车体结构设计中焊缝布置的艺术

2018-06-01高晓霞孙晖东米莉艳伊召锋

铁道运营技术 2018年2期

高晓霞，孙晖东，张明，米莉艳，伊召锋

（唐山机车车辆有限公司 1.高级工程师 2.工程师河北唐山 063035）

在车体结构中，不可避免的存在应力集中区域和高应力区域。对于车体强度而言，母材的许用应力要远高于焊缝处的许用应力。因此，在结构设计中，连接焊缝要尽量避开应力集中区域和高应力区域［1］［2］。本文通过以下三个案例论证了在结构变化不大的情况下，合理的焊缝位置能够保证车体强度要求。

1 某车体牵引梁处

某车车体的牵引梁原结构如图1所示，图2为图1的局部放大图，点E 27试验时最大应力值为134 MPa，超过该处焊缝许用应力115 MPa。

原因分析：一是过渡件上圆弧区较小，该圆弧区域截面变化较大，是典型的应力集中区域。二是焊缝布置在圆弧的根部。

图1 磁浮车车体牵引梁

图2 牵引梁局部应力超标区域

1.1 现车处理方案对现车进行改造，在改动量最小的情况下，提出如下方案：增加有过渡圆弧的C型槽型材（如图3所示），C型槽与底架型材C型槽对接，局部成为箱型结构，增加了该部位的强度。改造后的现车如图4所示，点E 57的试验应力值最大为89 MPa，满足了许用应力低于115 MPa的要求。

图3 现车改造方案

图4 现车改造结果

1.2 后续设计的改进针对该区域应力集中的特点，在后续设计中，从两方面改进过渡件结构：加大圆弧半径使得圆弧区域截面变化较缓；增加过渡件的长度，避免圆弧根部出现焊缝。图5给出了现车处理方案和后续改进方案的对比图。

图5 牵引梁超标区域改进对比

2 某地铁车体

某地铁车体门立柱与车顶的连接如图6所示，图8为图中红色区域内的局部放大图，车体静强度试验时，门立柱与车顶连接焊缝处应力最大值为15 4MPa，超过焊缝许用应力115 MPa。

原因分析：

1）门角处为高应力区，门立柱与车顶的连接焊缝正好位于门角处；

2）门立柱与车顶连接处，立柱结构变化梯度较大，应力集中现象较为明显。

图6 车体门立柱与车顶的连接

图7 现车局部区域放大图

2.1 现车处理方案对现车进行改造，在改动量最小的情况下，提出如下方案：增加一与立柱宽度一致的槽型材，型材侧面加工出与车顶边梁匹配的弧度（如图8、9所示），该件与车顶边梁周圈焊接，与门立柱对接。改造后的现车如图7所示，门立柱与车顶连接焊缝处应力值最大为94 MPa，满足了许用应力低于115 MPa的要求。

2.2 后续设计的改进在后续的设计中，门立柱加长至车顶边梁，与车顶边梁周圈焊接（如图10所示），避免了现场改造中的焊缝交叉，实现力的最优传递。

图8 改造后车体门立柱与车顶的连接

图9 改造后局部区域放大图

图10 改进的设计

3 某车体侧墙型材对接焊缝的布置

某车体侧墙由上下侧墙型材与窗间板对接而成，现车模型如图11所示。车体静强度试验时，图示红色区域下端侧墙型材和窗间板连接焊缝处应力最大值为156 MPa，超出该焊缝的许用应力115 MPa，不满足要求。

原因分析：一是窗户圆弧处为应力集中区域；二是焊缝布置在窗户圆弧的根部。

图11 现车模型示意图

3.1 现车处理方案对现车进行改造，在应力超标区域去除部分材料，同时焊接一板材加工件与侧墙下端型材和窗间板焊接，如图12所示，改造后窗户圆弧处试验应力值最大150 MPa，满足了该处母材许用应力215 MPa的要求，增加的焊缝避开了圆弧的高应力区，焊缝处试验应力值最大为89 MPa，满足焊缝许用应力115 MPa的要求。