HXN5型机车车架振动消除残余应力研究

李妍

摘 要： 通过对HXN5型机车车架振动时效处理，选取合理的残余应力测量点，进行残余应力测量及计算，绘制振动时效曲线，振动时效处理后，平均残余应力下降率约为65%，应力很小且分布已经均匀，完全符合振动时效行业标准，满足高质量的机车车架要求。

关键词： 机车车架 振动时效 残余应力

一、引言

振动法消除焊接件的残余应力的方法不仅可以完成热处理消除应力，而且可以做得更快、更好、更方便，更节省经济费用，因此，振动法消除工件残余应力的方法在世界各国许多工业领域得到快速应用和推广。

焊接件在加工过程中由于温度场的存在及冷凝收缩时的不均匀、组织的不均匀等会形成残余应力。残余应力的存在导致工件变形开裂，因此，消除残余应力是机械制造业必须解决的重大课题。

以自然时效法为例，将工件置放在室外，长期经受温度变化的作用，可达到消除残余应力的效果，但其处理周期长，不适应现代化生产需要。热处理法虽可缩短周期，效果也好，但由于能耗较多，成本较高。

振动消除应力技术与常规热处理退火、时效工艺相比，具有设备简单、对环境无特殊要求、适应范围广、可实现在线消除应力、处理时间短、成本低等优点，具有较为广泛的应用前景。

目前我厂制造的HXN5型机车机车车架结构如图1所示。

车架端部一和端部二前后对称，由左右箱型梁、左右起吊梁、承载梁、牵引销梁、端部装配等部分组成，见图2。

端部组成各部分名称如表1所示。

由于新制的双司机室HXN5机车纵梁比原HXN5机车纵梁长约200mm，因此原来采购的6m长的标准板制作纵梁长度不够，需要拼接，设计制作时焊缝增加并叠加、交叉，必然使焊接残余应力增加。降低残余应力是确保行车安全的最佳选择，由于该工件长度太长，公司现有装备无法应用热处理法消除残余焊接应力，经过研究，确定采用振动法对车体架纵梁消除焊接应力处理。

二、残余应力测量原理和方法

CCY-84型磁测应力仪是利用铁磁物体的磁致伸缩效应原理进行测量的，即物体在拉伸或压缩时，磁导率将会发生变化，这个变化通过连接仪器的传感器反映为磁路的阻抗变化，以输出电流的形式把它在仪器上显示出来。通过旋转探头，测量出最大和最小磁电流（I■、I■）值，再用公式τ■=5/37×（I■-I■）MPa，就可以得出测量区域的最大剪切残余应力值。在同一点测量振动时效前后的最大和最小磁电流值，就可以计算出测量点的残余应力下降率。

三、振动时效工艺现场

为保证机车纵梁强度，选取双司机室车架（012号2端）及车体架（003号HXN5型）分别进行了半小时的亚共振振动时效处理，工艺现场见图3。

四、残余应力测量点布置

为了解车架及车体架焊缝位置的残余应力分布情况，在其焊缝位置布置了多个测量区域（A、B、C），每个测量区域布置了5个测量点（1、2、3、4、5），参见图4。使用“SHX2106型神华全自动彩屏振动时效仪”，分别对车架和车体架进行试验。

测量区域经过砂平、抛光后，画好测量线，进行测量。

时效结束后打印振动时效工艺曲线（图5），振动时效工艺曲线符合【JB/T5926-2005】振动时效技术行业标准的要求。

五、残余应力测量结果

1.车架焊接后，焊缝处的最大剪切残余应力，最大值为72Mpa，最小值为30Mpa，平均值为48Mpa，应力分布很不均匀，经过振动时效处理后，最大值为27Mpa，最小值为11Mpa，平均值为18Mpa，已经分布均匀，平均残余应力下降率为63%。

2.双司机室车体架焊接后，焊缝处的最大剪切残余应力，最大值为110Mpa，最小值为15Mpa，平均值为38Mpa，应力分布很不均匀，经过振动时效处理后，最大值为21Mpa，最小值为5Mpa，平均值为12Mpa，已经分布均匀，平均残余应力下降率为68%。

六、结语

1.车架及车体架焊接后，其焊缝处存在较大的、分布不均匀的残余应力，有必要进行消除残余应力的时效处理。

2.车架及车体架振动时效处理后，平均残余应力下降率约为65%，应力很小且分布已经均匀，完全符合振动时效行业标准【JB/T5926-2005】的要求（平均残余应力下降率不低于30%），振动时效效果很好。

3.振动时效技术完全可以应用于车架及车体架等工件的振动时效处理。

参考文献：

[1]中国机械工程学会焊接学会，《焊接手册》（第三卷）.机械工业出版社，1992.

[2]饶德林.振动时效消除拼焊不锈钢板的残余应力.振动与冲击，2005（2）.