最新ZMA120转向架构架焊接工艺和焊接流水线改进设计本科毕业设计论文Word文档下载推荐.docx
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答辩委员会主任（签章）
年月日
毕业设计（论文）任务书
班级2010城轨车辆学生姓名学号
发题日期：
2013年2月24日完成日期：
2014年6月1日
题目ZMA120转向架构架焊接工艺和焊接流水线改进设计
1、本论文的目的、意义ZMA120型转向架是株机公司在引进西门子技术制造的广州地铁3号线B型地铁转向架基础上，进行全面国产化研制的B型地铁车辆转向架。
ZMA120型转向架构架焊接工艺流水线设计是对ZMA120型转向架焊接的操作工艺流程进行进一步的优化。
本设计以ZMA120型转向架构架为例，完成焊接工序和各个工步。
设计内容主要包括各构架结构分析、总体焊接工艺分析、构架焊接参数设计、侧梁组焊工艺、横梁安装座焊接、整个构架的合成组焊、焊后的热调修以及对现有焊接流水线的改进。
通过本次设计，全面认识、了解ZMA120型转向架结构组成和焊接工艺、焊接流水线的基本知识；
完成机械产品的方案设计、结构设计、设计绘图等。
2、学生应完成的任务通过对现有ZMA120型转向架构架焊接技术的分析，对ZMA120型转向架构架焊接进行再设计，以及对构架现有焊接流水线的改进方案设计。
通过三维软件建模并对模型进行分析，以满足焊接工艺性能要求，最后绘制相关工装图，撰写毕业论文。
3、论文各部分内容及时间分配：
（共16周）
第一部分收集ZMA120型转向架焊接工艺相关资料，了解相关知识，撰写开题报告。
（2周）
第二部分继续收集各种资料，起草一个ZMA120转向架构架焊接设计方案、绘制三维图。
（3周）
第三部分经计算、分析等最终确定一个最终的设计方案。
（3周）
第四部分绘制所需的工装图纸。
（3周）
第五部分撰写毕业论文。
（2周）
评阅及答辩整理材料和图纸，完善毕业论文，准备毕业答辩。
（3周）
备注
指导教师：
年月日
审批人：
年月日
摘要
随着国内越来越多的城市开始建设地铁，对地铁转向架的要求也是越来越高，更高速度、稳定性更好、运行舒适性更好、强度更高等。
因此本文是针对目前国内运营速度最高的120km/h的ZMA型转向架的构架现有焊接工艺和焊接流水线的分析，对焊接工艺进行再设计，以获得更好的性能。
本文主要分为三个部分，第一部分是运用三维建模软件Pro/E，对构架进行一个以焊接为重点的三维模型，按照实际生产中焊缝的布置，以钣金件作为建模的基本件来完成整个建模，通过三维建模对转向架构架的结构分析、构架受力分析、转向架的总体焊接思路、构架焊接流程；
第二部分则是细化每条焊缝焊接工艺，最终组焊成第一步中的三维所示的转向架构架，包括构架侧梁、横梁、以及构架合成的焊接工艺设计，包括焊接工步、焊接电流、电压、焊丝直径等，还设计到构架的机械手焊接以及焊接完成后的热调修工艺；
第三部分是对目前国内现有的构建焊接生产流水线进行分析，提出目前的不足之处，再合理的对焊接流水线进行改进并绘制相关工装图。
并以构架上的某一条焊缝做了自动化焊接的流程改进。
本论文最终的目的是设计一个合理的ZMA120型转向架构架的焊接工艺，通过合理的焊接顺序和焊接参数，保证构架焊接完成后能够得到理想的焊接性能。
并改进现有的焊接生产流水线，已达到更高的生成效率和焊接质量。
关键词：
ZMA120型转向架；
构架；
焊接工艺；
焊接流水线；
Abstract
Withthedevelopmentofthecitiesinourcountry,Theurbanpopulationmoreandmore.Itresultsinurbantrafficisbecomingmoreandmoreserious,Peopledemandmoreandmoreconvenienturbantraffictools.SinceChina'
sfirstundergroundrailwayconstructionbeganin1965,ItisBeijingsubwaylineone.ThesubwayasaLargecapacitycitytraffictransportation,Peoplearealsomoreandmorehightotherequirementofit.Especiallyfortheoperationofthemetrovehiclespeedwithnewrequirements.Mostofthecurrentdomesticsubwaystillstayinactualoperatingspeedof100km/h.Thisarticleisinviewoftheoperationspeedof120km/hZMAtypebogie,WeanalyzeitsexistingweldingtechnologyandCarryontheredesigntogetbetterweldingprocess.
