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鐵路客車牽引梁工藝簡(jiǎn)介及結(jié)構(gòu)分析

文/魯萬彪,竺星星,姚光虎,范欽磊,謝紹興,潘永剛·中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司

車體鋼結(jié)構(gòu)是列車的一個(gè)重要組成部分,而牽引梁是車體鋼結(jié)構(gòu)的重要組成部分,車體在運(yùn)行過程中,牽引梁不但要把牽引力和制動(dòng)力傳遞給車鉤,而且還要承受各種設(shè)備載荷以及牽引中水平縱向和橫向沖擊載荷的作用力,因此,牽引梁必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度,滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求,保證列車運(yùn)行的安全性和平穩(wěn)性。

25G牽引梁結(jié)構(gòu)及工藝介紹

25G型車的牽引梁主要由兩根材料為Q235-B的30a型槽鋼及Q235-A的牽引梁下蓋板和09CuPCrNi牽引梁上蓋板組焊而成。其上蓋板厚6mm、寬490mm,下蓋板厚8mm、寬490mm。為了符合在牽引梁腹板間安裝車鉤緩沖裝置,兩槽鋼腹板間距為350mm,并將牽引梁端部的一段加高至454mm。此外,在兩根槽鋼之間加隔板、車鉤前后沖板座、放跳板、磨耗板等零部件組成了整個(gè)牽引梁結(jié)構(gòu),端牽枕組裝時(shí)牽引梁大端與端梁焊接,小端與枕梁焊接。

由于牽引梁靠近端梁端,需加高到454mm,工藝上用半自動(dòng)切割機(jī)將槽鋼切割成圖1中的1、2兩種形狀,將切割好的零件采用埋弧焊拼焊成如圖2所示,最后再進(jìn)行調(diào)修,使其滿足技術(shù)要求。

圖1 槽鋼切割形狀

圖2 牽引梁拼焊圖

25T牽引梁結(jié)構(gòu)及工藝介紹

25T型車的牽引梁主要由兩根材料為Q345-E的槽鋼和Q345-E的牽引梁下蓋板及09CuPCrNi的牽引梁上蓋板組焊而成。兩個(gè)槽鋼與端梁焊接端的高度為458mm,與枕梁焊接端的高度為300mm,翼面高度為90mm,板厚8mm。上蓋板厚4mm、寬560mm,下蓋板厚6mm、寬560mm。為了符合在牽引梁腹板間安裝車鉤緩沖裝置,兩槽鋼腹板間距為440mm,為了能使車鉤左右轉(zhuǎn)動(dòng),將牽引梁安裝車鉤處端部開成喇叭口形狀,端部寬度為798mm。此外,在兩根槽鋼之間加隔板、車鉤安裝座零部件組成了整個(gè)牽引梁結(jié)構(gòu),牽引梁結(jié)構(gòu)如圖3所示(為了便于看清里面結(jié)構(gòu),取掉了上蓋板)。

圖3 25T牽引梁結(jié)構(gòu)圖

在制造過程中兩根槽鋼采用型鋼比較難成形,具體工藝過程如下:

激光下料

激光切割是利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束照射工件,使被照射的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達(dá)到燃點(diǎn),同時(shí)借助與光束同軸的高速氣流吹出熔融物質(zhì),從而實(shí)現(xiàn)將工件割開。

由于牽引梁槽鋼折彎比較復(fù)雜,為了便于折彎,因此在工藝上采用板材先分段折彎后焊接的形式制造,孔徑不大于14mm如圖4所示。下料完成后,對(duì)主板進(jìn)行校平,滿足1mm/m的平面度要求,并檢驗(yàn)外形尺寸。

圖4 25T牽引梁切割下料

折彎

折彎時(shí)折彎順序很重要,如順序不對(duì)會(huì)導(dǎo)致零件無法成形。牽引梁成形比較復(fù)雜,折彎順序如圖5所示,從1號(hào)邊開始折彎,依次折2、3、4、5號(hào)邊。翼面折彎角度偏差均為:90°(0,-0.6°)。Q345-E材質(zhì)的沖壓性能不是很好,在折彎時(shí)需通過擴(kuò)大折彎半徑來減少開裂,采用R15mm折彎半徑。將折好的牽引梁,在平臺(tái)上適當(dāng)增加喇叭口折彎角度,預(yù)留焊接收縮量,預(yù)留收縮量1~2mm。下翼面1和下翼面2之間的缺料可用100mm長(zhǎng)補(bǔ)板拼焊。

