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黑龙江交通职业技术学院毕业设计（论文）

在弓网故障发生时，主断控制器可断开机车主断路器，从而避免了带负载降弓时弓网之间产生拉弧而损坏受电弓和接触网。该装置输出为无触点控制，体积小、可靠性高、安装简单。

(8) 产品的质量保证期长 ,整弓的质量保证期为50万公里或48个月。 较小的气动阻力及不同气流条件下保持不变的气动性能。由于总量较小以及有利质量分配，在低触点压力情况下以少量电弧进行能量传输 在单牵引以及多牵引时滑板运行效率较高。

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第2章 *******

一、课题背景及研究的目的和意义

电力机车主要组成部分机车转向架的设计和生产直接影响电力机车的构造以及能否保证机车的安全运用与运行。因此，转向架构架的制造质量与精度就起着决定性的因素。构架是转向架的骨架和重要承力部件，在构架生产制造过程中面对的主要问题是如何控制焊接变形。而本文所研究的构架侧梁变形又是构架焊接生产过程中控制焊接变形的关键因素，转向架作为铁道机车车辆的走行部分的主要部件，它对行车安全起着至关重要的作用，其可靠性直接决定了机车车辆的运行的安全，构架是其他部件的安装基础，如轴箱拉杆、垂向油压减震器、牵引电动机、旁承等，还要传递车体与动轮之间的纵向、垂向、横向等各种作用力。2003年对135台在运行的转向架进行检查时发现，有44辆车在纵向牵引拉杆座的焊缝处发现不同程度的裂纹，最大裂纹长度有50mm；此外郑州某机务段在对机车进行例行检查时发现有7台在运的韶山4G电力机车中机车侧梁与牵引梁的焊缝处发现不同程度的裂纹，最大裂纹长度有50mm左右，原因是由于转向架侧梁焊接变形量过大，内应力过大造成[1]。

20世纪30年代中期，几乎多数的内燃机车、蒸汽机车、电力机车、铁道车辆的主要承力部件的制造大都采用焊接工艺，但也有少数车型仍采用铸造的方法，随着我国铁路的跨越式发展，作为牵引动力的电力机车朝着大功率、重载方向发展，为了保证重载机车行车安全，对机车主要的承力部件的抗疲劳强度及其结构强度的要求逐步提高，因此需要制定科学的焊接工艺来保证电力机车转向架侧梁等主要承力部件的焊接质量。电力机车机械部分的主要承力部件大都采用钢板焊接的箱型结构，这种焊接的箱型结构相对于铸造加工方法相比其优点是可以使结构轻量化，即不降低部件结构强度又节约了材料，并且焊接制造工艺与其他制造工艺来说生产周期较短，步骤简单可以生产较复杂的结构部件。目前，铁道机车车辆转向架焊接的箱型结构已成为复杂结构制造中应用最多的基础结构之一[2]。

焊接机构在焊接时，由于焊接热源具有高温，并沿焊接点移动，所以受温度、焊接速度的影响整个转向架侧梁焊接过程就及其复杂。由于机车转向架侧梁尺寸较大，整个焊接的过程就显得及其复杂，整个过程加热不均匀，因此侧

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梁的温度分布就及其不均匀，焊接后冷却时就使转向架侧梁产生分布不均匀的应力同时产生不均匀的应变，最终就导致了残余变形的产生。转向架侧梁结构的整体性受到残余变形的影响，其大小又决定着你加工的工艺能否满足设计要求，残余变形量大更影响着机车可靠的安全运用[3]。侧梁的残余变形会产生很大的隐患，例如在侧梁与牵引梁的接头中形成裂纹，影响转向架结构的疲劳强度，尺寸参数不能达到标准。因此从转向架侧梁整个生产过程中的每一个生产环节，包括设计、材料的选择、焊接的工艺与方法、焊后的处理等进行严格的控制。由于侧梁是焊接的箱型结构，其残余变形的控制通过焊缝的质量保证来达到，这也是说焊缝的质量是焊接质量的核心问题，通过对焊缝质量的控制，来提高产品的质量，减小焊接残余应力。

目前内燃机车、电力机车、铁道车辆在走行部的基础结构上普遍都采用钢板焊接的箱型钢结构，因此箱型结构的主要性能参数能否达到机车重载运行要求就很关键，如结构的抗疲劳强度、箱型钢结构的强度，箱型钢结构的钢度，焊接的精度等。在转向架侧梁焊接加工时，由于焊接的不均衡加热使得焊接后的侧梁结构发生形变，因此焊接加工生产的侧梁质量不能得到良好的控制，需要加工制造后对产生的变形量进行矫正。现场通过技术人员长期积累的工作经验与数据来制定矫正变形量的方法，象侧梁这样较大较复杂的焊接结构在对其变形量进行矫正时就显得极其不容易，致使生产周期过长、效率低、容易出现次品。为了较小焊接后变形量对侧梁整体结构的影响，首先应对产生的变形量进行评价，同时采取措施来减小变形量以缩短生产周期、提高生产效率、较少次品率需要对侧梁的加工工艺与焊接过程进行理论化、系统化的分析研究，通过成系统化的分析找到侧梁焊接加工过程中产生变形量的预测方法。

