铁路货车制动管焊后残余应力测试

制动管系是铁路货车制动系统的重要组成部件，其连通着制动系统各个阀体，起到传递制动压力的作用。目前，我国铁路货车制动管接头体与制动管管体采用焊接形式相连接，由于制动管结构特点和焊接热作用不均匀等因素，导致制动管焊后会产生较高的残余应力，从而影响制动管的静载荷强度、疲劳强度、抗应力腐蚀性、刚性和稳定性。车辆运行过程中，在外界载荷的作用下，制动管焊趾附近多次发生疲劳断裂破坏，会危及行车安全。因此，有必要对焊后的制动管进行残余应力测试，了解残余应力大小并改进焊接工艺，降低制动管焊后残余应力。

本文以脱轨阀制动管为研究对象，采用钻孔残余应力测试方法，对原焊接组装工艺条件下的制动管进行残余应力测试，分析其产生较大残余应力的原因，并对焊接工艺进行改进。

残余应力测试方法

试验中选用JHBX120-3C应变片，应变片敏感栅中心连接圆直径D=10mm，钻孔中心到应变片敏感栅近孔端和远孔端的距离分别为r1=3.45mm和r2=6.55mm，钻孔中心和应变花敏感栅中心连接圆圆心设置在距离焊趾15mm处。测试设备采用南京聚航科技有限公司的JHMK残余应力测试系统，由JHYC静态应变仪和JHZK-L残余应力钻孔装置组成，多点测量，全软件操作，自动实时计算残余应力，测量结果准确，精度高。

根据GB/T31310-2014规定，由于制动管壁厚为2.5mm，小于应变花敏感栅中心连接圆直径D=10mm，故制动管为薄工件，对薄工件一般应钻通孔。钻孔时，采用转速为2440r/min的低速钻通孔法进行残余应力测试，钻孔直径为φ2mm，测试步骤如下：

1. 将粘贴好应变片的制动管装夹在钻孔装置上；

2. 将测试导线连接至静态应变仪上，进行参数设置、应变清零、数据采集。

3. 启动钻孔装置，一直钻透单侧管壁；钻透后，退出钻头，关闭钻孔装置。

4. 保持试件不动，等待数据变化，直至3个方向的应变值平稳后，停止采集数据，保存数据。

测试结果分析

这次试验中，对3个制动管试件进行了残余应力测试，图1为其中一个制动管钻孔和等待数据平稳时的3个应变片的时域响应信号，加工应变在300με左右，与标准中描述一致，最终3个方向的应变值均平稳。

3个试件的残余主应力及主应力方向角计算结果表明，最大压缩主应力达到95-201MPa左右，方向与管身母线成12°-23°左右，3个试件的残余主应力方向角分布范围如图2。制动管焊后产生较大残余应力的主要原因是制动管焊接冷却后，焊缝长度缩短，致使焊缝产生了径向收缩变形，焊缝附近的管身母线方向上产生弯曲压应力。同时，焊接过程中，管身受焊接热作用后产生变形。根据现在的焊接组装工艺，管身端头面与接头体内部的台阶面是相接触的，这限制了管身端部的自由伸长，加剧了焊缝处的径向收缩变形，导致焊缝附近产生了较大的残余压应力。由于接头体和管身通过焊缝连接，焊缝阻止制动管管身产生径向收缩变形，焊趾处相应的也会产生较大的残余拉应力。在外载荷的作用下，二次应力的作用，使得管身侧的焊趾承受的最大拉应力增大，加大了焊趾处疲劳破坏的概率。

为了解决焊接过程中管身端部自由伸长收到约束的问题，改进管身和接头体组装工艺，在管身端部与接头体内部台阶面之间预留一定的间隙。

结论

铁路货车制动管原焊接组装工艺，由于制动管管身端部在焊接热的作用下伸长变形受到约束，加剧了焊缝处的径向收缩变形，导致焊缝附近产生较大的残余压应力，残余应力以平衡状态存在于制动管中，使得制动管管身侧焊趾处产生相应的较大残余拉应力，在外载荷作用下，由于二次应力的作用，使得焊趾处承受了较大的拉应力，易产生疲劳断裂，严重影响列车的运行安全。