现场经验 文章编号：１００７￣０３４（２０１７）Ｏ３＿００４５＿０２ ＤＯＩ：１０．１４０３２／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７￣０３４．２０１７．０３．０２０ ＨＸＤ２ Ｂ型机车中 梁组焊夹具连接轴 断损分 析及改进 徐秀珍，徐志刚，王 慧 （中车大同电力机车有限公司，山西大同０３７０３８） 摘要：对ＨＸＤ２Ｂ型机车中梁组焊夹具连接轴断损故障进行分析，制定改进方案。通过优化筋板 结构，提高了连接轴的抗疲劳能力，防止类似故障再次发生，保证了生产安全。 关键词：ＨＸＤ２Ｂ型机车；组焊夹具；连接轴；疲劳断损 中图分类号：Ｕ２６０．３２ 文献标识码：Ｂ ＨＸＤ２Ｂ型机车中梁组焊夹具用于组对、焊接底 架中梁，２００９年投入使用。某公司车体车间在焊接 ＨＸＤ２Ｂ型机车底架中梁时，中梁组焊夹具Ⅱ端连接 Ｉ端 轴突然断损，导致中梁组焊夹具Ⅱ端从两轴焊接变 位器中脱落，掉落在地面上，所幸未造成人员伤亡。 为防止故障再次发生，公司对中梁组焊夹具连接轴 断损进行分析，制定改进措施，确保生产过程中的 人身和财产安全。 Ａ—Ａ Ｂ—Ｂ 连接轴聘！螺栓和 定位座连接轴 １ 组焊夹具安装结构及原理 作业时，已装夹好底架中梁的中梁组焊夹具安 装在两轴焊接变位器上，如图１所示（双点划线表 示两轴焊接变位器，其余表示中梁组焊夹具），两轴 焊接变位器Ｉ端、Ⅱ端回转盘均设有中心定位孔、４ 条Ｔ型安装槽，中梁组焊夹具Ｉ端、Ⅱ端均通过其 中心定位座定位，１２条Ｔ型螺栓连接、安装在两轴 焊接变位器上。两轴焊接变位器主轴通过电机驱动 丝杠实现升降运动，通过电机、减速机驱动回转盘实 现翻转运动。中梁组焊夹具及装夹在其上的底架中 梁通过两轴焊接变位器实现升降、翻转运动，对底架 图１ 中梁组焊夹具安装在两轴焊接变位器上的不意图 的焊趾处存在焊接缺陷，断损面可见疲劳源、疲劳裂 纹扩展区和瞬断区，是典型的材料疲劳损伤…。 初步分析，连接轴断损主要有２方面原因：一是 在工作过程中，ＨＸＤ２Ｂ型机车中梁组焊夹具为满足 焊接位置的要求，正、反向翻转，连接轴长期受周期 性交变载荷作用，导致连接轴疲劳损伤；二是筋板与 中梁施焊时，能够满足其焊接位置的工艺要求。 ２连接轴断损原因分析 检查发现，连接轴断损位置在筋板与连接轴焊 缝的焊趾处（见图２），连接轴无塑性变形，断损面可 连接轴焊缝存在焊接缺陷，应力集中问题突出，降低 了连接轴的抗疲劳能力，导致连接轴疲劳断损。 ２．１连接轴材质分析 连接轴制造采用的材质为４５ 钢，设计材质为 看到焊缝与母材之间存在缝隙，筋板与连接轴焊缝 收稿日期：２０１６—０７—２８ 作者简介：徐秀珍（１９６７一），女，高级工程师，本科。 Ｑ２３５Ａ，对断损的连接轴进行力学性能及化学成份 检测，其检测结果见表１、表２，Ｑ２３５Ａ力学性能及化 学成份见表３、表４。 ４Ｓ 现场经验 图２连接轴断损示意图 表１ 连接轴力学性能 ０．４９ ０．２５ ０．５７ ０．０２２ ０．０２６ ０．２５ ０．１１ ０．０６ ０．１４—０．２２ ≤０．３０ ０．３～０．６５ ０．０４５ ≤０．０５０ 显而易见，连接轴制造采用的材质为４５ 钢，与 设计材质不符，４５ 钢焊接性较差，产生焊接缺陷的 可能性大。 ２．２连接轴疲劳强度计算 （１）计算工况的选取。选取连接轴的２个疲劳 载荷极限工况，工况１：组焊夹具翻转到水平位置 （图１），连接轴承受最小的疲劳载荷，４根连接轴承 受９ ｔ载荷，单根连接轴承受２．２５ ｔ载荷。工况２： 组焊夹具翻转到垂直位置（图１所示位置翻转 ９０。），连接轴承受最大的疲劳载荷，２根连接轴承受 ９ ｔ载荷，单根连接轴承受４．５ ｔ载荷。 （２）计算结果。连接轴在疲劳工况下，筋板与 连接轴焊缝的焊趾处应力集中，焊缝布置未避开高 应力区，这是设计的不足之处，也是导致连接轴疲劳 断损的主要原因。 机车车辆工艺 第３期２０１７年６月 ３．１结构优化 优化设计图２中的筋板，将筋板中的直线改为 弧线，如图３所示，使焊缝布置避开高应力区，减小 筋板与连接轴焊缝焊趾处的应力集中，为验证优化 设计的可行性，采用有限元软件，对连接轴的疲劳强 度进行了有限元计算。 计算工况的选取同２．２章节，计算时，修正筋板 尺寸，力求减小应力集中。２个极限工况的主应力 图显示连接轴在疲劳工况下，应力集中在母材筋板 上，焊缝布置避开了高应力区，计算结果都满足设计 要求。 改前 改后 图３优化筋板设计 ３．２材质选取 连接轴材质选用Ｑ２３５Ａ锻件，在切削加工前进 行正火处理，使连接轴晶粒细化，以提高连接轴的疲 劳强度。 ３．３ 合理操作 对操作者进行培训，操作者必须按操作规程进 行操作，减少误操作，尽可能避免不必要的启停和载 荷波动。 ３．４定期检修 连接轴焊缝定期进行磁粉探伤检测，焊接变位 器定期检修，以便及时发现问题，采取有效措施，防 止长期在不正常的工况下运行，加速其受力件的疲 劳破坏。 ４ 结束语 连接轴断损主要是由于在长期周期性交变应力 作用下，筋板与连接轴焊缝的焊趾处应力集中而且 存在一定的焊接缺陷，形成缺口效应，最终造成疲劳 断损。通过优化筋板结构，使应力集中从焊缝转移 到母材筋板上，提高了连接轴的抗疲劳能力，该优化 设计方案已在公司推广应用。 参考文献： 北京：机械工业出版社，２０１０． 一 （编辑：匡 玲）