夏春華

(上海鐵路局上海大機(jī)運(yùn)用檢修段，上海200439)

P95大修列車走行履帶裝置維修工藝研究

夏春華

(上海鐵路局上海大機(jī)運(yùn)用檢修段，上海200439)

走行履帶是進(jìn)口P95大修列車的核心工作裝置，目前其變形和磨損嚴(yán)重，影響設(shè)備正常運(yùn)用。本文對原設(shè)計的技術(shù)參數(shù)和材料特性進(jìn)行了分析，研究提出修復(fù)方案和工藝。履帶裝置修復(fù)后P95運(yùn)用實踐表明，其經(jīng)受往了各種施工作業(yè)的考驗，取得了良好修復(fù)效果。

大修列車 走行履帶裝置 維修方法

P95大修列車集換枕、換軌功能于一體，是目前世界上最為先進(jìn)的鐵路綜合大修大型養(yǎng)路機(jī)械。其作業(yè)質(zhì)量好，效率高，舊枕收集、新枕鋪設(shè)、鋼軌更換全自動流水線機(jī)械化作業(yè)，徹底取代了傳統(tǒng)鐵路大修繁重的體力勞動。上海鐵路局于2002年從瑞士MATISA公司引進(jìn)P95大修列車，使用至今已有10余年，共完成換軌、換枕共611 km的施工任務(wù)。由于長期滿負(fù)載作業(yè)，車上工作機(jī)構(gòu)均有損傷，尤其是大修列車核心工作裝置——走行履帶變形和磨損嚴(yán)重，影響施工質(zhì)量和作業(yè)安全。整套設(shè)備面臨隨時停產(chǎn)的危險，及時修復(fù)走行履帶裝置，是恢復(fù)大修列車正常使用的關(guān)鍵。

1 走行履帶裝置存在的問題

1.1 走行履帶裝置結(jié)構(gòu)功能

大修列車作業(yè)時，首先將舊軌撥到線路兩側(cè)，再收起舊枕、推平道床、鋪設(shè)新枕，最后換入新軌。中間有40 m左右的線路屬于新舊鋼軌交互區(qū)域，軌道面只有軌枕沒有鋼軌，必須由走行履帶裝置取代轉(zhuǎn)向架在軌枕槽上行走。走行履帶結(jié)構(gòu)如圖1所示，前后走行履帶分別通過滑動支腿及油缸連接到前后大梁，大梁用螺栓固接后通過芯軸鉸接于車體。

圖1 走行履帶結(jié)構(gòu)示意

1.2 走行履帶裝置損傷情況

走行履帶裝置主要由9個部分組成，其中的前后大梁和前后履帶框架的損傷情況比較嚴(yán)重。

1.2.1 走行履帶裝置前后大梁損傷情況

1)大梁部件出現(xiàn)嚴(yán)重扭曲變形，造成作業(yè)走行時前后履帶易走偏。尤其是在曲線地段，履帶裝置收放困難，極易造成施工晚點。

2)變形部位銹蝕，強(qiáng)度降低，在大負(fù)載作用下，變形越來越嚴(yán)重，安全隱患日益突出。

3)芯軸變形無法取出，增加履帶裝置轉(zhuǎn)向阻力，解體檢修困難。

4)法蘭連接板銹蝕變形，螺栓孔損壞，降低了梁體強(qiáng)度，造成前后履帶不在同一條直線上。

1.2.2 工字型履帶框架損傷情況

工字型履帶框架各零件經(jīng)拆解、清洗、探傷和三坐標(biāo)檢測后發(fā)現(xiàn)，其損傷情況主要有三大類，如圖2所示。

1)主要受力部位裂紋。主要集中在主橫梁與大小浮動支撐座焊縫處及U形板與蓋板焊接處。

2)履帶框架變形。裂紋擴(kuò)展，框架整體變形嚴(yán)重。

3)銷孔不均勻磨損嚴(yán)重。履帶板銷孔在水平和垂直方向均不同程度磨損，尤其是在靠近橫梁部位。

以上走行履帶裝置存在的嚴(yán)重?fù)p傷，已多次引起施工晚點，嚴(yán)重影響施工安全，必須予以檢修。經(jīng)中國鐵路總公司組織行業(yè)專家論證，決定采用廠段結(jié)合的組織模式，由上海大機(jī)運(yùn)用檢修段聯(lián)合國內(nèi)專業(yè)廠家自行修理。這樣既能保證維修進(jìn)度和質(zhì)量，又可節(jié)省維修費用。

雖然前后梁及芯軸非常重要，但經(jīng)分析這些問題解決起來相對簡單，不是本次維修的難點。本文重點探討履帶框架中重要部件工字型履帶框架的維修工藝及實施。

圖2 工字型履帶框架結(jié)構(gòu)

2 工字型履帶框架原設(shè)計技術(shù)參數(shù)分析

由于缺少原設(shè)計技術(shù)資料，修理工作困難很大。課題組對工字型履帶框架結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了材料性能分析、三維立體檢測和力學(xué)強(qiáng)度分析計算，并研究制訂維修工藝。

