铁路罐车罐体成形关键技术研究

摘要

铁路罐车罐体结构零部件是罐车关键承载零部件，其制造加工质量直接关系到罐车运行安全和可靠性。罐车罐体主要包括封头和筒节两大关键零件。罐体制造加工工艺主要包含封头冲压成形、筒节滚压成形等塑性加工成形过程，以及坯料制备过程中的对接焊接和罐体组装过程中的焊接加工工艺过程。目前，由于铁路罐车罐体尺寸大、材料厚度较厚，制造企业对罐体封头冲压、筒节滚压及其相关焊接工艺规程的制定基本还是依靠传统模式进行，即根据经验和实验试制调整工艺参数来开展新产品的开发和研制。该方法极大的提高了产品研制的成本，且生产效率极为低下。而且传统罐体制造工艺方法对罐体制造过程中可能出现的质量缺陷及其对罐体后期运行中的安全影响无法进行预测和控制。因此，在罐体制造加工中引入并使用先进的成形工艺研究手段十分必要。本文采用以罐体成形理论分析为基础，使用有限元数值模拟和实验相结合的方法，对罐体制造加工工艺过程展开系统而深入的研究。本文主要研究内容和研究结论如下:
　　(1)进行罐体材质Q345R材料性能研究。Q345R材料是罐车罐体常用材料，其也是压力容器专用钢板。采用试验的方法对Q345R母材试样和对接焊试样材料进行拉伸试验、弯曲试验和冲击试验。试验表明，Q345R材料有良好的塑性成形性能。
　　(2)试验对比研究罐体封头成形工艺。铁路罐车封头由于尺寸大、材料厚，其塑性成形加工难度大。为保证既能顺利成形封头，又能保证良好的产品性能和质量，采用试验的方法，分别使用冷冲压工艺、热冲压工艺和旋压工艺进行封头塑性成形加工。试验表明，热冲压封头成形方便，但成形后产品形状尺寸变化大，且需要加热等附属设备;旋压封头成形表面质量较差，成形效率较低，仅适合单件试制;冷冲压封头尺寸稳定，产品质量好，但成形载荷大。综合比较分析表明，采用冷压工艺进行铁路罐车封头加工能更好的保证罐车的加工质量和运行安全，因此采用冷拉延成形工艺进行罐车封头大批量制造。
　　(3)对封头冷拉延成形过程进行有限元模拟分析。大型封头的冷拉延成形过程中，型面回弹和起皱是其主要成形缺陷，而拉延筋是控制其成形缺陷的重要工艺措施。根据椭圆形封头成形特性和要求，设计了圆形筋、矩形筋展开拉延成形分析，并和无拉延筋的成形工艺进行比较。对比分析表明，矩形拉延筋能更有效的保证封头成形质量。
　　(4)展开封头拉延成形重要工艺参数，如摩擦系数、压边力、凸凹模间隙等对成形过程的影响进行了研究。封头成形工艺参数要既能保证产品成形质量，又能节约设备吨位，降低能耗。研究表明，压边力和模具间隙对成形载荷和成形质量影响明显。过小间隙使得成形载荷急剧上升，但成形后回弹较小，产品无明显起皱和鼓包成形缺陷;压边力过小则造成起皱明显，材料无法顺利转移到模内，亦使得成形载荷急剧上升。根据研究结果，得到封头成形时合理的压边力、凸凹模间隙等成形工艺参数。
　　(5)筒节滚弯成形数值模拟分析。使用有限元法对筒节滚弯渐进塑性变形过程进行研究。研究表明，筒节成形过程中摩擦系数等工艺参数对成形有重要影响。
　　(6)封头拉延模具磨损分析。封头拉延成形过程中，模具成形表面，尤其是小圆角型面的磨损是影响模具寿命的主要因素。对拉延模具成形过程中的模具受力及磨损的模拟分析表明，合理设置模具工艺参数能延长模具寿命，进而降低产品制造成本。
　　(7)罐体制造中的焊接分析。罐体加工时，涉及的主要焊接问题是封头坯料制备时的厚板对接焊，筒节滚弯成形后的对接焊以及筒节、封头的组装焊接。封头制备时的对接焊，直接影响封头塑性冲压加工，尤其是焊后残余应力对冲压有一定的影响。筒节对接焊残余应力也对焊后滚弯校形有一定的影响。使用焊接数值模拟技术，对厚板焊接过程进行分析。研究表明，焊接焊后高残余应力区主要在焊缝区，可通过时效处理和退火来降低焊缝区残余应力。罐体总装时高残余应力也主要集中在焊缝区，其将对焊后变形有一定的影响。通过合理的焊接顺序的设置，可适当降低焊接残余应力和变形。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究意义