IModelinginthispaper,throughcomparisonandanalysis,etc.,designthebogieofweldingprocessimprovements.
Inthispaper,byusing3dmodelingsoftwarePro/E,completed3dmodelofthebogie.Finally,thispaperalsoanalyzedthecurrentdomesticexistingframeweldingproductionlines,Andputforwardthecurrentshortcomings.ImprovementoftheweldingassemblylineinareasonablemannerandDrawtherelevantengineeringdrawing.
keywords：
TypeZMA120bogie;
Bogie;
Weldingprocess;
Theweldingline
第1章绪论
1.1设计背景
ZMA120转向架（如图1-1所示）的主要部分就是构架。
构架的作用是将转向架的组成部分连接到一起，车辆运行时受到的各种力都会经过构架的传递，包括垂向力、横向力、纵向力。
垂向力既通过车体传下来的重力，通过空气弹簧传递到构架侧梁上；
横向力是指车辆运行时的离心力，通过车轮和轴箱传递到构架侧梁；
纵向力是指在车辆运行时的牵引力或制动力，通过车轮和轴箱传递给构架侧梁。
因此构架需要有足够的刚度来承受运行过程中的各种冲击，同时也要求构架整体具有一定的弹性和一定的耐疲劳度，以此来保证车辆长时间运行的可靠性和运行品质。
图1-1ZMA120转向架
地铁车辆在运行过程中，加速和减速频繁、启动和制动频繁，在很短时间内加速到120km/h，又在很短时间内减速到零。
所以地铁转向架构架受力相对长途旅客列车较复杂。
因此对地铁车辆转向架构架生产过程进行再设计很有必要。
1.2国内外地铁转向架构架焊接现状
1.2.1国内研究状况
生产地铁车辆转向架常用到的材料有Q235-A,Q235-B，16MnR，ZG230-450及STKM13B。
国内B型地铁ZMA120型转向架构架的材料就是采用16MnR，属低合金高强度钢，它的强度较高、塑性韧性良好。
富氩混合气体（其中1/5是CO2，4/5是Ar）保护焊是目前国内地铁车辆转向架构架生产的主要方法，这种富氩气体混合保护焊方法又分两种，一种是半自动焊，另一种是机械手焊。
在打底焊和修补焊接时采用手工电弧焊。
侧梁组成焊接采用半自动焊和机械手焊，先由人工点焊固定和完成打底焊接，最后主要焊缝采用机械手焊接完成。
由于侧梁焊缝多、焊缝质量要求高，所以主要焊缝都采用机械手自动焊接，保证了焊缝的完成焊接质量。
在地铁车辆转向架制造过程中，通过合理的焊接参数和焊接工艺，能够有效的减小焊后变形。
从而减小了焊后调修量，这样就缩短了构架的生产周期，同时也降低了生产成本。
1.2.2国外研究状况
国外转向架制造厂商主要有德国西门子、法国阿尔斯通、日本帝都高速交通营团等。
国外对转向架构架焊接的位置精度高、尺寸要求严、检测严格，须通过疲劳载荷试验。
国外焊接设备较内先进，在构架的制造过程中大部分焊缝都采用自动焊接完成，构架的焊接质量较高。
国外在转向架构架焊接中，主要也是采用CO2+Ar气体保护焊焊接。
焊接过程中采用自动化焊接设备及焊接变位器，能够保证构架组成各主要焊缝处于水平位置且刚性固定，以便于更好的施焊。
焊接时采取对称、分段退焊、多层多道焊接方法，这样可以减少焊接应力和焊接变形，改变应力分布。
对于厚板焊缝，由于坡口较大，执行多层多道焊，严禁摆宽道。
因为这样会造成母材对焊缝形成大的拘束应力，还会降低焊缝强度，导致焊缝开裂或延迟裂纹。
多层多道焊接能有效发挥前、后道焊缝的相互热处理作用；
同时也能有效改善焊接过程中应力分布状态，保证焊接质量。
1.3本文主要研究内容
