跨座式單軌換梁型道岔制造工藝

周 航 敬 芮 李景浩

(中鐵科工集團軌道交通裝備有限公司,430223,武漢)

跨座式單軌是城市軌道交通的一種典型制式,其具有占地小、噪聲低、適應性強、建設周期短和成本低等優點,特別適用于中等運量需求的城市軌道交通線路,近年來在重慶、銀川、柳州、蕪湖等多個城市中均有推廣應用。道岔作為跨座式單軌的關鍵設備之一,其性能直接決定了城市軌道交通線路能否正常運行。本文通過優化工藝路線、設計專用工裝胎架、組織焊接工藝試驗等方法,對跨座式單軌換梁型道岔的制造工藝進行了系統性研究,最終得出了一套完整的制造工藝方案。鑒于跨座式單軌道岔結構的共通性,本文研究可為其他類型的跨座式單軌道岔的生產制造提供工程經驗與技術指導。

1 換梁型道岔概況

根據道岔的結構型式及不同線型,可以對不同類型的道岔進行分類[1]。其中,換梁型道岔可分為單開道岔、雙開道岔和單渡線道岔。換梁型道岔由道岔梁、臺車、尾軸裝置、固定段、驅動裝置、鎖定裝置及電氣控制系統等部件組成,其示意圖如圖1 a)所示。當道岔裝置啟動時,驅動裝置電動推桿作軸向運動向前伸長,推動道岔梁體繞尾軸轉動,再通過連桿帶動另一根道岔梁體繞尾軸轉動,到達指定位置后,鎖定裝置向前伸出,將道岔梁體與固定段進行固定,由此實現道岔的轉向工作。

a) 換梁型道岔

換梁型道岔各部件中,道岔梁是結構形式最復雜、精度要求最高、功能最重要的部件,起到了承載車輛質量和變更車輛行進路線的重要作用。根據跨座式單軌交通線路線型需求,不同線路上可選用不同半徑圓曲線(如曲線半徑為54 m、100 m等)的道岔曲梁,使車輛在不同線路上均被保持最佳的通過性與舒適性。換梁型道岔梁結構示意圖如圖1 b)所示。

2 換梁型道岔制造工藝研究

2.1 制造工藝重難點分析

道岔作為線路的一部分,不僅要承載列車通過時傳遞的載荷,同時還要在不同線路間準確切換,確保列車行進線路的準確性。為了確保道岔變更線路時的準確性,道岔梁兩端的角度、道岔轉轍量及道岔各部件的安裝配合精度均要求嚴格控制在公差范圍內。換梁型道岔公差要求如表1所示。

表1 換梁型道岔公差要求

為確保列車通過的穩定性,對于道岔梁走行面的平面度、導向面及穩定面的線型,以及道岔梁體的寬度均有較高的公差要求,如表2所示。要使道岔梁的各項尺寸滿足公差要求,就必須嚴格控制生產過程中的零件裝配精度及焊接結構變形。但由于道岔梁各零件的厚度較薄(主要在10 mm左右),梁體長度較長,橫截面的尺寸相對較小,其本身的焊接結構變形風險較大,容易出現扭曲、翹曲等變形。同時,道岔各部件的焊縫質量要求較高,且零件材質多為Q460qENH鋼板,材料焊接性一般,需要合適的焊接工藝與之匹配才能滿足焊縫質量需求。

表2 道岔梁相關參數公差要求

根據上述問題綜合分析,換梁型道岔的制造工藝難點有:① 道岔各部件安裝配合精度要求高;② 各部件尺寸精度、梁體線型精度要求高;③ 梁體結構變形風險高,線型控制難度大;④ 各部件焊縫質量要求高、材料焊接性一般;⑤ 道岔梁體內部空間狹小,不利于焊接作業。

2.2 零件制備工藝要點

零件制備的工藝要點有:

1) 所有鋼板在下料前均需經過預處理和校平。

2) 隔板寬度預留3 mm余量,然后進行銑邊,以確保道岔梁體寬度尺寸。

3) 對需要拼板的零件設計專用的拼接縫。例如:走行板采用折線拼接縫,腹板采用斜線拼接縫,兩側腹板拼接縫角度相反,以降低焊縫對結構強度及尺寸精度的影響。

4) 道岔梁的走行板和腹板需要沿長度方向留余量,以抵消橫向隔板的角焊縫帶來的橫向收縮。焊縫的收縮變形與焊縫收縮過程中產生的等效收縮力相關,而焊縫等效收縮力的主要決定因素為焊接熱的輸入值及材料相關性能參數。收縮變形量及焊縫等效收縮力的計算式參考文獻[2]。

根據文獻[2]的計算式,同時結合本單位的工藝經驗,確定道岔梁走行板及焊縫長度方向上的焊縫收縮余量可以表示為:

Δl=1.5‰L

(1)

式中:

L——道岔梁設計長度。

2.3 道岔梁制造工藝

道岔梁結構型式為箱型截面梁,其截面示意圖如圖2所示。道岔梁在長度方向上的各橫截面高度不等,制造重點在于控制結構由于焊接造成的彎曲和扭曲變形。采用先分組件進行制作,再將各組件組焊成道岔梁整體的工藝方案,如圖3所示。該方案可以有效減少梁體上的焊接作業量,進而降低結構變形風險。在道岔梁與臺車整體組焊完成后,采用振動時效對其進行消應力處理,改變結構的焊后殘余應力分布狀態,緩解焊縫處的應力集中,減少結構焊后殘余變形。

