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制動管系是鐵路貨車制動系統的重要組成部件,其連通著制動系統各個閥體,起到傳遞制動壓力的作用。目前,我國鐵路貨車制動管接頭體與制動管管體采用焊接形式相連接,由于制動管結構特點和焊接熱作用不均勻等因素,導致制動管焊后會產生較高的殘余應力,從而影響制動管的靜載荷強度、疲勞強度、抗應力腐蝕性、剛性和穩定性。車輛運行過程中,在外界載荷的作用下,制動管焊趾附近多次發生疲勞斷裂破壞,會危及行車安全。因此,有必要對焊后的制動管進行殘余應力測試,了解殘余應力大小并改進焊接工藝,降低制動管焊后殘余應力。
本文以脫軌閥制動管為研究對象,采用鉆孔殘余應力測試方法,對原焊接組裝工藝條件下的制動管進行殘余應力測試,分析其產生較大殘余應力的原因,并對焊接工藝進行改進。
殘余應力測試方法
試驗中選用JHBX120-3C應變片,應變片敏感柵中心連接圓直徑D=10mm,鉆孔中心到應變片敏感柵近孔端和遠孔端的距離分別為r1=3.45mm和r2=6.55mm,鉆孔中心和應變花敏感柵中心連接圓圓心設置在距離焊趾15mm處。測試設備采用南京聚航科技有限公司的JHMK殘余應力測試系統,由JHYC靜態應變儀和JHZK-L殘余應力鉆孔裝置組成,多點測量,全軟件操作,自動實時計算殘余應力,測量結果準確,精度高。
根據GB/T31310-2014規定,由于制動管壁厚為2.5mm,小于應變花敏感柵中心連接圓直徑D=10mm,故制動管為薄工件,對薄工件一般應鉆通孔。鉆孔時,采用轉速為2440r/min的低速鉆通孔法進行殘余應力測試,鉆孔直徑為φ2mm,測試步驟如下:
1. 將粘貼好應變片的制動管裝夾在鉆孔裝置上;
2. 將測試導線連接至靜態應變儀上,進行參數設置、應變清零、數據采集。
3. 啟動鉆孔裝置,一直鉆透單側管壁;鉆透后,退出鉆頭,關閉鉆孔裝置。
4. 保持試件不動,等待數據變化,直至3個方向的應變值平穩后,停止采集數據,保存數據。
測試結果分析
這次試驗中,對3個制動管試件進行了殘余應力測試,圖1為其中一個制動管鉆孔和等待數據平穩時的3個應變片的時域響應信號,加工應變在300με左右,與標準中描述一致,最終3個方向的應變值均平穩。
3個試件的殘余主應力及主應力方向角計算結果表明,*大壓縮主應力達到95-201MPa左右,方向與管身母線成12°-23°左右,3個試件的殘余主應力方向角分布范圍如圖2。制動管焊后產生較大殘余應力的主要原因是制動管焊接冷卻后,焊縫長度縮短,致使焊縫產生了徑向收縮變形,焊縫附近的管身母線方向上產生彎曲壓應力。同時,焊接過程中,管身受焊接熱作用后產生變形。根據現在的焊接組裝工藝,管身端頭面與接頭體內部的臺階面是相接觸的,這限制了管身端部的自由伸長,加劇了焊縫處的徑向收縮變形,導致焊縫附近產生了較大的殘余壓應力。由于接頭體和管身通過焊縫連接,焊縫阻止制動管管身產生徑向收縮變形,焊趾處相應的也會產生較大的殘余拉應力。在外載荷的作用下,二次應力的作用,使得管身側的焊趾承受的*大拉應力增大,加大了焊趾處疲勞破壞的概率。
為了解決焊接過程中管身端部自由伸長收到約束的問題,改進管身和接頭體組裝工藝,在管身端部與接頭體內部臺階面之間預留一定的間隙。
結論
鐵路貨車制動管原焊接組裝工藝,由于制動管管身端部在焊接熱的作用下伸長變形受到約束,加劇了焊縫處的徑向收縮變形,導致焊縫附近產生較大的殘余壓應力,殘余應力以平衡狀態存在于制動管中,使得制動管管身側焊趾處產生相應的較大殘余拉應力,在外載荷作用下,由于二次應力的作用,使得焊趾處承受了較大的拉應力,易產生疲勞斷裂,嚴重影響列車的運行安全。
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