1．在已有的资料上面，对ZMA120转向架总体结构组成作一个学习，整理完成后分析ZMA120转向架构架在焊接过程中各个零部件焊接的一个大致过程。
2．重点对侧梁的焊接工艺进行分析，并以侧梁焊接为例做具体详细的步骤和焊接参数分析。
3．设计一个ZMA120转向架构架的焊接工艺流水线的改进方案，以构架某条焊缝为例做自动化焊接改进流程。
4．运用Pro/E进行ZMA120转向架构架三维建模。
5．简单分析横梁组焊工艺和构架整体合成工艺。
6．绘制所需的工装图纸。
第2章ZMA120型转向架构架焊接总体设计
2.1转向架结构组成
2.1.1转向架总体
ZMA120转向架构架的设计速度为135km/h，最高实际运营速度为120km/h，国内大多数地铁转向架的运行速度都比该转向架高，所以它的设计有它独特的地方。
ZMA120型转向架主要由构架、轮对轴箱装置、弹性悬挂装置、牵引装置和基础制动装置组成，转向架结构如图2-1。
图2-1ZMA120转向架总体
1-构架；
2-轮对轴箱装置；
3-一系悬挂装置；
4-二系悬挂装置；
5-牵引装置；
6-基础制动装置
ZMA120型转向架主要特点如下：
1．ZMA120转向架在国内地铁转向架中是运营速度最快的，并且能保障良好的运行性能，车辆最大运行速度时其竖向及横向平稳性指标（W）能满足W≤2.5。
2．其牵引电机在转向架构架上采用四点弹性架悬方式悬挂。
3．一系螺旋弹簧相对于车轴的中心线呈偏置设置，轮对采用转臂定位。
4．为了提高了车辆的抗侧滚性能并减轻了转向架的重量，抗侧滚扭力杆布置在车体底架的下方。
5．转向架构架采用低合金高强度结构钢板组焊成H形，采用不需进行整体退火的焊接工艺。
6．牵引装置采用结构简单的拉杆牵引方式。
2.1.2构架组成
构架是转向架的骨架，所以要求其具有足够的刚度和强度。
构架全部采用焊接结构，有两根侧梁和两根横梁焊接成“H”型（三维模型图2-2）。
侧梁是采用箱型结构，为中间下凹的鱼腹结构，侧梁内部设置间隔板，间隔板的位置根据受力情况而定。
横梁采用无缝钢管，无缝钢管兼作空气弹簧的附加空气室。
车辆运行在各种工况下时，转向架构架会承受车体和其上部所有设备重量的垂向载荷，还有机车在运行时因振动引起的垂向附加动载荷。
构架还会承受车辆在运行时因牵引产生的牵引力和制动产生的制动力，当车辆在曲线上运行时，转向架构架还会受到离心力作用。
车辆在运行过程中，转向架构架会受到各种作用力。
因此，为了使车辆正常行驶，转向架正常工作，对于转向架构架的结构强度和刚度以及焊接强度都要有一定的要求，这样才能满足车辆日常的正常运行。
图2-2构架结构
1-侧梁；
2-横梁；
3-二系垂向油压减振器安装座；
4-一系弹簧安装座；
5-转臂定位安装座；
6-抗侧滚扭杆安装座；
7-电机悬挂座；
8-齿轮箱吊座；
9-制动安装座；
10-横向止挡座；
11-牵引安装座；
12-横梁辅助梁
2.2构架焊接原则
以下是对转向架构架焊接完成后的性能要求。
1.转向架构架总体符合GB/T7928-2003《地铁车辆通用技术条件》。
1）车辆走行部的性能、主要尺寸应该和所运行轨道相互协调，并保证其相关部件在允许磨损范围内，依然能使列车在最高运行速度时安全平稳的运行。
2）转向架构架结构强度试验须要满足UIC615-4的要求进行。
3）转向架构架结构应做能够改善内应力的处理。
2转向架动力学性能满足TB/T2360-93《铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定方法》。
3转向架构架安全可靠，经久耐用。
4转向架构架达到国内领先水平。
5转向架构架易于维护，长使用寿命30年。
构架在焊接时主要采用的焊接方法有141和135，其中141是指TIG焊（钨极惰性气体保护）；
135是指MAG焊（熔化极非惰性气体保护焊）。
在构架焊接时，侧梁上的对接焊缝点焊固定主要采用TIG直流正极性焊接，因为在对接焊缝除要求传力均匀、传力线不弯曲、应力分布均匀。
TIG焊的特点是工件焊后收缩小、变形小、电弧引燃容易、燃烧稳定。