圖2 道岔梁截面示意圖

圖3 道岔梁制造工藝方案示意圖

2.3.1 導向板、穩定板組焊

道岔梁導向板、穩定板及其支撐板形成一個π形結構,統稱為π形板。兩條長角焊縫極易引起結構彎曲和扭曲變形。通過工裝上的壓板和螺栓對導向板或穩定板進行夾持(見圖4),以控制焊接變形。道岔曲梁的π形板工裝根據內外側π形板的不同半徑來制作。π形板焊接時采用小電流分段退焊工藝,控制焊接熱輸入,盡量降低其變形。

圖4 道岔梁π形板工裝胎架圖

2.3.2 道岔梁體組焊

道岔梁走行板是各零部件定位的基準,采用倒裝法進行組焊,以走行面為基準定位其他零件,確保道岔各部件的安裝精度。走行板組對需控制好對接縫間隙和平面度,隔板劃線與梁體中心線垂直。通過工裝胎架將腹板靠緊隔板進行腹板安裝,注意控制尾軸中心線位置。完成腹板安裝后即可焊接內部隔板,焊接順序依次為隔板與走行板、腹板與走行板、隔板與腹板之間的焊縫,焊接采用雙工位,從中間向兩端同時施焊。底板安裝時,利用工裝將其壓緊在腹板上,指接板安裝高度必須嚴格控制,否則有可能出現梁體干涉的現象。

2.4 臺車制造工藝

道岔臺車車架結構示意圖如圖5所示。采用倒裝法工藝順序,左右兩側車輪組支架的安裝面高度誤差控制在±0.2 mm以內,車輪組支架上螺栓孔的角度誤差控制在±0.5°以內,以確保兩螺栓孔中心點連線與道岔尾軸中心點處于同一直線上。

圖5 道岔臺車車架結構示意圖

2.5 固定段制造工藝

固定段制作方法與道岔梁基本相同,采用倒裝法工藝順序,以頂板為基準定位其他零件。重點在于控制指接板安裝高度及伸出長度,避免固定段與道岔梁的指接板相互干涉。

2.6 尾軸及其基座制造工藝

尾軸及其基座鉚焊控制要點主要是以底板為基準,將頂板與底板的平行度控制在0.5 mm范圍內,尾軸與底板垂直度控制在0.5 mm范圍內。尾軸上安裝有與道岔梁相連的關節軸承,尾軸上端有超級螺母緊固,安裝預緊力為525 kN,扭矩為65 Nm。

2.7 鎖定裝置制造工藝

鎖定裝置各部件加工完成后需安裝在活動端固定段內,安裝完成后應進行調試和試運行,電動推桿推動鎖銷體沿鎖銷座向前運動,插入定位槽中完成鎖定。隨著鎖銷體向前運動,帶動鎖定拉桿發生位移,從而使接縫裝置向下蓋攏。整個過程應確保各運動部件不會被其他零件干涉或束縛。

2.8 焊接工藝設計

道岔的各焊接結構件主要由Q460qENH鋼板組成,為將焊縫質量、焊接殘余變形、焊接殘余應力分布等各項指標控制在合理范圍內,利用焊接數值模擬進行了焊接工藝設計。在焊接數值模擬中,常用的熱源模型有雙橢球體熱源、3D高斯熱源及2D熱源。本文采用雙橢球體熱源,其焊接熱輸入分布在由兩個尺寸不同的1/4橢球體組合而成的區域內,橢球體組合能夠對焊接熱流分布進行合理修正,使焊接溫度場模擬結果更合理。通過模擬仿真可以獲得不同焊接工藝參數下的試件溫度場、殘余應力和殘余變形分布。焊接試件與仿真熔池形貌仿真示意圖如圖6所示,試件殘余應力與殘余變形分布如圖7所示。通過對比分析獲得的一組最優預備焊接工藝規程,如表3所示。對該工藝規程進行焊接工藝試驗,進一步驗證所提工藝規程的可靠性。

表3 預備焊接工藝規程

a) J01熔池

a) 殘余應力

焊接數值模擬及工藝試驗試件采用厚為12 mm的Q460qENH鋼板,尺寸為450 mm(長)×150 mm(寬)×12 mm(厚)。通過比對數值模擬與工藝試驗結果,二者的溫度場及焊縫熔池形貌尺寸基本一致。經過焊縫無損檢測和破壞性力學試驗,試件焊縫質量滿足設計和相關標準規范的要求,可應用于道岔的生產制造。

3 結語

本文對跨座式單軌換梁型道岔制造工藝進行了研究,明確了道岔產品制造的重難點及工藝要點,提出一種可行且有效的制造工藝方案,設計優化了更有利于產品質量的焊接工藝,并在本單位的道岔產品制造中獲得了有效應用,對提升結構安全性和產品生產效率有顯著的作用。應用本文所提道岔制造工藝后,道岔產品生產一次合格率由85%提升至95%,生產周期縮短了25%。產品結構在通過無損檢測與形位檢測的基礎上,還通過了最高1.5倍列車載荷和二期恒載共同作用的靜載試驗,以及3 Hz加載頻率下300萬次載荷為±30 kN的疲勞試驗,產品結構的剛度和強度均獲得了有效保障。目前,本單位的道岔產品已應用于柳州軌道交通1號線和2號線,經過后期維保跟蹤服務反饋,列車運行過程中沒有任何部件或結構出現設計壽命內的故障或缺陷,應用效果較好。