王永剛 張永杰 張 旭 王 莉

(青島四方龐巴迪鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司 山東 青島 266111)

斯德哥爾摩地鐵項(xiàng)目是龐巴迪鐵路運(yùn)輸集團(tuán)為瑞典斯德哥爾摩生產(chǎn)的新一代地鐵車輛，具有壽命長，免維修等特點(diǎn)，青島四方龐巴迪鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司(以下簡稱四方龐巴迪公司)為此項(xiàng)目供應(yīng)車體。該車體采用鋁合金材料，牽枕全部為鋁合金型材與板材焊接而成，而鋁合金枕梁與轉(zhuǎn)向架空氣彈簧之間采用不銹鋼襯套連接，因而不銹鋼襯套與鋁合金枕梁間的裝配成為車體生產(chǎn)中的關(guān)鍵。通常此類裝配在其他項(xiàng)目中采用螺栓鉚接結(jié)構(gòu)，但因其免維修的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中決定采用液氮冷裝工藝將不銹鋼襯套安裝至鋁合金枕梁上。找到適合于此結(jié)構(gòu)的液氮冷裝工藝尤為關(guān)鍵。

1 液氮冷裝工藝介紹

所謂冷裝工藝，就是把被包容件放入液氮內(nèi)冷卻到一定溫度，產(chǎn)生裝配間隙后再放入包容件內(nèi)，待包容件恢復(fù)正常溫度后，在包容件與被包容件組合面間產(chǎn)生壓力，靠與此壓力相伴的摩擦力傳遞扭矩、軸向力或者兩者復(fù)合的載荷。

在斯德哥爾摩地鐵車輛結(jié)構(gòu)中，鋁合金枕梁的襯套安裝底孔尺寸為?70H8 mm(公差H8的范圍為： 0～+0.046 mm)，襯套的尺寸為外徑?70U8 mm(公差U8的范圍為：+0.102～+0.148 mm)，內(nèi)徑?60D10 mm(公差D10的范圍為：+0.100～+0.220 mm)，安裝后要求內(nèi)徑為?60D10H8 mm(見圖1)。鋁合金材料為EN 573-3 ENAW-6005A，不銹鋼襯套材料為EN 10088-3 X46Cr13，是馬氏體不銹鋼。

圖1 枕梁襯套及其安裝結(jié)構(gòu)

2 理論計(jì)算

2.1 液氮冷卻后襯套徑向收縮量的計(jì)算

襯套在液氮中冷卻，冷卻后襯套的收縮量將直接影響襯套的安裝，因此襯套理論收縮的計(jì)算尤為重要。由于襯套為圓環(huán)型中空結(jié)構(gòu)，因而根據(jù)線膨脹系數(shù)計(jì)算平均徑向收縮量時(shí)的長度可以按照襯套平均周長近似折算，冷卻后的直徑通過冷卻后的周長反推可得到，則冷卻前后襯套平均徑向收縮量為：

式中：α—襯套材料的線膨脹系數(shù)，查機(jī)械制造手冊(cè)[1]，馬氏體不銹鋼的線膨脹系數(shù)為1.0×10-5；

t1—襯套在放入液氮前的溫度，25 ℃；

t2—液氮溫度，-197 ℃；

d1—襯套內(nèi)徑，?60D10 mm；

d2—襯套外徑，?70U8 mm。

將以上數(shù)據(jù)代入公式可得出：Δd=0.144 mm。

由于空氣彈簧座孔內(nèi)徑為?70H8 mm(公差H8的范圍為：0～+0.046 mm)，因此常溫下襯套與空氣彈簧座的過盈量為δmax=0.148 mm，δmin=0.056 mm。根據(jù)理論計(jì)算，大部分情況下過盈量小于襯套在液氮中冷卻后的收縮量，可以直接安裝；但是在部分情況下過盈量大于襯套在液氮中冷卻后的收縮量，從此數(shù)據(jù)分析，在不借助外力的情況下部分襯套無法直接安裝，需后續(xù)通過試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2 安裝完成后襯套內(nèi)徑理論收縮量計(jì)算