由于它焊接速度慢，生产效率低、惰性气体氩气造价也比较贵，所以TIG焊接在构架的制造中很少使用。
在构架上焊缝的满焊时，都采用MAG焊接。
是一种富氩混合气体（CO2+Ar）保护焊。
相对于纯二氧化碳焊和氩气保护焊，MAG焊接能够保证焊接电弧稳定，且在短路过渡焊接时能够减少飞溅50%以上，正因为它的稳定，所以形成的焊缝也美观、均与，基本无氧化性，提高了焊接质量和工艺性。
对于对接焊缝的满焊在起落出会有缺陷，所以需要用引弧板。
如果采用纯CO2气体保护焊，由于它的热物理性质特殊，使用常规焊接电源时，焊丝端头熔化金属不可能形成平衡的轴向自由过渡，所以相对氩气保护焊飞溅多，焊缝不光滑。
增加了焊后的工作量，同时也降低了焊接质量。
如下图2-3，是两种气体焊缝的比较，可以看出CO2气体保护焊的焊缝质量相对氩气保护焊较高。
但是考虑到氩气价格较高，所以在构架焊接生产中采用富氩混合气体保护焊。
其中80%是氩气，20%是二氧化碳，在保证能够得到较好焊缝质量的情况下尽量降低生产成本。
图2-3左图为CO2气体保护焊，右图为氩气保护焊
对于焊丝的选择要根据坡口形式、焊接方式、焊接板的厚度、以及焊接电流大小来选择焊丝直径。
根据表2-1焊丝直径选择原则和焊丝直径与允许电流范围可以知道，因为构架侧梁板厚在10-12mm之间，焊接电流≤350A,所以侧梁焊接焊丝主要选用1.2mm的焊丝。
直径1.2mm的细焊丝适用于侧梁全位置焊接，因为在多层焊缝时，较小的焊丝操作上容易控制，焊接精细，焊缝质量高。
每道焊缝的熔量小，也有效的减小了焊接的热输入，焊后应力分布均匀，变形小。
表2-1焊丝直径与板厚和电流大小的选择关系
焊丝直径选择（mm）
焊丝直径与允许电流范围
焊丝直径
熔滴过渡形式
焊接板厚
焊接位置
焊丝直径（mm）
焊丝电流范围（A）
0.5-0.8
短路过渡
0.4-3.2
全位置
0.6
40-90
射滴过渡
2.5-4
水平
0.8
50-120
1.0-1.4
2—8
1
70-180
2—12
1.2
80-350
1.6
3—12
140-350
≥8
200-550
≥2.0
＞10
2.2.1转向架主要技术参数
该类型转向架为B型车的转向架。
在国内实际运营速度达到了120km/h，能够很好的满足当今城市的不断扩建以及人们对城市快速交通的运营速度要求。
南车集团株洲电力机车有限公司通过引进广州地铁3号线车辆SF2500型转向架，消化、吸收西门子的先进设计技术，进行自主化设计与制造的转向架，即ZMA120型转向架。
该转向架适用于国内最高运营速度为120km/h、最高运行速度为135km/h、最大轴重为14t的B型地铁。
其主要技术参数如下表2-2：
表2-2ZMA120型转向架主要技术参数
结构速度
135km／h
最大运行速度
120km／h
轨距
1435mm
转向架中心距
12600mm
固定轴距
2300mm
两侧梁横向中心距
2100mm
车轮直径
840mm（全磨耗770mm）
轮对内侧距（空载）
1353mm
轴重
≤14.5t
轮重偏差
≤±
2％
一系垂向刚度
1kN／mm
一系横向刚度
9kN／mm
一系纵向刚度
17kN／mm
转向架质量
5.9t
一系悬挂方式
螺旋钢弹簧
二系悬挂方式
空气弹簧
轴箱定位方式
转臂式定位
牵引力传递方式
牵引杆
基础制动方式
轮盘制动
联轴器
柔性齿式联轴器
转向架使用寿命
30年
2.3构架总体焊接流程设计
2.3.1构架侧梁焊接流程
构架侧梁主要由上下盖板、内外侧腹板、加强筋板、导柱等组成。
侧梁上除空气弹簧导筒为其他材料的无缝钢管外，其余材料均为16MnDR。
16MnDR属于低温压力容器钢板。
焊接侧梁时，选用4块钢板焊接成侧梁中部下凹的鱼腹形箱型结构（如图2-4所示）。
这种下凹的鱼腹形箱型结构具有刚性好、强度大、重量轻等的优点。
同时，侧梁梁中间设计成这样的下凹的形式是为了便于安装空气弹簧。
在侧梁上所有焊缝焊接坡口均采用机械加工形成。
图2-4构架侧梁
1-上盖板；
2-下盖板；
3-横梁安装孔；
