牵引梁交验工装压臂强度分析与焊接结构优化

2023-10-28叶娇龙何清和肖辉曹明慧李凌

金属加工(热加工) 2023年10期

叶娇龙，何清和，肖辉，曹明慧，李凌

中车株洲电力机车有限公司湖南株洲 412001

1 序言

焊缝连接是现代钢结构最主要的连接方法之一，其具有构造简单、用料经济、制造简单及可使用自动化焊接等优点[1]。结构中焊缝的受力是十分复杂的，在多种外力的作用下，焊缝受力可能会大于其许用应力值，致使产生塑性变形从而出现低周疲劳现象，使焊缝寿命大大降低，造成焊缝断裂，影响列车安全运行[2]。

目前生产的车型中，最重的牵引梁车型为六轴和谐型机车，其牵引梁重约3.6t，根据国际焊接标准的要求[3]，焊接位置尽可能处于PA或PB位置，在焊接过程中多孔平台工装会和牵引梁旋转至各种角度以便到达最佳的焊接角度（见图1）。首先是牵引梁的平翻过程，牵引梁由水平状态平翻至与地面呈90°状态，其次是在焊接完成后，圆盘会继续带动牵引梁在竖直平面内进行立翻至90°（见图2）。在这个过程中，压臂会受到来自维持牵引梁保持平衡状态所需要的巨大反作用力，因此需对工装上的焊缝以及压臂强度进行强度校核，以确保在作业过程中人员的安全。

图1 牵引梁变位机多孔平台

图2 牵引梁平翻焊接

2 牵引梁变位工装压臂受力分析及理论计算

2.1 压臂基本结构

牵引梁变位工装多孔平台中共有5个压臂和8个压紧压板对牵引梁进行压紧，如图3所示。压臂结构主要由压紧螺杆、压块、螺母座、伸缩臂、套筒、立板1、立板2、大/小限位销、底座垫板及4个螺栓螺母联接构成，如图4所示。

图3 交验工装工作状态

图4 压臂三维结构

2.2 压臂受力危险状态分析

初始状态时，由多孔平台对牵引梁进行支撑（以下简称工况1），如图5所示。当变位机平翻至180°时（见图6），此时完全由压臂和压紧压板对牵引梁提供支撑作用（以下简称工况2）。

图5 工况1示意

图6 工况2示意

当多孔平台和牵引梁整体平翻至90°时（见图7），此时完全由压臂对牵引梁的静摩擦力使牵引梁保持平衡（以下简称工况3）。当升降平台平翻至90°时（见图8），多孔平台在竖直平面内沿转轴旋转90°的工况，此时也完全由压臂对牵引梁的摩擦力使牵引梁保持平衡（以下简称工况4）。

图7 工况3示意

图8 工况4示意

综合分析以上4种极限工况可知，当处于工况3和工况4时，压臂所受到的压力要远大于工况2中压臂所受到的压力。

2.3 底座联接螺栓受力理论计算

（1）工况4螺栓受力分析计算[4]牵引梁质量为3600kg，在立翻翻转至90°过程位置即将停下时，取1.5倍的安全系数，牵引梁由13个压臂共26个受力面为其提供摩擦力，每个压臂为牵引梁提供的摩擦力为

式中f——摩擦力（N）；

G——牵引梁重力（N）；

FN——牵引梁受单个压臂的摩擦力（N）；

u——压块以及多孔平台与牵引梁平面之间的摩擦系数，u＝0.5。

在实际拧紧螺柱过程中，取拧紧系数K=1.1，因此有

式中Fn——压臂拧紧力（N）；

K——拧紧系数，K=1.1。

其压臂受力情况如图9所示，压臂受力转化尺寸如图10所示。

图9 工况4中压臂受力情况

图10 压臂受力转化尺寸

将Fn向螺栓组中心转化，得到螺栓组的倾覆力矩MFn和力Fn1，即

将f向螺栓组中心转化，得到对螺栓组的转矩Tf、倾覆力矩Mf、摩擦力f1，即

Tf＝576N·m，Mf＝366.5N·m，f1＝f＝2036N

（2）工况3螺栓预紧力的分析计算当平台处于工况3时，压臂受力情况如图11所示。

图11 工况3中压臂受力分析

采用上述方法计算可得Fn2＝7016N。

综合分析以上两种危险工况可知，当处于工况4时螺栓受力最大，应将此工况下计算得到的螺栓预紧力作为螺栓施加的预紧力值。

3 牵引梁变位工装压臂强度分析及焊接结构优化

在进行有限元分析时，为了在离散过程中获得较少的单元和节点数量，需要简化那些对分析结果影响不大的特征[5]。在本次数值仿真中，可以将螺杆和压块进行简化，同时将螺杆处的受力简化至螺母座处。另外，忽略底座上一些销孔等特征。焊缝部分采用理想的HY焊缝和角焊缝实体建模[6]，螺母座和伸缩臂两侧为15HY焊缝，立板2与套筒、立板1与底座连接处之间采用10HY焊缝。螺栓和螺纹部分忽略螺纹特征[7]。建立的有限元分析模型如图12所示。

图12 压臂有限元分析模型

压臂采用Q355B结构钢，焊缝采用与母材等强度材料代替，螺栓螺母采用8.8级高强度螺栓，材质为35CrMoA钢，两种材料的性能参数见表1。

表1 材料性能参数

3.1 压臂受力边界条件设置及危险工况强度分析

根据分析的结果设置边界条件：Mf＝336.5N·m，f＝2036N，F＝14926N，得到压臂在工况3、工况4下的受力结果分布云图，分别如图13、如图14所示。由图13、图14可知，最大受力为300MPa，均匀分布于立板2与底座垫板结合处，且应力值均小于材料的屈服强度，符合要求。

图13 工况3整体应力分布云图

图14 工况4整体应力分布云图

3.2 压臂焊接结构优化

初始设计的焊缝尺寸，虽然在强度上满足要求，各部位的安全系数较高，但是焊缝尺寸偏大。在实际焊接过程中需要消耗较多的焊接材料，而且由于焊接量过大，压臂结构也会产生较大的变形（见图15），因此有必要对结构进行改进，以降低焊缝尺寸。

图15 焊接变形

要降低焊接变形，首先，采用减小焊缝尺寸措施，将螺母座和伸缩臂两侧为15HY焊缝逐步优化至7HY焊缝，将立板2与套筒、立板1与底座连接处之间为10HY焊缝逐步优化至5HY焊缝。但通过多次试算发现，减小焊缝尺寸效果并不明显。其次，对结构进行优化，在工程实践中，工字形结构在不改变构件厚度的情况下，可通过增加加强筋板来增强刚度、强度，以及约束立板在焊接过程中产生的变形。

通过前文中对压臂结构的有限元分析，可知立板1与底座、立板2与套筒处的焊缝受力最大，因此可在此处增加加强筋板。优化后的压臂结构如图16所示。

图16 优化后的压臂结构

为验证优化后的压臂结构是否有效，对其在工况3、工况4下分别进行数值仿真，结果如图17、图18所示。由图17、图18可知，两种工况中压臂应力最大为250.73MPa，比优化前最大应力降低16.5%。两种工况中，焊缝处应力最大为206.63MPa，比优化前焊缝最大应力降低31%，压臂与焊缝最大应力值均远低于其材料的许用应力，优化效果明显。