1．2 铁路罐车成形国内外研究现状

1．2．1 大型封头成形国内外研究现状

1．2．2 筒节成形国内外研究现状

1．2．3 罐体组装工艺研究现状

1．3 研究目标与主要研究内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 主要研究内容

第2章 铁路罐车封头成形研究

2．1 封头成形工艺方法试验研究

2．1．1 封头成形常见工艺方法

2．1．2 冷压、热压、旋压封头成形工艺对比试验

2．1．3 封头成形方法试验结论

2．2 封头拉深成形理论分析

2．2．1 封头拉深成形理论

2．2．2 拉延筋作用机理

2．3 罐体冲压成形模拟分析有限元理论

2．3．1 有限元法基础

2．3．2 弹塑性有限元法

2．4 罐体材料Q345R材料性能

2．5 封头冲压成形过程模拟分析

2．5．1 封头拉延成形2D有限元模型

2．5．2 封头成形结果分析

2．5．3 封头拉延成形过程中材料厚度变化分析

2．6 封头冲压成形过程拉延筋影响研究

2．6．1 封头拉延成形3D有限元模型

2．6．2 封头冲压成形模拟结果分析

2．7 本章小结

第3章 铁路罐车封头成形工艺参数优化分析

3．1 摩擦系数对封头冲压成形的影响研究

3．2 成形工艺参数对封头成形质量的影响研究

3．2．1 压边力对封头成形质量影响

3．2．2 凸凹模间隙对封头成形质量影响

3．2．3 模具入口圆角对封头成形质量影响

3．3 封头拉延实验分析

3．4 本章小结

第4章 铁路罐车封头成形模具失效研究

4．1 模具失效研究理论基础

4．1．1 模具常见失效形式

4．1．2 模具磨损的形成机理

4．1．3 磨损分析基本理论模型

4．1．4 模具磨损的影响因素

4．2 封头冲压成形模具应力应变分析

4．2．1 凸模应力应变分析

4．2．2 凹模应力应变分析

4．2．3 压边圈应力应变分析

4．3 封头冲压成形模具磨损分析

4．3．1 封头拉延模具零件磨损分析

4．3．2 工艺参数对封头拉延模具零件磨损影响

4．4 本章小结

第5章 铁路罐车筒节滚弯成形研究

5．1 筒节滚弯成形工艺分析

5．1．1 筒节压弯成形工艺分析

5．1．2 筒节滚弯成形工艺分析

5．2 筒节滚弯成形模拟分析

5．2．1 筒节滚弯工艺制定

5．2．2 筒节成形有限元模型构建

5．3 筒节滚弯成形模拟分析

5．3．1 筒节变形过程中应力分析

5．3．2 筒节成形过程中等效应变分布

5．3．3 滚轮作用力分析

5．4 滚弯工艺参数对筒节成形影响

5．4．1 摩擦因素对筒节成形质量的影响

5．4．2 成形辊旋转速度对筒节成形质量的影响

5．5 本章小结

第6章 铁路罐车罐体焊接成形模拟分析

6．1 焊接成形过程数值计算理论基础

6．1．1 焊接模拟分析简化

6．1．2 焊接热传导理论基础

6．1．3 焊接过程热弹塑性理论基础

6．1．4 焊接热源模型

6．2 罐体材料热物理性能

6．3 封头坯料焊接过程瞬态分析

6．3．1 30mm厚板封头焊接成形

6．3．2 10mm厚板封头焊接成形

6．4 封头筒节对接焊焊接过程瞬态分析

6．4．1 封头筒节对接焊焊接过程瞬态分析

6．4．2 筒节对接焊焊接顺序对焊接质量影响

6．4．3 简节对接焊分析小结

6．5 罐车罐体组焊焊接过程瞬态分析

6．5．1 罐体组焊工艺方案设计

6．5．2 罐体组焊有限元模型

6．5．3 罐体组焊模拟分析结果

6．5．4 罐体组焊工艺方案比较分析

6．6 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果