圖5 25T牽引梁折彎展開圖

焊接

將折彎成形的槽鋼的翼面連接處進(jìn)行焊接,焊接前需在焊接處開坡口,以保證實(shí)現(xiàn)雙面焊。工藝孔不需要焊接,施焊前清理施焊部位及兩側(cè)各20mm范圍內(nèi)水分、鐵銹、油污等雜物后才可以焊接。如圖6所示在主平面與折彎面之間點(diǎn)焊2個(gè)支架控制1號(hào)位兩處焊接成形后的焊接收縮。3號(hào)位增加一塊補(bǔ)板焊接。焊接下翼面焊縫時(shí),將上翼面平放于平臺(tái)上進(jìn)行焊接。在焊接3號(hào)位補(bǔ)板時(shí),為防止焊接時(shí)將補(bǔ)板拉歪,應(yīng)在補(bǔ)板與主面板間點(diǎn)焊一塊支撐板,控制其在焊接時(shí)的垂直度,焊接示意圖如圖7所示。

先焊3號(hào)位補(bǔ)板長(zhǎng)度方向焊縫,再焊接寬度方向焊縫。然后焊接2號(hào)位、1號(hào)位焊縫。焊后需打磨、清渣、調(diào)校,使其滿足技術(shù)要求。

圖6 25T牽引梁組焊圖

圖7 補(bǔ)板與主板面之間的支撐板

25T牽引梁展望

隨著鐵路運(yùn)輸?shù)牟粩喟l(fā)展,人們對(duì)舒適度、環(huán)境等有了更高的要求,牽引梁下的吊掛件數(shù)量也不斷增多,牽引梁的強(qiáng)度方面也得有所提高。目前再增加牽引梁強(qiáng)度方面有兩種不同的方案,即增加上下蓋板厚度、增加槽鋼厚度兩種方案。

本人對(duì)兩種方案利用I-DEAS軟件進(jìn)行了有限元分析,對(duì)兩種方案及原方案做了如下對(duì)比。

建立牽引梁計(jì)算模型

在建立計(jì)算模型時(shí)做了必要的簡(jiǎn)化。任何構(gòu)件和零部件都是三維的,但是當(dāng)某一個(gè)方向或某兩個(gè)方向的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他方向的尺寸時(shí),就可以簡(jiǎn)化為板或梁,這種簡(jiǎn)化稱為降維。牽引梁計(jì)算模型完全按照真實(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為板殼單元,這種簡(jiǎn)化模型不僅能代表原結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性,而且大大減小了解題規(guī)模,為后期分析計(jì)算提供了方便和可靠度,其計(jì)算模型如圖8所示。

圖8 牽引梁計(jì)算模型圖

牽引梁劃分網(wǎng)格

用于劃分網(wǎng)格的幾何形狀幾乎從設(shè)計(jì)圖中各處板厚的中面提取,上蓋板、下蓋板、槽型梁等均用相對(duì)等厚度的薄殼單元,在劃分網(wǎng)格時(shí)原方案為上蓋板厚4mm、下蓋板厚6mm、兩根槽型梁厚8mm;第一方案是將上蓋板厚改為6mm、下蓋板厚改為8mm:第二方案是將兩根槽型梁厚改為10mm;兩種方案增加的重量相差不多。有限元模型如圖9所示。

圖9 牽引梁有限元模型

牽引梁的材料特性

車體材料的彈性模量為E=2.1×105MPa;泊松比μ=0.3;密度ρ=7.82×10-6kg/mm3。

牽引梁的載荷處理

為了便于計(jì)算將牽引梁的兩端簡(jiǎn)化為完全剛性約束,在橫梁焊接位置處分別施加4000N以模擬牽引梁下的吊掛件的重量。

有限元分析

計(jì)算結(jié)果顯示兩種方案與原方案相對(duì)比,最大應(yīng)力明顯下降,三種方案的應(yīng)力分布如圖10所示。

從圖10中顯示結(jié)果可以看出,當(dāng)增加牽引梁上下蓋板厚度時(shí)的最大應(yīng)力比增加槽鋼厚度后的最大應(yīng)力小。因此,增加牽引梁上下蓋板厚度的方案比增加槽鋼厚度的方案更滿足強(qiáng)度要求。

從工藝角度出發(fā),由于槽鋼需要折彎,當(dāng)采用增加槽鋼厚度時(shí),對(duì)折彎?rùn)C(jī)的噸位要求比較高,最小需要520t的折彎?rùn)C(jī),普通的折彎?rùn)C(jī)比較難以進(jìn)行折彎成形。而下蓋板為壓型成形,對(duì)噸位要求比較低,最小需要300t的壓型機(jī),所以比較容易成形。

圖10 三種方案的牽引梁應(yīng)力分布圖

綜上所述,增加牽引梁上下蓋板厚度的方案,強(qiáng)度更滿足要求,工藝性更好。

結(jié)束語

本文通過對(duì)25G型車和25T型車牽引梁的結(jié)構(gòu)和制造工藝的介紹。以25T型車為基礎(chǔ),通過增加上下蓋板厚度和增加槽鋼板厚進(jìn)行了強(qiáng)度和制造工藝分析,結(jié)果表明:在兩種方案增加的重量相差不多的情況下,增加上下蓋板厚度對(duì)提高牽引梁強(qiáng)度效果最佳;從制造工藝角度考慮增加上下蓋板厚度的工藝性更好。

——節(jié)選自《鈑金與制作》 2018年第1期

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