铁路货车中梁焊接收缩量及挠度的分析与研究

袁 宁 戴鸿雁 陈 荣

（南车长江车辆有限公司工艺研究所，武汉 430212）



铁路货车中梁焊接收缩量及挠度的分析与研究

袁 宁 戴鸿雁 陈 荣

（南车长江车辆有限公司工艺研究所，武汉 430212）

摘 要：本文结合铁路货车中梁制造过程中焊接收缩量及挠度的实际变化情况，对中梁焊接收缩量及挠度的变化趋势进行理论分析，研究出了一种铁路货车常见结构的中梁焊接收缩量及挠度工艺参数的计算方法，从而统一了相关工艺文件中工艺参数的确定方法，并对计算结果的可行性进行理论分析。实践证明，结果可行。

关键词：中梁 挠度 收缩量

目前，铁路货车中梁制造的工艺文件中，涉及焊接收缩量[1]及挠度[2]等需要过程控制的工艺参数存在一些问题，技术人员对这些参数的确定方法和检查标准有着不同的理解，且同一个工艺文件中的相同参数也会出现前后不一的现象。这主要表现在四个方面：第一，没有通过分析确定工艺参数，而是直接引用图样参数；第二，同类型车辆的参数设置不尽相同；第三，同样的检查项点在不同文件中重复出现；第四，工艺参数的前后关系不匹配。

上述问题还会出现在底架组成这种工序过程较多且需要确定工艺过程参数的文件中。本文针对中梁焊接收缩量及挠度等工艺参数的确定进行理论分析，明确基本规范。

1 基本原则

中梁收缩量主要发生在长度方向。该方向上的主要工艺过程参数有定距[3]和切头长度。定距可以确定中梁中心线，同时也就确定了其他配件组装的定位基准。因此，它是一个关键工艺参数。在确定收缩量的过程中，本文考虑了底架结构组焊时的焊接收缩预留量，尤其是底架上有纵向长大焊缝（如铁地板）时的情况。但是，为了简化收缩量参数的确定，本文侧重考虑纵向长大焊缝的影响，而忽略牵引梁部分的收缩量。

中梁焊接收缩量及挠度会随着工序的进展发生匹配关系。因此，中梁收缩量及挠度可以分为以下几种情况进行分析确定。

（1）根据常用的中梁结构形式，中梁可以分为乙字钢中梁、型钢中梁以及板结构中梁三种形式；

（2）腹板高度尺寸对焊接收缩量和挠度的影响较大，因此型钢中梁和板结构中梁按其腹板高度可分为小于400～500mm和大于500～600mm两种情况。

2 中梁焊接收缩量理论分析

2.1 确定原则

根据GB/T5600铁道货车通用技术条件中的相关要求：底架长度尺寸极限偏差为长度基本尺寸的±0.80/00，那么定距尺寸可以近似为L±L×0.80/00（L为图样定距尺寸）。预放焊接收缩量很难获得精确数据，因此本文充分利用标准所容许的底架长度公差范围，将底架的允许公差放在收缩量考虑范围内，使预计收缩量的适应范围扩大±L×0.80/00，提高精度。

具有鱼腹形式的中梁在制作鱼腹时，需要初步估算收缩量以确定鱼腹切割线，而其他形式的中梁一般在中梁内纵焊（或点固）后才确定定距线，因此不需要考虑内纵焊的焊接收缩因素。

表1 中梁焊接收缩量初值的计算方法

2.2 收缩量初值的计算

本文以乙字钢中梁焊接收缩量为L×±10/00的经验值做基础，确定中梁焊接收缩量的初值。初值的选取忽略了一些部件的焊接影响，如中梁的枕梁下盖板、底板等部件。具体计算方法见表1。