转向架又是电力机车的走行部，其构架是电力机车转向架的重要部分，是一个结构复杂、尺寸要求较高的焊接件、承受较大的作用力。南车集团株洲电力机车厂是制造电力机车的龙头行业，制造电力机车已有几十年的历史。该厂转向架侧梁的制造工艺方法是：

板材下料→板材加工→板材压形→各粱焊接→各梁加工→构架焊接→组焊→构架退火→构架整体加工→附件组焊→构架抛丸→构架油漆[4]。

株洲厂在侧梁制造过程中减小焊接后的变形量的工艺是通过对焊接的方法合理选取、对焊缝的布置进行重新设计、焊接时使其产生相反的残余变形，采用固件固定的方法。

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目前计算机模拟技术正在不断的发展，而且应用到了较多的工程实践当中，计算机本身的硬件配置与计算速度都有较大幅度的提高，提高了计算机模拟焊接过程的速度，提高了工作效率。利用计算机模拟实际的物理过程，称为数值模拟试验[4]。通过计算机对电力机车构架侧梁焊缝焊接过程进行的模拟，可以对侧梁焊接过程进行优化，这可以降低了生产试验经费与时间，为提高焊接质量提供数据支持。因此，数值模拟在工程实践与研究中具有深远的意义。

图1-1 SS4电力机车转向架构架

1—前、后端梁；2—左、振器座； 3—牵引梁；4—定位板； 5—减震器座；6—垂向减振器座；7—下拉杆座；8—上拉杆座。

机车结构除转向架外，转向架结构如图1-1所示，是通过二系悬挂装置（旁承）和一系悬挂装置（轴箱弹簧、垂向油压减震器）作用在侧梁上，机车的纵向牵引力通过轮对作用在轴箱上，轴箱作用在轴箱上、下拉杆以及拉杆座，轴箱拉杆座与转向架构架侧梁相连进行传递的，转向架焊接焊情况相当复杂，这就存在着一些焊接缺陷应，降低了转向架整体的疲劳强度与寿命。当机车通过曲线时，横向力也通过轴箱及拉杆或侧档作用在侧梁上。在转向架构架侧梁生产制造过程由于不能很好地控制焊接变形而达不到设计尺寸要求，为了矫正焊接变形而不得不采用火焰加热械调直等方法，这样做不仅增加成本，而且会改余应力的分布状态，残余应力的存在对机车构架劳强度和疲劳寿命均有很大的影响，特别是应力和高残余应力叠加的转向架侧梁焊接接头，往往产生应变循环。若材料的韧性储备不足，就有可能开裂造成危害及隐患，直接影响着重载

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列车的行车安全。

综上所述，如何通过数值模拟仿真的方法对侧梁的焊接变形进行预测并采取一定的措施控制焊接变形，保证侧梁焊接制造过程中的焊接质量，就成为保证整个产品质量的关键。

二、国内外研究状况

（一）国外焊接变形控制研究概况

在20世纪40年代初期关于焊接结构的焊接变形与焊接应力方面的研究较少，Osgood[5]教授对这方面进行了分析与研究并提出了浅显的原因。20世纪60年代初开始使用计算机研究焊接应力和变形问题，20世纪60年代中期泰尔首先利用计算机技术，对一条简单的焊缝进行了数值模拟分析，通过编程计算出焊接应力[6]。1967年一些学者开始研究钢板在焊接时的应力变化，找到了应力集中与收缩引起的焊接变形的原因，Watanabe 、Satoh K[7]为典型的代表，同时提出了预测焊接变形的一系列公式为今后的焊接变形预测技术发展奠定了基础。金属材料的性能与温度场之间的关系理论首先在20世纪70年代初，由日本的村川英一、麻宁等应用数值模拟分析的方法研究出来，为以后的应力场与应变场的有限元的分析奠定了基础 [1]。DaniewiczSR[8]对大型的焊接结构进行了大量的研究，通过数值模拟的方法仿真模拟了焊缝的收缩情况，并成功的应用到了轮船的焊接结构中，为大型的焊接结构焊接变形的有限元分析提供了经验与试验数据。有限元在二十世纪八十年代其技术发展的日臻成熟，通过试验人员的大量研究，焊接结构在焊接过程中的应力分布、焊接的残余变形的情况掌握的以及各种焊接结构的有限元分析也在不断深入。焊接残余变形有限元分析的精准度还不是很高，不能用于生产实践，因此琼弗森等人提高了焊缝残余应力分布的模拟分析的精准度，对焊接结构的焊接残余应力应力分布情况进行了研究，讨论了减小管件焊接残余变形的方法[9]。在弹—粘塑性模型与弹塑性模型的使用上加拿大卡尔顿大学机械航空工程系John Goldak [10,11]教授等提出了自己的观点，John Goldak教授是热加工过程数值模拟领域著名学者，主要从事焊接热过程、铸造热过程数值模拟和软件研究工作，并提出了根据焊接温度的不同应使用相应的模型来计算。二十世纪九十年代随着计算机的硬件制造工艺的发展，计算机的内存与主频逐步提高，因此为有限元的发展提供了关阔的前景。20世纪末研究人员对焊接热源即焊接点热力分布进行了研究，并考虑到了

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