縫斷裂，影響列車安全運(yùn)行[2]。

目前生產(chǎn)的車型中，最重的牽引梁車型為六軸和諧型機(jī)車，其牽引梁重約3.6t，根據(jù)國(guó)際焊接標(biāo)準(zhǔn)的要求[3]，焊接位置盡可能處于PA或PB位置，在焊接過(guò)程中多孔平臺(tái)工裝會(huì)和牽引梁旋轉(zhuǎn)至各種角度以便到達(dá)最佳的焊接角度（見(jiàn)圖1）。首先是牽引梁的平翻過(guò)程，牽引梁由水平狀態(tài)平翻至與地面呈90°狀態(tài)，其次是在焊接完成后，圓盤會(huì)繼續(xù)帶動(dòng)牽引梁在豎直平面內(nèi)進(jìn)行立翻至90°（見(jiàn)圖2）。在這個(gè)過(guò)程中，壓臂會(huì)受到來(lái)自維持牽引梁保持平衡狀態(tài)所需要的巨大反作用力，因此需對(duì)工裝上的焊縫以及壓臂強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)度校核，以確保在作業(yè)過(guò)程中人員的安全。

圖1 牽引梁變位機(jī)多孔平臺(tái)

圖2 牽引梁平翻焊接

2 牽引梁變位工裝壓臂受力分析及理論計(jì)算

2.1 壓臂基本結(jié)構(gòu)

牽引梁變位工裝多孔平臺(tái)中共有5個(gè)壓臂和8個(gè)壓緊壓板對(duì)牽引梁進(jìn)行壓緊，如圖3所示。壓臂結(jié)構(gòu)主要由壓緊螺桿、壓塊、螺母座、伸縮臂、套筒、立板1、立板2、大/小限位銷、底座墊板及4個(gè)螺栓螺母聯(lián)接構(gòu)成，如圖4所示。

圖3 交驗(yàn)工裝工作狀態(tài)

圖4 壓臂三維結(jié)構(gòu)

2.2 壓臂受力危險(xiǎn)狀態(tài)分析

初始狀態(tài)時(shí)，由多孔平臺(tái)對(duì)牽引梁進(jìn)行支撐（以下簡(jiǎn)稱工況1），如圖5所示。當(dāng)變位機(jī)平翻至180°時(shí)（見(jiàn)圖6），此時(shí)完全由壓臂和壓緊壓板對(duì)牽引梁提供支撐作用（以下簡(jiǎn)稱工況2）。

圖5 工況1示意

圖6 工況2示意

當(dāng)多孔平臺(tái)和牽引梁整體平翻至90°時(shí)（見(jiàn)圖7），此時(shí)完全由壓臂對(duì)牽引梁的靜摩擦力使?fàn)恳罕３制胶猓ㄒ韵潞?jiǎn)稱工況3）。當(dāng)升降平臺(tái)平翻至90°時(shí)（見(jiàn)圖8），多孔平臺(tái)在豎直平面內(nèi)沿轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)90°的工況，此時(shí)也完全由壓臂對(duì)牽引梁的摩擦力使?fàn)恳罕３制胶猓ㄒ韵潞?jiǎn)稱工況4）。

圖7 工況3示意

圖8 工況4示意

綜合分析以上4種極限工況可知，當(dāng)處于工況3和工況4時(shí)，壓臂所受到的壓力要遠(yuǎn)大于工況2中壓臂所受到的壓力。

2.3 底座聯(lián)接螺栓受力理論計(jì)算

（1）工況4螺栓受力分析計(jì)算[4]牽引梁質(zhì)量為3600kg，在立翻翻轉(zhuǎn)至90°過(guò)程位置即將停下時(shí)，取1.5倍的安全系數(shù)，牽引梁由13個(gè)壓臂共26個(gè)受力面為其提供摩擦力，每個(gè)壓臂為牽引梁提供的摩擦力為

式中f——摩擦力（N）；

G——牽引梁重力（N）；

FN——牽引梁受單個(gè)壓臂的摩擦力（N）；

u——壓塊以及多孔平臺(tái)與牽引梁平面之間的摩擦系數(shù)，u＝0.5。

在實(shí)際擰緊螺柱過(guò)程中，取擰緊系數(shù)K=1.1，因此有

式中Fn——壓臂擰緊力（N）；

K——擰緊系數(shù)，K=1.1。

其壓臂受力情況如圖9所示，壓臂受力轉(zhuǎn)化尺寸如圖10所示。

圖9 工況4中壓臂受力情況

圖10 壓臂受力轉(zhuǎn)化尺寸

將Fn向螺栓組中心轉(zhuǎn)化，得到螺栓組的傾覆力矩MFn和力Fn1，即

將f向螺栓組中心轉(zhuǎn)化，得到對(duì)螺栓組的轉(zhuǎn)矩Tf、傾覆力矩Mf、摩擦力f1，即

Tf＝576N·m，Mf＝366.5N·m，f1＝f＝2036N

（2）工況3螺栓預(yù)緊力的分析計(jì)算 當(dāng)平臺(tái)處于工況3時(shí)，壓臂受力情況如圖11所示。

圖11 工況3中壓臂受力分析

采用上述方法計(jì)算可得Fn2＝7016N。

綜合分析以上兩種危險(xiǎn)工況可知，當(dāng)處于工況4時(shí)螺栓受力最大，應(yīng)將此工況下計(jì)算得到的螺栓預(yù)緊力作為螺栓施加的預(yù)緊力值。