4-内腹板；
5-节点座；
6-筋板
首先对侧梁的来料按要求进行检查，合格的完成侧梁组装焊接，通过侧梁焊接、机械手焊接、侧梁梁探伤调整和热处理，最终完成侧梁的焊接。
侧梁焊接流程如图2-5。
侧梁探伤及热处理整
机械手焊接或者手工焊接
侧梁焊接
侧梁组焊
来料检查
侧梁
成品
质量
检测
小件
组焊
图2-5侧梁焊接流程
2.3.2构架横梁焊接流程
构架横梁采用的是Q345E无缝钢管，因为Q345E无缝钢管的综合力学性能好，它的焊接性、耐腐蚀性能、冷热加工性能均好，并且具有良好的低温韧性。
横梁无缝钢管其直径为180mm，壁厚为10mm。
通过横梁安装孔与前腹板焊接，在横梁无缝钢管表面用酸洗磷化，其内腔还作为空气弹簧的附加空气室。
横梁上焊有牵引电机安装座、横向止挡安装座、制动器安装座和齿轮箱安装座座。
为避免应力集中，各安装座与横梁连接均设计为圆弧过渡连接。
其中基础制动安装座和牵引电机座安装座采用铸件。
横梁结构如图2-6所示。
横梁组成焊接采用的是半自动焊，在转向架构架焊接中，横梁的组焊是一个难点。
因为ZMA120型转向架构架横梁采用两根无缝钢管，横梁上小件组成多、结构复杂、焊接很容易变形、尺寸要求精度高，两横梁无缝钢管的相对间距和平行度，以及其上的各安装座位置和相对位置直接影响到下道工序与侧梁组装。
图2-6横梁焊接结构
1-无缝钢管；
2-电机安装座；
3-横向止挡安装座；
4-制动装置安装座；
5-牵引装置安装座；
6-齿轮箱安装座；
7-横梁辅助梁
横梁组焊工艺流程（如图2-7所示）是将横梁无缝钢管与横梁小件按照合理的顺序组装焊接起来的工艺过程。
通过横梁组焊、横梁焊接、机械手焊接、横梁探伤调整及热处理，最终焊接出符合生产要求的横梁。
机械手焊接或者手工焊
横梁焊接
横梁组焊
横梁探伤及热处理整
横梁成品
小件组焊
质量检检
图2-7横梁焊接流程
合理的安排焊接顺序和焊接工艺可以有效的控制焊接变形。
每条焊缝的焊道之间温度不得超过200°
C，横梁上的所有焊缝整体保持对称焊接。
先焊接横梁辅助梁与横梁的焊缝（10mm深坡口焊缝），将结构固定，这样可以增大横梁组成整体的刚度，有利于后续对各安装座的施焊。
具体焊接顺序为a1——a2——b1——b2——c1——c2（a为打底焊道，b为填充焊道，c为盖面焊道）（图2-8）。
图2-8横梁合成的焊接顺序
2.3.3转向架构架合成焊接流程
构架组成采用平台整体组对夹具，完成电机吊座，齿轮箱吊座，轴箱定位座等组对；
侧梁外部上、下盖板与侧立板焊缝和各种座的焊缝采用机械手进行焊接；
然后利用头尾架式三轴变位机手工焊接剩余焊缝。
转向架总体焊接流程主要是完成侧梁焊接、横梁焊接、小件焊接，最终合成整个构架的过程（图2-9）。
ZMA120转向架构架
入库
喷丸、油漆
小件焊接
质检
侧梁与横梁组焊探伤及热处理
图2-9ZMA120型转向架构架焊接流程
横梁与侧梁的对接形式主要是无缝钢管的横梁直接插入箱型结构的侧梁完成焊接，这种焊接形式属于T型焊，容易出现应力集中，焊丝填充量大，因此也容易导致连接处的变形。
把测梁组成和横梁组成吊入构架组装胎内组装。
首先进行点固焊，然后吊入构架焊接翻转胎进行后续焊接。
横梁组成与侧梁组成之间的焊缝填充量大，容易导致构架整体产生变形。
通过合理的焊接工艺和焊接顺序可以将焊接变形量控制在允许范围内。
以保证下道工序能够顺利进行，构架合成焊接具体焊接顺序为a1——b1——b2——a2（a1、b1为打底焊道和填充焊道，b2、a2为盖面焊道）。
焊接合成顺序如图2-10。
焊接完成之后对焊缝进行磁粉探伤和打磨，完成质检，合格后组装弹簧座板、空簧座板、气室组成、托板组成等构架上的小件。
图2-10构架合成焊接顺序
第3章ZMA120转向架构架侧梁焊接工艺设计
根据基础件要求检查来料板材及铸件表面质量，是否有油污或缺陷，焊缝周围20mm范围内须认真检查。
对于合格的来料都应
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