2.1工字型履帶框架簡介

工字型履帶框架通過較長的履帶將車體荷載均勻傳遞到多根軌枕上，有利于整車的穩(wěn)定。其主橫梁采用150 mm×250 mm×15 mm箱形梁結(jié)構(gòu)，有較大的慣性矩，自身穩(wěn)定性較好。履帶板單邊焊接在U形槽上，焊縫長而直，其銷孔上安裝有支重輪及銷軸，底部直接與履帶接觸，故要求板材焊接性能好，強(qiáng)度、硬度高，耐磨性好。大小浮動支撐座通過銷軸與滑動支腿相連，連接板通過銷軸與支腿油缸活塞桿相連。

2.2 工字型履帶框架材質(zhì)分析

為了準(zhǔn)確地獲取履帶框架的各項性能，在框架不同部位取樣分析履帶框架材質(zhì)的化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示。

表1 履帶框架材質(zhì)化學(xué)成分%

金相分析表明，框架關(guān)鍵部位——履帶板處為板條狀低碳馬氏體，框架基體均為低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345，材料符合GB/T 1591—2008要求。履帶板為淬火態(tài)，階梯硬度為42～45 HRC(沿板底部到上部焊縫處)，其余板件為調(diào)質(zhì)態(tài)，硬度為150～200 HBW。

2.3 履帶板銷孔尺寸

用德國進(jìn)口的三坐標(biāo)檢測機(jī)對履帶銷孔進(jìn)行了2次三維立體測量。測量結(jié)果表明，履帶板銷孔在水平和垂直方向均有不同程度的磨損現(xiàn)象，靠近橫梁部位磨損1.0～1.4 mm。以銷孔φ40為基準(zhǔn)，分別列出履帶板銷孔磨損量極限值表，見表2。

通過精密檢測發(fā)現(xiàn)，履帶銷孔軸線與水平方向成一小角度，經(jīng)研究確認(rèn)這一小角度對履帶正常運(yùn)轉(zhuǎn)極為重要，因此維修后應(yīng)滿足這一技術(shù)要求。

2.4 工字型履帶框架力學(xué)強(qiáng)度分析

利用ANSYS對履帶框架進(jìn)行有限元分析。履帶板孔與銷軸的連接為過盈配合，在實際受力時只有孔下表面承受載荷。若將履帶板孔與銷軸整體建模剛性耦合，不能準(zhǔn)確模擬出此處受力特點。因此，為簡化模型，同時保證計算精度，所有銷軸采用Beam 188單元模擬，與履帶板孔內(nèi)側(cè)節(jié)點分別通過一圈Link180單元(承受壓力而不能承受拉力的非線性單元)連接，用于模擬鉸接形式，傳遞徑向力(如圖3所示)。同時，單個履帶框架承受的垂直荷載達(dá)到800 kN，因為工作時軌枕處地面會產(chǎn)生變形，對整車受力和應(yīng)變會產(chǎn)生影響，因此對軌枕接觸面的模擬也十分必要，通過Link180單元受力后的壓縮變形模擬軌枕處地面的下陷。

表2 履帶板銷孔磨損量極限值mm

圖3 履帶框架應(yīng)力云圖(單位:MPa)

3 修復(fù)方法研究與實施

工字型履帶框架裂紋、變形的維修相對簡單，最大的難點是履帶板上銷孔(成直線排列，共25個)磨損的維修。

3.1 工字型履帶框架裂紋修復(fù)

針對工字型履帶框架裂紋問題，在分析成分、焊接、熱處理和機(jī)加工工藝基礎(chǔ)上，對特殊材料加工和長直焊縫焊后硬度處理等問題進(jìn)行了深入研究。

在強(qiáng)度方面，通過有限元分析結(jié)合實際加載情況發(fā)現(xiàn)危險位置為滑動支腿座與蓋板的焊接部位及箱形梁與蓋板的焊接部位，與實際出現(xiàn)裂紋情況相符。維修模式不會改變應(yīng)力最大部位，因此，在上述危險位置采用堆疊焊接和加強(qiáng)筋板的方式可解決強(qiáng)度不足問題。3.2工字型履帶框架整體變形的修復(fù)

三坐標(biāo)檢測結(jié)果顯示，由于長期非對稱載荷作用和施工現(xiàn)場的焊補(bǔ)導(dǎo)致履帶框架兩端翹曲嚴(yán)重。焊補(bǔ)過程中采用小電流、多層次控制并采用專用夾具，利用火焰矯形后風(fēng)冷的方式來解決框架變形問題。

3.3 履帶銷孔修復(fù)

3.3.1 履帶銷孔修復(fù)方案

針對履帶板上銷孔磨損情況，三坐標(biāo)測量表明，銷孔外徑變大，并且由于軌底角的緣故，銷孔中心線與水平方向存在一個夾角，經(jīng)長期作業(yè)各個銷孔角度也存在不同程度變化?？刹捎靡韵聝煞N維修方法。

1)先對銷孔進(jìn)行焊補(bǔ)處理，然后機(jī)加工到規(guī)定尺寸。優(yōu)點:孔的加工余量有所保證，標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合襯套易于購買。缺點:由于孔徑限制，需要手工焊補(bǔ)，周期較長，熱變形不易控制，對履帶板的硬度有影響。

