轨道车辆焊接结构轻量化发展趋势概述

轨道车辆焊接结构轻量化发展趋势概述

陈志健,蔡天云,许文涛

中车齐齐哈尔车辆有限公司 黑龙江齐齐哈尔 161002

摘要：轨道客车是以载客为目的交通运输装备，是动车组、干线客车及城轨地铁车辆的统称，作为现代铁路运输体系的骨干，对国民经济具有特殊地位和重要作用。近十年来，随着高铁建设的快速发展，中国轨道客车产业增长迅速，产品谱系呈现多元化、系列化的发展趋势，产业发展推动了新型材料的应用和先进连接技术的进步，列车轻量化已成为轨道客车的重要发展方向，其基础是轻质材料，关键是连接技术。基于此，对轨道车辆焊接结构轻量化发展趋势进行研究，以供参考。

关键词：轨道车辆;轻量化;焊接结构;疲劳强度

引言

随着时代发展，轻量化已成为各行业新的研究方向，轻量化对轨道车辆也具有重要意义。轨道车辆轻量化可节约能源，有利于可持续发展，减少承重部位负荷，提高车辆运行寿命和安全性。转向架作为轨道车辆实现高速运行、通过曲线、减振降噪和稳定运行的重要系统，轻量化至关重要。一般转向架主要包括构架、轮对轴箱装置、悬挂装置、驱动装置、制动装置、枕梁（摇枕）以及其他辅助装置等。

1轨道车辆车体焊接工艺发展进程

焊接技术在轨道车辆领域已得到广泛应用，如机车、客车、货车，焊接结构无处不在。可以说，没有焊接技术，就不可能有今天的轨道交通装备工业。焊接技术应对新材料的不断出现而不断完善、创新。轨道车辆焊接技术也在车辆轻量化发展趋势引领下不断突破创新，从而保证车辆轻量化在实际生产中实现。降低能耗提高车辆的有效载荷，提高铁路的使用效率是轨道车辆工程设计人员的目标，也是轻量化发展趋势的动力。1934年，美国首次将轻质不锈钢应用到轨道车辆车体设计制造中。1950年，日本的轨道车辆车体设计也大量采用不锈钢材料。我国于1987年开始在普通客车上使用不锈钢材料，又因当时不锈钢自动化焊接技术还不成熟，只能应用于车体外墙板及易腐蚀的梁柱等部位。2000年以后，国内外不锈钢激光焊接机器人技术飞速发展，不锈钢车体焊接技术取得突破性进展。2003年，本公司设计制造的天津滨海轻轨快速不锈钢车辆，是我国首次大批量正式生产制造轻量化不锈钢轨道车辆，这标志着我国轨道车辆设计真正进入了不锈钢车辆时代。20世纪80年代，北美轨道车辆公司尝试将铝合金应用到车辆设计中，30多年过去了，证明铝合金与碳钢在性能方面上的差异是可以弥补的，铝合金在性能上的优越性得到了日益广泛的应用。我国开发铝合金车体起步较晚，1989年，本公司开发了我国首辆铝合金地铁车体，由于当时铝合金材料成型技术不成熟，导致车体平整度不良而没有得以推广使用。

2轨道车辆焊接结构与疲劳强度

焊接构架强度校核为验证构架的可靠性，按照EN13749—2011《铁路应用设施轮辐和转向架转向架结构要求的规定方法》对构架进行静强度和疲劳强度校核。仿真分析软件为Abaqus，采用壳网格与四面体实体网格划分技术对整个构架模型进行有限元结构离散，构架有限元模型中单元总数为207936，节点总数为77967。由以上有限元结构建模分析得出静强度和疲劳强度校核结果:(1)静强度构架在超常载荷工况下最大VonMises应力发生在侧梁上盖板空簧座附近区域，应力值为332.2MPa，小于材料的屈服强度355MPa。各部位最大VonMises应力值均小于相应材料的屈服强度。构架的静强度满足设计要求。(2)疲劳强度基于EN13749中抗拉强度不小于420MPa的钢材Goodman-Smith图，对焊接构架母材、焊缝进行疲劳强度计算分析，结果表明，模拟运营载荷(正常线路条件)作用下，构架母材各个部位的应力幅值均在疲劳极限线图界限之内。有3条焊缝的应力等级为中，其余焊缝应力等级为低。构架上任意2种载荷工况所产生的应力幅值均在相应材料或接头的疲劳极限线图界限之内。

