40 t 轴重铁路货车侧架的工艺设计与优化

王锡安，王 哲，孙宝金

（齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司，黑龙江齐齐哈尔 161002）

40t轴重转向架是为澳大利亚FMG公司研制的40t轴重矿石车的配套转向架，是目前世界上最大轴重的铁路货车。该转向架为铸钢三大件式结构，其中侧架是转向架的关键铸钢件，侧架把转向架各零部件组成一个整体，承受、传递各种作用力及载荷，因此其铸造质量对货车运行的安全性、可靠性起到至关重要的作用[1-3]。因此，在40t轴重转向架用侧架工艺设计上，采用传统工艺设计与数值模拟技术辅助设计相结合，优化铸造工艺，经生产验证取得了很好的效果。

1 侧架的结构特点分析

该侧架材质为 AAR M-201B+级铸钢（ZG25MnCrNiMo），其外型最大轮廓尺寸为2570mm×680mm×481mm，铸件重量525kg，该铸件为典型的薄壁箱体结构，结构复杂。该铸件最大壁厚为39mm，且由于结构影响该位置无法设置冒口进行补缩，导致其内部密实度保证难度较大；该侧架几个关键部位壁厚变化较大（由14mm变化至39mm），壁厚过渡梯度大和结构性影响，导致铸件收缩受阻而产生较大的应力，很容易导致裂纹的产生；箱型结构的铸件，内腔均通过砂芯制出，在浇注过程中砂芯被钢水包裹，导致排气不畅，易产生呛空缺陷。侧架产品结构如图1、图2所示。

图1 侧架结构简图及关键受力区域

图2 侧架实体

2 产品检验标准

化学成分、机械性能和缺陷修理等按AAR M-201《铸钢件规范》执行。侧架外观要求、关键尺寸、内部密实度检查等，按AARM210-90《AAR批准的联运货车侧架摇枕供货技术条件》执行；同时执行TB/T3015.3-2009《铁路货车铸钢摇枕、侧架无损检测第3部分：磁粉检验》标准，对侧架全表面整体磁化磁粉探伤检查；按铁道部运装货车[2007]310号文件内容对侧架关键部位射线探伤、超声波探伤检查和超声波测壁厚检测。保证铸件内部组织致密、铸件表面无裂纹等缺陷、整机装配和铸件表面满足商品化的需要。

3 铸造工艺设计

根据产品结构和造型生产线设备情况，采用脂硬化水玻璃砂工艺生产，一箱两件。选择碱性电弧炉冶炼钢水，采用干法落砂工艺，打箱时间大于4h.热处理方式采用正火工艺。

3.1 分型面选取

侧架为对称性结构，选取纵向中心平面为分型面。并将滑槽侧置于上箱，利于采取排气工艺手段；铸字位于下箱，保证铸字完整清晰，同时满足产品商品化要求[4]。

3.2 铸造收缩率

由于侧架结构复杂，且壁厚变化较大，不同部位的结构特点差异导致侧架各部位的铸造收缩率存在差异。为满足产品的尺寸要求，对侧架结构进行认真分析，得出中央方框区域收缩率为15‰，轴距收缩率为18‰，其余按20‰选取。

3.3 砂芯设计

为保证侧架内腔质量，内腔砂芯采用整体芯工艺。整体芯工艺确保侧架关键部位无砂芯对接，避免了由于砂芯对接而产生的砂眼、披缝、壁厚突变等缺陷，消除原始裂纹源，保证了侧架使用的安全性、可靠性[3,4]。

3.4 浇注系统的设计

采用开放式浇注系统，F直∶F内=1∶1.1.钢水从铸件上平面引入。侧架轮廓尺寸大、主体壁厚薄14mm～17mm，因此采用浇注系统从两端同时引入的方式，实现钢液能够快速充型和缩短钢液流动的距离，避免侧架出现浇不足、冷隔等铸造缺陷。浇注温度控制在1580℃以下，浇注方式低温快浇，减小铸件裂纹倾向。

4 数值模拟结果及措施

4.1 温度场模拟

采用计算机数值模拟技术对侧架凝固过程温度场进行模拟。在图3显示的液相和固相混合区域中，可以很清楚地发现在固相率大于76%时，开始出现明显的液固相区孤立区域（图3e）中发白部位）这些孤立凝固区域多产生于厚、薄壁相接及壁厚交错部位，这些区域有产生铸造缺陷的可能性。

图3 凝固过程液固相区变化

4.2 时间场模拟

如图4所示四个区域是侧架零件最后凝固部位，从三维时间场分布可以知道，B区域（包括三个部分）的凝固时间最长；C（包括三个部分）区域次之；A区域（区域较长）次之，但是A区域需要补缩的空间比较分散。

图4 侧架凝固时间场分布

4.3 工艺措施

图4中侧架A部厚度达39mm，超出了铸钢件临界壁厚，计算机模拟结果也表明该区域凝固时间最长，产生收缩类缺陷概率较高。该处产品结构又导致无法直接放置冒口进行补缩。对该处结构分析后，在A部相邻部位（内八字面）增加补贴并在A部放置冷铁使热节向右八字面移动，在内八字面处放置冒口集中补缩，如图5所示。

由于侧架结构原因，在分散的热节处无法放置冒口或放置冒口后极难清除，所以对分散热节采用冷铁激冷，通过冒口与冷铁的配合使用实现整体同时凝固和局部顺序凝固。侧架工艺及冷铁摆放位置如图5、图6、图7所示。

图5 侧架工艺简图

图6 冷铁布置位置

图7 侧架冷铁分布图

5 工艺验证

按上述工艺生产的侧架各部尺寸满足产品要求。侧架立柱上弯角部位，由于产品结构原因收缩阻力较大，出现可见热裂纹，裂纹率40%左右。工艺措施，在该部位增加收缩筋，承受铸造应力消除裂纹。经目视和探伤检查，该工艺措施能完全消除裂纹缺陷。如图8、图9所示。

图8 侧架裂纹部位

图9 工艺改进后

关键部位解剖目视检查和射线检测内部密实度良好满足标准要求，如图10所示。

图10 侧架A 部断面

6 结 论

40t轴重侧架整体几何形状及尺寸、侧架外观、表面质量符合AARM210-90《AAR批准的联运货车侧架摇枕供货技术条件》规定的量规检验要求，并按TB/T1959-2006《铁道货车摇枕、侧架静载荷及疲劳试验》标准，通过静载荷和疲劳试验，产品性能满足设计要求并通过装车运行考验。该工艺方案可满足40t轴重侧架的生产和质量要求。

[1]TB/T2942-1999铁道用铸钢件采购与验收技术条件[S］.北京：中国铁道出版社，1999.

[2]朱圣炎，荆涛.摇枕与侧架铸件热裂纹数值模拟研究[J］.中国铸造装备与技术，2008（2）：28-31.

[3]李海涛，许秋燕,凌云飞.摇枕，侧架整体自动化下芯工艺[J］.铸造设备与工艺，2013（2）：26-28.

[4]徐强，孙宝金.出口铁路货车侧架工艺分析[J］.铸造设备与工艺，2012（1）：21-24.

[5]柳百成，荆涛.铸造工程的模拟仿真与质量控制[M］.北京：机械工业出版社，2002.