3 牽引梁變位工裝壓臂強(qiáng)度分析及焊接結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在進(jìn)行有限元分析時(shí)，為了在離散過(guò)程中獲得較少的單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)量，需要簡(jiǎn)化那些對(duì)分析結(jié)果影響不大的特征[5]。在本次數(shù)值仿真中，可以將螺桿和壓塊進(jìn)行簡(jiǎn)化，同時(shí)將螺桿處的受力簡(jiǎn)化至螺母座處。另外，忽略底座上一些銷孔等特征。焊縫部分采用理想的HY焊縫和角焊縫實(shí)體建模[6]，螺母座和伸縮臂兩側(cè)為15HY焊縫，立板2與套筒、立板1與底座連接處之間采用10HY焊縫。螺栓和螺紋部分忽略螺紋特征[7]。建立的有限元分析模型如圖12所示。

圖12 壓臂有限元分析模型

壓臂采用Q355B結(jié)構(gòu)鋼，焊縫采用與母材等強(qiáng)度材料代替，螺栓螺母采用8.8級(jí)高強(qiáng)度螺栓，材質(zhì)為35CrMoA鋼，兩種材料的性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料性能參數(shù)

3.1 壓臂受力邊界條件設(shè)置及危險(xiǎn)工況強(qiáng)度分析

根據(jù)分析的結(jié)果設(shè)置邊界條件：Mf＝336.5N·m，f＝2036N，F(xiàn)＝14926N，得到壓臂在工況3、工況4下的受力結(jié)果分布云圖，分別如圖13、如圖14所示。由圖13、圖14可知，最大受力為300MPa，均勻分布于立板2與底座墊板結(jié)合處，且應(yīng)力值均小于材料的屈服強(qiáng)度，符合要求。

圖13 工況3整體應(yīng)力分布云圖

圖14 工況4整體應(yīng)力分布云圖

3.2 壓臂焊接結(jié)構(gòu)優(yōu)化

初始設(shè)計(jì)的焊縫尺寸，雖然在強(qiáng)度上滿足要求，各部位的安全系數(shù)較高，但是焊縫尺寸偏大。在實(shí)際焊接過(guò)程中需要消耗較多的焊接材料，而且由于焊接量過(guò)大，壓臂結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生較大的變形（見(jiàn)圖15），因此有必要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以降低焊縫尺寸。

圖15 焊接變形

要降低焊接變形，首先，采用減小焊縫尺寸措施，將螺母座和伸縮臂兩側(cè)為15HY焊縫逐步優(yōu)化至7HY焊縫，將立板2與套筒、立板1與底座連接處之間為10HY焊縫逐步優(yōu)化至5HY焊縫。但通過(guò)多次試算發(fā)現(xiàn)，減小焊縫尺寸效果并不明顯。其次，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在工程實(shí)踐中，工字形結(jié)構(gòu)在不改變構(gòu)件厚度的情況下，可通過(guò)增加加強(qiáng)筋板來(lái)增強(qiáng)剛度、強(qiáng)度，以及約束立板在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的變形。

通過(guò)前文中對(duì)壓臂結(jié)構(gòu)的有限元分析，可知立板1與底座、立板2與套筒處的焊縫受力最大，因此可在此處增加加強(qiáng)筋板。優(yōu)化后的壓臂結(jié)構(gòu)如圖16所示。

圖16 優(yōu)化后的壓臂結(jié)構(gòu)

為驗(yàn)證優(yōu)化后的壓臂結(jié)構(gòu)是否有效，對(duì)其在工況3、工況4下分別進(jìn)行數(shù)值仿真，結(jié)果如圖17、圖18所示。由圖17、圖18可知，兩種工況中壓臂應(yīng)力最大為250.73MPa，比優(yōu)化前最大應(yīng)力降低16.5%。兩種工況中，焊縫處應(yīng)力最大為206.63MPa，比優(yōu)化前焊縫最大應(yīng)力降低31%，壓臂與焊縫最大應(yīng)力值均遠(yuǎn)低于其材料的許用應(yīng)力，優(yōu)化效果明顯。

圖17 工況3中整體應(yīng)力分布云圖

圖18 工況4中整體應(yīng)力分布云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在兩種相同的極限工況作用下，從壓臂焊縫尺寸、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進(jìn)行計(jì)算仿真，對(duì)優(yōu)化前后與實(shí)際情況進(jìn)行了對(duì)比，證明對(duì)壓臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化后，可顯著降低焊縫尺寸，提高壓臂承載能力，取得了良好的變形控制效果。同時(shí)，確保在作業(yè)過(guò)程中的人員安全，對(duì)后續(xù)類似結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核和焊接變形優(yōu)化具有較大參考價(jià)值。