3轨道车辆焊接结构发展方向及趋势

3.13D打印工艺

3D打印工艺虽然发展时间不长，但目前已经应用于各个行业，而且使用良好。3D打印工艺具有成型自由度高、成型致密度优于铸造工艺、适用材料广、成型效率高和成本低等优势。目前，3D打印工艺在转向架方面的应用还不成熟，只是应用在小零件生产上。德国联邦铁路在行业内率先用3D打印工艺制造了轴承盖。在经过多次空间结构优化后，轴承盖抗振动性能和耐磨性能都有所提高。采用选区激光熔化设备，已经成功打印出机车高压接地开关传动件。采用3D打印工艺的机车高压接地开关传动件与之前的焊接结构连接相比，不会产生组织不均匀和焊接缺陷，具有更高的强度和疲劳性能。近期，异种金属结构增材制造成为3D打印工艺研究的热点。这种增材制造方法是将一种金属增材到另外一种金属表面上。但由于异种金属间的物理、化学性质差别较大，这种增材制造方法仍处于尝试阶段，目前还无法适用于所有异种金属材料。对T型接头进行剪切试验发现：剪切角小于6°时，为弹性变形；当剪切角达到13.5°时，接头开裂，且最大剪切力达到2108N。这种异种金属结构增材制造工艺方法，可以实现在不同功能分区使用不同的材料，同时还可以省去不同金属材料零件间连接的紧固件重量。对于一些几何形状复杂或者焊接工艺难以实现的结构，可以采用该方法。3D打印工艺能实现轻量化的关键点在于，可以避免焊接产生的大变形以及焊接缺陷，在保障结构强度的同时，可以精简结构余量，减少零部件体积和质量。

3.2焊接工艺多样化

连接技术手段日趋多样化，形成了以焊接为主、铆接、粘接、栓接互为重要补充的现代连接技术体系。焊接方法不断完善，具备“高能、低热、低应力、小变形”特征的新型焊接方法不断实现工程化应用。自动、高效、智能的焊接作业模式逐步占据主流，过程监控、信息采集及大数据分析成为引领未来焊接技术发展的重要方向。焊接管理体系日趋完善，ＥＮ１５０８５，ＣＷＦ，ＩＲＩＳ体系融入焊接制造过程并与国际接轨。面向复杂环境、工况的服役安全评价体系日益完善，为轨道客车安全、可靠运行提供了保障。基于焊接基础理论、面向工程的焊接模拟仿真技术备受重视，焊接技术从工程问题将逐步深化为科学问题，实现技术引领和原始创新。

3.3轻量化材料的应用

镁合金在轨道交通的应用源于采用铝合金减重方案出现瓶颈，且镁资源丰富可以满足开发和利用。但镁合金具有易燃的特点，多年来镁合金的应用并没有取得大的发展。近几年研制的阻燃镁合金，使得采用镁合金实现轻量化的想法成为可能。阻燃镁合金是通过在镁合金AZ61中添加Ca元素得到的。目前，阻燃镁合金已经通过轨道车辆材料要求，在机械加工和焊接工艺方面也进行了相应的研究。从研究情况来看，采用阻燃镁合金进行零部件加工和连接是可以实现的，但对阻燃镁合金的检测和运用评价仍需进一步研究。阻燃镁合金无论采用轧制，还是冲压加工，厚度都低于15mm，这主要与镁的密排六方结构有关。

结束语

轨道车辆焊接结构疲劳与母材的屈服强度无关，这也是轻量化得以普及的一个因素。轻量化金属材料焊接工艺普适性是其工程应用的前提条件。从事轨道车辆焊接结构设计的工程技术人员不仅要考虑结构是否合理，强度、刚度能否满足要求，还要考虑车辆的可靠性、安全性、工艺性、可维护性、经济性等一系列问题。

参考文献

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