铁路客车牵引梁工艺简介及结构分析

文／鲁万彪，竺星星，姚光虎，范钦磊，谢绍兴，潘永刚·中车南京浦镇车辆有限公司

车体钢结构是列车的一个重要组成部分，而牵引梁是车体钢结构的重要组成部分，车体在运行过程中，牵引梁不但要把牵引力和制动力传递给车钩，而且还要承受各种设备载荷以及牵引中水平纵向和横向冲击载荷的作用力，因此，牵引梁必须具有足够的强度和刚度，满足相关技术标准的要求，保证列车运行的安全性和平稳性。

25G牵引梁结构及工艺介绍

25G型车的牵引梁主要由两根材料为Q235-B的30a型槽钢及Q235-A的牵引梁下盖板和09CuPCrNi牵引梁上盖板组焊而成。其上盖板厚6mm、宽490mm，下盖板厚8mm、宽490mm。为了符合在牵引梁腹板间安装车钩缓冲装置，两槽钢腹板间距为350mm，并将牵引梁端部的一段加高至454mm。此外，在两根槽钢之间加隔板、车钩前后冲板座、放跳板、磨耗板等零部件组成了整个牵引梁结构，端牵枕组装时牵引梁大端与端梁焊接，小端与枕梁焊接。

由于牵引梁靠近端梁端，需加高到454mm，工艺上用半自动切割机将槽钢切割成图1中的1、2两种形状，将切割好的零件采用埋弧焊拼焊成如图2所示，最后再进行调修，使其满足技术要求。

图1 槽钢切割形状

图2 牵引梁拼焊图

25T牵引梁结构及工艺介绍

25T型车的牵引梁主要由两根材料为Q345-E的槽钢和Q345-E的牵引梁下盖板及09CuPCrNi的牵引梁上盖板组焊而成。两个槽钢与端梁焊接端的高度为458mm，与枕梁焊接端的高度为300mm，翼面高度为90mm，板厚8mm。上盖板厚4mm、宽560mm，下盖板厚6mm、宽560mm。为了符合在牵引梁腹板间安装车钩缓冲装置，两槽钢腹板间距为440mm，为了能使车钩左右转动，将牵引梁安装车钩处端部开成喇叭口形状，端部宽度为798mm。此外，在两根槽钢之间加隔板、车钩安装座零部件组成了整个牵引梁结构，牵引梁结构如图3所示（为了便于看清里面结构，取掉了上盖板）。

图3 25T牵引梁结构图

在制造过程中两根槽钢采用型钢比较难成形，具体工艺过程如下：

激光下料

激光切割是利用经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、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹出熔融物质，从而实现将工件割开。

由于牵引梁槽钢折弯比较复杂，为了便于折弯，因此在工艺上采用板材先分段折弯后焊接的形式制造，孔径不大于14mm如图4所示。下料完成后，对主板进行校平，满足1mm/m的平面度要求，并检验外形尺寸。

图4 25T牵引梁切割下料

折弯

折弯时折弯顺序很重要，如顺序不对会导致零件无法成形。牵引梁成形比较复杂，折弯顺序如图5所示，从1号边开始折弯，依次折2、3、4、5号边。翼面折弯角度偏差均为：90°（0，-0.6°）。Q345-E材质的冲压性能不是很好，在折弯时需通过扩大折弯半径来减少开裂，采用R15mm折弯半径。将折好的牵引梁，在平台上适当增加喇叭口折弯角度，预留焊接收缩量，预留收缩量1～2mm。下翼面1和下翼面2之间的缺料可用100mm长补板拼焊。

图5 25T牵引梁折弯展开图

焊接

将折弯成形的槽钢的翼面连接处进行焊接，焊接前需在焊接处开坡口，以保证实现双面焊。工艺孔不需要焊接，施焊前清理施焊部位及两侧各20mm范围内水分、铁锈、油污等杂物后才可以焊接。如图6所示在主平面与折弯面之间点焊2个支架控制1号位两处焊接成形后的焊接收缩。3号位增加一块补板焊接。焊接下翼面焊缝时，将上翼面平放于平台上进行焊接。在焊接3号位补板时，为防止焊接时将补板拉歪，应在补板与主面板间点焊一块支撑板，控制其在焊接时的垂直度，焊接示意图如图7所示。

先焊3号位补板长度方向焊缝，再焊接宽度方向焊缝。然后焊接2号位、1号位焊缝。焊后需打磨、清渣、调校，使其满足技术要求。

图6 25T牵引梁组焊图

图7 补板与主板面之间的支撑板

25T牵引梁展望

随着铁路运输的不断发展，人们对舒适度、环境等有了更高的要求，牵引梁下的吊挂件数量也不断增多，牵引梁的强度方面也得有所提高。目前再增加牵引梁强度方面有两种不同的方案，即增加上下盖板厚度、增加槽钢厚度两种方案。

本人对两种方案利用I-DEAS软件进行了有限元分析，对两种方案及原方案做了如下对比。

建立牵引梁计算模型

在建立计算模型时做了必要的简化。任何构件和零部件都是三维的，但是当某一个方向或某两个方向的尺寸远远小于其他方向的尺寸时，就可以简化为板或梁，这种简化称为降维。牵引梁计算模型完全按照真实结构简化为板壳单元，这种简化模型不仅能代表原结构的力学特性，而且大大减小了解题规模，为后期分析计算提供了方便和可靠度，其计算模型如图8所示。

图8 牵引梁计算模型图

牵引梁划分网格

用于划分网格的几何形状几乎从设计图中各处板厚的中面提取，上盖板、下盖板、槽型梁等均用相对等厚度的薄壳单元，在划分网格时原方案为上盖板厚4mm、下盖板厚6mm、两根槽型梁厚8mm；第一方案是将上盖板厚改为6mm、下盖板厚改为8mm：第二方案是将两根槽型梁厚改为10mm；两种方案增加的重量相差不多。有限元模型如图9所示。

图9 牵引梁有限元模型

牵引梁的材料特性

车体材料的弹性模量为E=2.1×105MPa；泊松比μ=0.3；密度ρ=7.82×10-6kg/mm3。

牵引梁的载荷处理

为了便于计算将牵引梁的两端简化为完全刚性约束，在横梁焊接位置处分别施加4000N以模拟牵引梁下的吊挂件的重量。

有限元分析

计算结果显示两种方案与原方案相对比，最大应力明显下降，三种方案的应力分布如图10所示。

从图10中显示结果可以看出，当增加牵引梁上下盖板厚度时的最大应力比增加槽钢厚度后的最大应力小。因此，增加牵引梁上下盖板厚度的方案比增加槽钢厚度的方案更满足强度要求。

从工艺角度出发，由于槽钢需要折弯，当采用增加槽钢厚度时，对折弯机的吨位要求比较高，最小需要520t的折弯机，普通的折弯机比较难以进行折弯成形。而下盖板为压型成形，对吨位要求比较低，最小需要300t的压型机，所以比较容易成形。

图10 三种方案的牵引梁应力分布图

综上所述，增加牵引梁上下盖板厚度的方案，强度更满足要求，工艺性更好。

结束语

本文通过对25G型车和25T型车牵引梁的结构和制造工艺的介绍。以25T型车为基础，通过增加上下盖板厚度和增加槽钢板厚进行了强度和制造工艺分析，结果表明：在两种方案增加的重量相差不多的情况下，增加上下盖板厚度对提高牵引梁强度效果最佳；从制造工艺角度考虑增加上下盖板厚度的工艺性更好。

——节选自《钣金与制作》 2018年第1期

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