将上述确定的收缩量初值加入定距尺寸的主体尺寸，作为定距工艺尺寸；将手工画线可满足的误差，作为定距工艺尺寸确定的公差带。那么，带有焊接收缩量的定距工艺尺寸为L＋δ，公差为＋20，进而可以得出定距工艺尺寸的计算公式为：（L＋δ）＋20。将该定距工艺尺寸当作中梁制作过程中第一次确定定距时的工艺参数。例如：鱼腹结构的型钢中梁或板材中梁单片梁确定鱼腹切割线的工序；中梁组装从板座和心盘座板时需要确定定位线的工序。

2.3 焊接收缩量的计算结果及分析

根据上述焊接收缩量的计算方法，对目前公司四种中梁形式的代表产品进行计算，计算结果见表2。

表2 中梁焊接收缩量的计算结果

由表2可知，车型为序号1的定距设计尺寸为12092～12108mm，可计算出当理论上允许的最大焊接收缩量为22mm，最小焊接收缩量为6mm时，便能够满足定距设计公差。而定距为12100mm的中梁，在焊接时产生的焊接收缩量大于6mm，证明其工艺定距的最小值适用。按照通常假定乙字钢中梁焊接收缩量为每米收缩1mm的经验值计算，这里最多收缩12mm。因此，22mm的最大值大于假定值，且还留有10mm的收缩余量，用于弥补底架组焊时发生的焊接收缩（收缩量应小于中梁焊接时的收缩值）。所以，其工艺定距的最大值同样适用。

同上可得，序号为2、3、4的车型中梁计算理论最大焊接收缩量分别为21mm、35mm以及25mm，理论最小焊接收缩量分别为6mm、13mm以及5mm。由表2可知，该三种车型的工艺定距满足理论值的要求。

由上述可知，采用表1方法计算出的收缩量，其最大值和最小值都满足采用经验值方法确定的范围和定距公差范围。该方法充分利用公差范围，扩大了经验值的适应范围，减小了经验值的风险。而对鱼腹结构的单片梁，定距是在画切割线时确定的。此时该工艺定距只作为确定切割线画线的初值，在后续的中梁组装时需要再次确定工艺定距。

2.4 工艺文件中定距尺寸的描述及检查标准

随着工序进展，焊接收缩量的变化趋势呈非线性，难以精确确定。本文采用简化方法来解决，即在编制中梁工艺文件时，只在需要确定定距线和检查定距尺寸的文件中涉及定距尺寸。一般情况下，在中梁交验和画定距线的工艺文件中需要对定距进行标注和检查，而在其他工艺文件中通常只涉及1、2位定距线，并不涉及定距的整体尺寸。因此，可用1、2位定距线或中梁中心线作为定位基准进行描述。

工艺定距的简化方法遵循以下几个原则。

（1）有鱼腹结构的型钢或板材单片梁在画鱼腹切割线时的工序，在相关操作的描述和检查卡片中采用工艺定距；

（2）中梁组装<1＞，即组装心盘座板以及前、后从板座时的工序，在相关操作描述和检查卡片中采用工艺定距；

（3）在中梁交验工序中，工艺定距的尺寸已经发生部分收缩，剩余的焊接收缩量将预留在底架组装时利用，但是剩余的收缩量难以精确确定。上文已阐述预放的收缩量以整车钢架形成后的定距满足要求为基础，因此这里采用简化方法确定中梁交验检查尺寸。底架有铁地板时，将收缩量的初值在主尺寸中取；底架无铁地板时，将预留收缩量在主尺寸中取，并且按照图样公差的一半标注公差。

3 中梁挠度尺寸的计算及分析

3.1 计算原则

影响中梁挠度的因素较多，如中梁结构、长度、焊缝、腹板高度、底架及车体结构等。这里同样采取以乙字钢中梁挠度的经验值为基础的简化方法，分别对不同结构的中梁及底架对挠度产生的影响进行简化区分。

