制動(dòng)管系是鐵路貨車制動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部件，其連通著制動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)閥體，起到傳遞制動(dòng)壓力的作用。目前，我國(guó)鐵路貨車制動(dòng)管接頭體與制動(dòng)管管體采用焊接形式相連接，由于制動(dòng)管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和焊接熱作用不均勻等因素，導(dǎo)致制動(dòng)管焊后會(huì)產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力，從而影響制動(dòng)管的靜載荷強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕性、剛性和穩(wěn)定性。車輛運(yùn)行過程中，在外界載荷的作用下，制動(dòng)管焊趾附近多次發(fā)生疲勞斷裂破壞，會(huì)危及行車安全。因此，有必要對(duì)焊后的制動(dòng)管進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，了解殘余應(yīng)力大小并改進(jìn)焊接工藝，降低制動(dòng)管焊后殘余應(yīng)力。
本文以脫軌閥制動(dòng)管為研究對(duì)象，采用鉆孔殘余應(yīng)力測(cè)試方法，對(duì)原焊接組裝工藝條件下的制動(dòng)管進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，分析其產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力的原因，并對(duì)焊接工藝進(jìn)行改進(jìn)。
殘余應(yīng)力測(cè)試方法
試驗(yàn)中選用JHBX120-3C應(yīng)變片，應(yīng)變片敏感柵中心連接圓直徑D=10mm，鉆孔中心到應(yīng)變片敏感柵近孔端和遠(yuǎn)孔端的距離分別為r1=3.45mm和r2=6.55mm，鉆孔中心和應(yīng)變花敏感柵中心連接圓圓心設(shè)置在距離焊趾15mm處。測(cè)試設(shè)備采用南京聚航科技有限公司的JHMK殘余應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)，由JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀和JHZK-L殘余應(yīng)力鉆孔裝置組成，多點(diǎn)測(cè)量，全軟件操作，自動(dòng)實(shí)時(shí)計(jì)算殘余應(yīng)力，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，精度高。
根據(jù)GB/T31310-2014規(guī)定，由于制動(dòng)管壁厚為2.5mm，小于應(yīng)變花敏感柵中心連接圓直徑D=10mm，故制動(dòng)管為薄工件，對(duì)薄工件一般應(yīng)鉆通孔。鉆孔時(shí)，采用轉(zhuǎn)速為2440r/min的低速鉆通孔法進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，鉆孔直徑為φ2mm，測(cè)試步驟如下：
1. 將粘貼好應(yīng)變片的制動(dòng)管裝夾在鉆孔裝置上；
2. 將測(cè)試導(dǎo)線連接至靜態(tài)應(yīng)變儀上，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、應(yīng)變清零、數(shù)據(jù)采集。
3. 啟動(dòng)鉆孔裝置，一直鉆透單側(cè)管壁；鉆透后，退出鉆頭，關(guān)閉鉆孔裝置。
4. 保持試件不動(dòng)，等待數(shù)據(jù)變化，直至3個(gè)方向的應(yīng)變值平穩(wěn)后，停止采集數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)。
測(cè)試結(jié)果分析
這次試驗(yàn)中，對(duì)3個(gè)制動(dòng)管試件進(jìn)行了殘余應(yīng)力測(cè)試，圖1為其中一個(gè)制動(dòng)管鉆孔和等待數(shù)據(jù)平穩(wěn)時(shí)的3個(gè)應(yīng)變片的時(shí)域響應(yīng)信號(hào)，加工應(yīng)變?cè)?00με左右，與標(biāo)準(zhǔn)中描述一致，最終3個(gè)方向的應(yīng)變值均平穩(wěn)。
3個(gè)試件的殘余主應(yīng)力及主應(yīng)力方向角計(jì)算結(jié)果表明，最大壓縮主應(yīng)力達(dá)到95-201MPa左右，方向與管身母線成12°-23°左右，3個(gè)試件的殘余主應(yīng)力方向角分布范圍如圖2。制動(dòng)管焊后產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力的主要原因是制動(dòng)管焊接冷卻后，焊縫長(zhǎng)度縮短，致使焊縫產(chǎn)生了徑向收縮變形，焊縫附近的管身母線方向上產(chǎn)生彎曲壓應(yīng)力。同時(shí)，焊接過程中，管身受焊接熱作用后產(chǎn)生變形。根據(jù)現(xiàn)在的焊接組裝工藝，管身端頭面與接頭體內(nèi)部的臺(tái)階面是相接觸的，這限制了管身端部的自由伸長(zhǎng)，加劇了焊縫處的徑向收縮變形，導(dǎo)致焊縫附近產(chǎn)生了較大的殘余壓應(yīng)力。由于接頭體和管身通過焊縫連接，焊縫阻止制動(dòng)管管身產(chǎn)生徑向收縮變形，焊趾處相應(yīng)的也會(huì)產(chǎn)生較大的殘余拉應(yīng)力。在外載荷的作用下，二次應(yīng)力的作用，使得管身側(cè)的焊趾承受的最大拉應(yīng)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(zhǎng)收到約束的問題，改進(jìn)管身和接頭體組裝工藝，在管身端部與接頭體內(nèi)部臺(tái)階面之間預(yù)留一定的間隙。
結(jié)論
鐵路貨車制動(dòng)管原焊接組裝工藝，由于制動(dòng)管管身端部在焊接熱的作用下伸長(zhǎng)變形受到約束，加劇了焊縫處的徑向收縮變形，導(dǎo)致焊縫附近產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力，殘余應(yīng)力以平衡狀態(tài)存在于制動(dòng)管中，使得制動(dòng)管管身側(cè)焊趾處產(chǎn)生相應(yīng)的較大殘余拉應(yīng)力，在外載荷作用下，由于二次應(yīng)力的作用，使得焊趾處承受了較大的拉應(yīng)力，易產(chǎn)生疲勞斷裂，嚴(yán)重影響列車的運(yùn)行安全。