此工藝一關(guān)鍵項(xiàng)點(diǎn)為按照設(shè)計(jì)要求的零件進(jìn)行裝配，安裝前襯套內(nèi)徑為?60D10 mm，即60.100～60.220 mm，安裝完成后要求襯套內(nèi)徑為?60H8 mm，即60～60.046 mm，襯套安裝完成后實(shí)際收縮量將直接影響安裝后的襯套內(nèi)徑，因此下面將對(duì)安裝完成后襯套內(nèi)徑理論收縮量進(jìn)行計(jì)算。

襯套內(nèi)徑理論收縮量計(jì)算公式[2]：

其中C1，C2為材料的剛性系數(shù)，計(jì)算公式如下：

上述公式中：δ—襯套與空氣彈簧座孔的裝配過盈量，此處取平均過盈量，即為0.102 mm；

d—空氣彈簧座外徑，枕梁空氣彈簧座為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，將其近似成外徑為126.5 mm的厚壁圓筒；

E1—襯套材料的彈性模量，此處為206 000 MPa；

E2—空氣彈簧座材料的彈性模量，此處為69 000 MPa；

μ1—襯套材料的泊松比，此處取0.26；

μ2—空氣彈簧座材料的泊松比，此處取0.33。

將以上數(shù)據(jù)代入上述公式中得出：平均襯套內(nèi)徑收縮量Δd1=0.060 mm。根據(jù)理論計(jì)算，安裝完成后襯套內(nèi)徑為d1-Δd1=60.040～60.160 mm，而設(shè)計(jì)要求安裝完成后襯套內(nèi)徑應(yīng)為?60H8 mm，即60～60.046 mm,據(jù)此分析安裝后部分襯套內(nèi)徑無法滿足設(shè)計(jì)要求，需要后續(xù)通過試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

準(zhǔn)備試驗(yàn)所需的枕梁空氣彈簧座、不銹鋼襯套、液氮等材料(見圖2)。

(a)試驗(yàn)空氣彈簧座 (b) 試驗(yàn)襯套 (c) 液氮以及防護(hù)箱圖2 試驗(yàn)材料

3.1 直接冷裝試驗(yàn)

首次試驗(yàn)采用直接冷裝工藝，不借助任何外力。測(cè)量并記錄空氣彈簧座和襯套的內(nèi)、外直徑等尺寸，之后將襯套放入液氮中冷卻3～5 h，然后取出快速放入空氣彈簧座孔。本次共進(jìn)行了6組試驗(yàn)，僅1次安裝成功，其余襯套均未完全落入空氣彈簧孔(見圖3)。

(a)安裝過程 (b) 安裝成功 (c) 安裝失敗圖3 直接冷裝試驗(yàn)

試驗(yàn)件數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示，從中可以看出，盡管過盈量小于襯套理論收縮量0.144 mm，理論上襯套冷卻后存在裝配間隙，但最終還是安裝失敗。分析認(rèn)為這與襯套從液氮中取出后在空氣中以及與鋁合金座接觸后的溫度升高有關(guān)，特別是與鋁合金座接觸后，熱傳導(dǎo)速度非?？?。在試驗(yàn)過程中，對(duì)安裝失敗的襯套進(jìn)行溫度測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其在與空氣彈簧座接觸后溫度很快升高到-80 ℃，根據(jù)計(jì)算，此時(shí)襯套的收縮量僅為0.068 mm，小于大部分過盈量，因此襯套無法直接落入空氣彈簧孔。

表1 直接冷裝試驗(yàn)件尺寸統(tǒng)計(jì) /mm

3.2 壓裝試驗(yàn)