2)對銷孔進(jìn)行擴(kuò)孔處理，配做銷軸和滾輪，訂制非標(biāo)襯套。優(yōu)點:機(jī)加工無熱影響，能保證履帶板現(xiàn)有機(jī)械性能，加工周期較短。缺點:由于銷孔磨損程度不一，需分級配做銷軸，訂制國外非標(biāo)襯套周期長。

3.3.2 修復(fù)方案的比較分析

為了檢驗方案1中焊接作業(yè)對履帶板硬度的影響程度，根據(jù)表1的實驗報告，選擇與履帶板材質(zhì)相近的Hardox450進(jìn)行焊接試驗，其材料性能如表3和表4所示。

表3 Hardox450材料性能

通過原型焊接試驗對比研究兩種方案的可行性。在尺寸為100 mm×100 mm×20 mm的Hardox450板材中心鉆φ40孔，預(yù)熱150℃后，采用YM-80焊絲焊補(bǔ)一圈，待溫度降低到100℃后，再焊補(bǔ)一圈，最后鏜孔至φ40，銑亮表面。對焊接過渡處硬度進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)從孔邊緣到板邊緣硬度依次降低(25～21 HRC)，均小于材料本身的硬度(45 HRC)。這說明焊接熱應(yīng)力會降低履帶板材料的硬度。機(jī)加工完后附著在銷孔表面的只是熔合區(qū)的一層，而熔合區(qū)的微觀組織力學(xué)性能極不穩(wěn)定，是冷熱裂紋的發(fā)源地，其強(qiáng)度和硬度均不符合履帶框架的運(yùn)行工況，會帶來安全隱患，因此采用方案2。

3.3.3 銷孔修復(fù)方案的確定

履帶框架銷軸孔數(shù)量多且加工要求高，傳統(tǒng)的零件維修過程繁瑣、復(fù)雜或者無法修復(fù)。為保證精度，引入逆向技術(shù)中的表面數(shù)據(jù)采集技術(shù)，通過三坐標(biāo)檢測機(jī)測量各個銷軸孔的實際磨損狀態(tài)，采用不同方法，結(jié)合加工工藝對失效銷孔進(jìn)行修復(fù)。銷孔修復(fù)總體方案見圖4。

表4 Hardox450化學(xué)成分%

圖4 銷孔修復(fù)總體方案

根據(jù)磨損程度和角度偏斜情況，使用狀態(tài)良好的銷孔，結(jié)合采購的SF-2型非標(biāo)復(fù)合襯套規(guī)格，確定其擴(kuò)孔尺寸為從維修角度來講，內(nèi)外孔磨損的程度不一致，一個銷軸的兩孔采用一次性加工，磨損或偏斜嚴(yán)重的銷孔，尺寸放到φ42-0.04單獨加工，而相對應(yīng)地，銷軸也采用階梯軸的辦法與之相配合，這樣解決了多個復(fù)雜變形銷孔的修復(fù)。同時，根據(jù)擴(kuò)孔后的銷軸尺寸，采用逆向技術(shù)，抽取數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、體系結(jié)構(gòu)等信息進(jìn)行三維立體數(shù)據(jù)分析，銷軸與銷孔的尺寸參數(shù)滿足材料強(qiáng)度要求，從理論上證明了選擇擴(kuò)孔方案是正確的。通過這種維修工藝很好解決了“銷孔要保證在同一基準(zhǔn)線的誤差范圍內(nèi);兩側(cè)銷孔要保證同軸度為0.03 mm”的技術(shù)難題。

4 維修效果

1)經(jīng)過修理，走行履帶裝置各部件損傷的情況已經(jīng)消除，完全滿足原設(shè)計的尺寸和精度要求。

2)履帶框架經(jīng)過各安裝工序組裝以后，各部件運(yùn)動自如，沒有存在卡滯現(xiàn)象。

3)驗證表明維修后的履帶裝置滿足“直線切入—直線切出”、“直線切入—曲線切出”、“曲線切入—直線切出”等多種作業(yè)工況，在更換54 155根軌枕、131個曲線的施工過程中，沒有出現(xiàn)由于機(jī)械故障而影響施工的情況，徹底解決了走行履帶存在的安全隱患。

5 結(jié)語

P95大修列車走行履帶裝置修復(fù)過程中，采用了理論分析、比較分析法和相應(yīng)試驗，對多種維修方案加以比選，確定了修復(fù)方案，并取得良好的修理效果。P95大列重新上道一年多來，經(jīng)受了各種復(fù)雜施工作業(yè)的考驗，證明修復(fù)后走行履帶裝置保持了原設(shè)計的技術(shù)性能要求，驗證了維修思路和修復(fù)方案的正確性，為今后同類裝置的維修提供了寶貴經(jīng)驗。

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(責(zé)任審編李付軍)

U216.67

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.34

1003-1995(2015)02-0122-04

2014-09-04;

2014-10-16

夏春華(1963—)，男，浙江紹興人，高級工程師。