高速动车组转向架构架焊接工艺与变形关系

郭立明,高国星,王太忠,李万君,谢元立

摘要：高速动车组转向架构架质量同行车安全相关，而过于严重的变形则会降低构架质量，令行车风险大大增加。为减小构架发生变形的几率，笔者对焊接工艺和变形的关系进行深入探究。在本文中，笔者介绍了构架的基本结构，阐述了进行焊接仿真的过程，得到了焊接顺序、工装形式同焊接变形存在联系的结论，并对焊接变形的预防、控制及矫正进行了简单介绍。

关键词：高速动车组；转向架构架；焊接工艺；变形

1引言

交通运输业是我国的重要行业，对我国的生产及人民生活均产生重大影响，高速铁路是构成我国交通运输业的重要因素。因此，有必要对其进行深入研究。高速动车组是高速铁路不可或缺的部分，而转向架关系到高速动车组能否正常行驶，所以需要深入研究这一部件。使用焊接工艺时，高速动车组转向架有可能发生变形。在此，笔者探究焊接工艺和变形的关系。

2、转向架构架的基本结构

高速动车组转向架构架通常采取H型焊接结构形式，主要部件为侧梁、横梁，可分成动车构架、拖车构架。动车构架具备动力支撑传动机构，例如电机吊座、齿轮箱座，采取了两轮盘制动形式，而拖车构架则不存在动力支撑机构，采取的制动形式为三轮盘制动。

2.1侧梁的基本结构

动车构架、拖车构架的侧梁结构大致相同，上盖板、下盖板、立板以拼接形式构成侧梁。同地铁车辆转向架构架的侧梁比较，高速动车组转向架构架侧梁的内腔不作为气室，具有整体尺寸相对较高的特征。此外，动车组构架对上盖板平面度、定位座间距等有较高的精度要求。

2.3横梁的基本结构

动车构架的横梁上通常安装了电车吊座、齿轮箱座，而拖车构架由于不存在动力支撑机构，其横梁则不存在这两个部件。

3、焊接仿真

3.1焊接顺序

为了便于描述，笔者将转向架构架的四端定义为A、B、C、D，其中，A端和C端在同一侧，接近制动吊座，而B端和D端在另一侧，靠近横梁、连杆座。在此，笔者设定了两种焊接顺序方案：（1）D→A→C→B；（2）B→D→A→C。

3.2焊接工装

在本次研究中，笔者设定了两种焊接工装方案：（1）将横梁管固定并压紧；（2）将侧梁四个帽筒进行固定。

3.3焊接仿真方案

设定了两种焊接顺序方案及焊接工装方案后，笔者进行交叉组合，得到四种仿真方案：（1）采用第一种焊接顺序方案和第一种焊接工装方案；（2）采用第一种焊接顺序方案和第二种焊接工装方案；（3）采用第二种焊接顺序方案和第一种焊接工装方案；（4）采用第二种焊接顺序方案和第二种焊接顺序方案。

4焊接仿真的建模

4.1构建仿真模型

之所以进行焊接仿真，是因为需要探究焊接顺序对焊接变形的影响。仿真内容为横梁管和横向止档之间的阻焊、制动衡量和制动横梁之间的焊接。根据其焊缝分布特点，笔者决定采用实体—壳单元混合模型构建模型。完成模型构建后，笔者对各个散热单元进行了调整。

4.2仿真结构分析

笔者利用了Sysweld平台对四种焊接方案进行分析。分析完毕后，笔者发现以下几点：（1）第三种方案造成的变形最大，第二种方案造成的变形最小，前者采用的焊接顺序为B→D→A→C，而焊接工装方案为固定横梁管，后者采用的焊接顺序为D→A→C→B，焊接工装方案为固定帽筒；（2）第一种方案和第二种方案产生的横向变形和纵向变形相对较小，而这两种方案的焊接顺序均为D→A→C→B；（3）四种方案造成变形的位置基本一致。

因此，笔者认为焊接顺序和焊接工装形式均对变形造成影响。当焊接顺序为D→A→C→B、帽筒处于被固定状态时，可有效减少横向与纵向的变形。

5、焊接变形的预防、控制及矫正

5.1防止焊接变形

目前，焊接人员主要采取预变形法、刚性固定组装法、预拉伸法避免焊接变形。

5.1.1预变形法

使用这一方法时，需要对焊工件的变形大小、方向进行预测，得到和变形大小相同、方向相反的预变形量。在理想情况下，焊接残余变形将抵消预变形量，令构件的各项参数与最初设计一致。

5.1.2刚性固定组装法

使用这一方法前，需准备合适的夹具或者刚性胎具，以固定住被焊构件。如果可妥当应用，这一方法将控制构件的角变形、弯曲变形。由于具有较佳的焊接变形控制效果，这一方法被广泛使用。

5.1.3预拉伸法

利用这一方法预防焊接变形的要点是施加合适的预张力，促使热膨胀量形成。当哈娜姐工作结束后，撤销预张力，构件将完全恢复到初始状态。

5.2控制焊接变形

焊接顺序、焊接工装形式、焊接标准乃至焊接设备，均对焊接变形有所影响。因此，应根据实际情况选择合适的焊接标准，使用符合现实情况的焊接设备，采取正确的焊接顺序和工装形式。

5.3矫正焊接变形

焊接变形的常用矫正方法为加热矫正法、机械矫正法，妥当利用这两种方法可减小甚至消除构件变形。

5.3.1加热矫正法

根据加热区域，加热矫正法可分为两种方法：（1）局部加热矫正法。焊接人员利用气焊焊炬加热构件的某一位置，促使热膨胀产生，由于受构件自身的刚性约束，局部将出现塑性变形，待构件冷却，塑性变形将抵消因焊接产生的伸长变形；（2）整体加热矫正法。加热整个构件，直至其温度高于锻造温度。由于加热区域较大，使用这一方法需耗费较多资金、时间，因此，相对于局部加热矫正法，这一方法的使用频次较低。

5.3.2机械矫正法

机械矫正法包含以下三种方法：（1）焊缝滚压法。焊接人员通过滚压轮碾压焊缝和附近区域，使得残余应力消失，进而消除构件变形；（2）静力加压矫正法。待焊接结束之后，焊接人员施加机械载荷，使得构件产生塑性变形。在多数时候，因机械载荷产生的塑性变形与焊接变形相等，进而产生抵消的效果；（3）锤击法。利用锤击产生的冲击能抵消焊接残余应力，并延展焊缝附近产生塑性变形的区域，使焊接变形得以消除。

6、结语

在此次研究中，笔者探究了高速动车组转向架构架的基本结构以及分类，对其焊接过程进行了仿真。为了解焊接顺序、工装形式对焊接变形产生的影响，笔者设定了四种方案。通过分析仿真结果，笔者认定焊接顺序、工装形式均会对焊接变形产生较明显的影响。此外，笔者在本文中介绍了焊接变形的预防、控制及矫正。笔者深知此次研究还存在不足，今后将继续探究焊接工艺与变形的深层次关系，希望能为我国交通运输业发展贡献微薄之力。

参考文献

[1]姜斌，宋学毅，臧宗波，王超.250 km/h动车组转向架构架制造技术[J].城市轨道交通研究，2015（6）：76-78.

[2]李万君，刘大明，王善更.浅谈高速动车组转向架构架的焊接变形控制方案[J].中国化工贸易，2018（10）:227.

[3]魏志欣.高速动车组转向架构架的焊接变形控制措施研究[J].内燃机与配件，2020（10）：140-141.