通常，车体钢架形成后要求底架具有4～14mm的上挠度。但是，目前中梁制成后的预挠度值不可能完全与钢架组成后底架形成的挠度匹配。在附属件组装工装、底架组装工装结构上没有进行挠度匹配的情况下，如果使中梁具备较大的上挠度，将会对底架组装的精度和组装过程产生负面影响。

中梁制造过程中，各工序挠度存在对应的匹配关系。目前，工艺方法可进行中梁调矫来确定最终值。因此，中梁挠度在备料进行调梁时确定挠度初值，在调矫时确定挠度终值。例如：长度大于20m的乙字钢结构中梁只确定挠度初值和终值的参考值，板材中梁只确定挠度终值。

3.2 挠度值的计算

以乙字钢中梁挠度为L×20/00的经验值作为基础，根据不同的中梁结构，本文延伸出调梁时的挠度初值σ以及中梁交验时的挠度终值τ的计算方法，具体计算方法见表3。

其中，挠度值的公差设为＋30和0-3两种情况。在定距长度小于13m时，取上差；定距长度大于13m时，取下差。

3.3 挠度值的计算结果及分析

目前，常见货车车型中底架长度一般在12～20m，其相应定距最小为7m，最大为15m。针对定距的最小值和最大值，采用表3方法计算出的挠度结果见表4。

表3 中梁挠度的计算方法

表4 中梁挠度的计算结果

表4中的计算方法由数据对比的方式确定。根据计算结果可知，由最长定距和最短定距计算出的挠度值与中梁长度、腹板高度以及纵焊缝结构的影响趋势相符合，接近经验值，且极限值基本满足挠度范围，中间值的确定也更为合理。对腹板高度在500～600mm范围内的中梁，调矫比较困难，但其具有挠度变化不明显的特性。因此，计算出的数据较为接近所需数值，而其他中梁和底架挠度可在调校中进行修正。

3.4 工艺文件中挠度的描述及检查标准

随着工序进展，挠度的变化趋势同样呈非线性，难以精确确定。因此，本文采用简化方法解决：在编制中梁工艺文件时，只在备料单片梁调梁和中梁调矫（交验）的工艺文件中涉及挠度尺寸。对于长度大于20m的乙字钢结构，中梁挠度值在工艺文件的检查标准中另说明为参考值，且主要检查标准为中梁的扭曲和旁弯。

4 结论

本文通过对常见结构的铁路货车中梁焊接收缩量及挠度的分析与研究，得出一种中梁焊接收缩量及挠度的计算方法，并利用该方法对目前公司四种中梁形式的代表产品进行计算。计算结果表明，该方法具有可行性与普遍适用性。利用该方法，在工艺参数确定时，可以准确有效地确定中梁定距以及中梁预挠度。

参考文献

[1]赵加亮，宋华伟.预制钢箱梁节段接口匹配工艺及接口环缝焊接变形的规律[J].钢结构，2010，（9）：62-65.

[2]刘保东，任红伟，李鹏飞.考虑波纹钢腹板箱梁特点的挠度分析[J].中国铁道科学，2011，（3）：21-26.

[3]成百辆.一种节省材料的连续模定距方式[J].机械工人，2002，（6）：50-51.

Analysis and Research on Welding Shrinkage and Deflection of the Railroad Truck Centre Sill

YUAN Ning，DAI Hongyan，CHEN Rong
(CSR Yangtze Co.,Ltd.,The Railway Product Research Institute，Wuhan 430212)

Abstract:Coming with the change of welding shrinkage and deflection in the proces s of the railroad truck centre s ill manufacturing,the change tendency of deflection and the shrinkage of centre si ll welding are theoretical analyzed in this paper.Both the centre si ll welding shrinkage of a commo n structure railway truck and the calculation method of the technological parameter deflection are developed.Process parameters determination method in the related process files are unified.The feasibility of the calculation res ults are theoretical analyz ed,and the practice has proved that the result is feasible.

Key words:centre sill,deflection,shrinkage