在不影響安裝后襯套強(qiáng)度的前提下(即不減小襯套與空氣彈簧座的過盈量)，擬采用液氮冷卻后壓力機(jī)壓裝方式進(jìn)行襯套安裝。

將襯套壓入空氣彈簧孔的軸向壓力為[2]：

式中：f—襯套壓入時(shí)的摩擦因數(shù)，查閱機(jī)械手冊(cè)[1]，取0.17；L—襯套長度，此處為58 mm；Pmax—襯套與空氣彈簧座接觸面的擠壓應(yīng)力，MPa；δmax—襯套與空氣彈簧座孔裝配時(shí)的最大過盈量，此處為0.148 mm。

計(jì)算得出F= 86.5 kN，根據(jù)此數(shù)據(jù)，擬選用10 t的壓力機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。參考直接安裝方式，將襯套在液氮中冷卻后，快速放入座孔中，并安裝輔助壓帽，之后操作壓力機(jī)向下施壓(見圖4)。此次壓裝試驗(yàn)也準(zhǔn)備了6組試樣，所有襯套均1次安裝成功。

圖4 襯套壓裝試驗(yàn)

表2為試驗(yàn)件的尺寸統(tǒng)計(jì)，6組試驗(yàn)件中，僅僅2組安裝完成后襯套內(nèi)徑符合設(shè)計(jì)要求的?60H8 mm(即60～60.046 mm)，其他4組均有不同程度的超差，但是基本符合理論計(jì)算值d1-Δd1= 60.040～60.160 mm。6組試件安裝的過盈量基本都在0.1 mm左右，最大的區(qū)別為襯套安裝前的內(nèi)徑不同，因此得出結(jié)論，在過盈量相當(dāng)時(shí)，襯套安裝前的內(nèi)徑直接決定安裝后的襯套內(nèi)徑公差。

從表2中可以計(jì)算得出6組試件的襯套平均收縮量為0.059 mm，與理論計(jì)算的襯套平均內(nèi)徑收縮量Δd1=0.060 mm基本吻合。

表2 壓裝試驗(yàn)件尺寸統(tǒng)計(jì) /mm

3.3 襯套尺寸優(yōu)化后的壓裝試驗(yàn)

綜合考慮設(shè)計(jì)要求的安裝后襯套內(nèi)徑以及襯套理論和實(shí)際收縮量，擬定安裝前內(nèi)徑為60 mm的襯套公差為+0.070～+0.090 mm，之后重新進(jìn)行壓裝試驗(yàn)。

試驗(yàn)尺寸記錄如表3所示，從表中分析得出，當(dāng)過盈量在0.09～0.12 mm之間，且襯套安裝內(nèi)徑公差滿足0.070～0.090 mm時(shí)，所有襯套安裝后內(nèi)徑均滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 襯套尺寸優(yōu)化試驗(yàn)件尺寸統(tǒng)計(jì) /mm

4 結(jié)果及應(yīng)用

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，安裝選配襯套時(shí)，當(dāng)過盈量在0.09～0.12 mm之間，且襯套安裝內(nèi)徑公差滿足0.070～0.090 mm時(shí)，所有襯套安裝后內(nèi)徑均滿足設(shè)計(jì)要求，無須再進(jìn)行襯套研磨或者加工?；诖私Y(jié)論，升級(jí)了相關(guān)零件圖紙，并設(shè)計(jì)了專門的襯套安裝工裝(附帶襯套導(dǎo)向銷)，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

經(jīng)過理論計(jì)算與試驗(yàn)，找到了適合于斯德哥爾摩地鐵車輛不銹鋼襯套和鋁合金枕梁液氮冷裝的工藝，此工藝已應(yīng)用于四方龐巴迪公司出口斯德哥爾摩地鐵車輛的制造中。既滿足了設(shè)計(jì)要求，又保證了制造質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率，為后續(xù)類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

圖5 斯德哥爾摩地鐵車輛枕梁襯套壓裝工裝

[1] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì)．機(jī)械制造手冊(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004．

[2] 石夏君，王順生. 過盈裝配下襯套內(nèi)徑收縮量及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件,2004(8):27-29．□