制動管系是鐵路貨車制動系統(tǒng)的重要組成部件，其連通著制動系統(tǒng)各個閥體，起到傳遞制動壓力的作用。目前，我國鐵路貨車制動管接頭體與制動管管體采用焊接形式相連接，由于制動管結(jié)構(gòu)特點和焊接熱作用不均勻等因素，導(dǎo)致制動管焊后會產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力，從而影響制動管的靜載荷強(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，制動管焊趾附近多次發(fā)生疲勞斷裂破壞，會危及行車安全。因此，有必要對焊后的制動管進(jìn)行殘余應(yīng)力測試，了解殘余應(yīng)力大小并改進(jìn)焊接工藝，降低制動管焊后殘余應(yīng)力。
本文以脫軌閥制動管為研究對象，采用鉆孔殘余應(yīng)力測試方法，對原焊接組裝工藝條件下的制動管進(jìn)行殘余應(yīng)力測試，分析其產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力的原因，并對焊接工藝進(jìn)行改進(jìn)。
殘余應(yīng)力測試方法
試驗中選用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。測試設(shè)備采用南京聚航科技有限公司的JHMK殘余應(yīng)力測試系統(tǒng)，由JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀和JHZK-L殘余應(yīng)力鉆孔裝置組成，多點測量，全軟件操作，自動實時計算殘余應(yīng)力，測量結(jié)果準(zhǔn)確，精度高。
根據(jù)GB/T31310-2014規(guī)定，由于制動管壁厚為2.5mm，小于應(yīng)變花敏感柵中心連接圓直徑D=10mm，故制動管為薄工件，對薄工件一般應(yīng)鉆通孔。鉆孔時，采用轉(zhuǎn)速為2440r/min的低速鉆通孔法進(jìn)行殘余應(yīng)力測試，鉆孔直徑為φ2mm，測試步驟如下：
1. 將粘貼好應(yīng)變片的制動管裝夾在鉆孔裝置上；
2. 將測試導(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，等待數(shù)據(jù)變化，直至3個方向的應(yīng)變值平穩(wěn)后，停止采集數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)。
測試結(jié)果分析
這次試驗中，對3個制動管試件進(jìn)行了殘余應(yīng)力測試，圖1為其中一個制動管鉆孔和等待數(shù)據(jù)平穩(wěn)時的3個應(yīng)變片的時域響應(yīng)信號，加工應(yīng)變在300με左右，與標(biāo)準(zhǔn)中描述一致，最終3個方向的應(yīng)變值均平穩(wěn)。
3個試件的殘余主應(yīng)力及主應(yīng)力方向角計算結(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個試件的殘余主應(yīng)力方向角分布范圍如圖2。制動管焊后產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力的主要原因是制動管焊接冷卻后，焊縫長度縮短，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，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)部的臺階面是相接觸的，這限制了管身端部的自由伸長，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，焊縫阻止制動管管身產(chǎn)生徑向收縮變形，焊趾處相應(yīng)的也會產(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)部臺階面之間預(yù)留一定的間隙。
結(jié)論
鐵路貨車制動管原焊接組裝工藝，由于制動管管身端部在焊接熱的作用下伸長變形受到約束，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)存在于制動管中，使得制動管管身側(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。
