铁路货车转向架用摇枕铸造凝固模拟及工艺优化.pdf

铁路货车转向架用摇枕铸造
凝固模拟及工艺优化

北京交通大学机械与电子控制工程学院闷王鸽鸽韩建民李卫京杨智勇王金华

。
一、概述,摇枕的三维铸件如图所示首先在幻

,
铸件凝固过程的模拟仿真是科学发展的前沿,是改,中建模和划分面网格然后利用,与

,
造传统铸造业的必由之路。经过数年的发展,铸件凝固之间的通用接口将划分好的有限元面网格导

。,
过程的模拟仿真已发展到工程实用化阶段,相关的应用人中进行体网格的划分在进行剖分时由于

,,
软件已经研发成功,如、、华铸及中铸件的体积大需选择合适的剖分参数既要保证计算

,,,
华之星等,并得到了广泛应用如在北京二七的精度又不能使网格数量太多以节省运算时间便

。,,
车辆厂、青岛四方铸钢厂和齐齐哈尔车辆厂得到应用。于调试模拟计算中铸件面网格尺寸取冷铁

,,
是一种基于有限元理论的通用数值模拟软件,取砂型取最终整个模型共划分为
用于辅助铸造工艺设计和优化,通过数值模拟和物理模个节点和个单元。
拟相结合的方法,实现了计算机模拟生产,动态显示工
艺历程,预测缺陷,辅助工艺改进,最终能够达到控制
铸件质量的目的。
摇枕是铁路货车转向架上重要铸钢件之一,在满足
强度的条件下,通过改变摇枕结构,减少其重量是实现
货车轻量化并提高运载能力的有效方法。摇枕结构复
杂,主要采用铸造工艺方法生产,且铸造工艺较为复
杂,当铸件结构改变时,铸造工艺必然要进行相应的调
整。目前工厂大多采用建立在大量试验基础上的试错法

,。
来确定摇枕的铸造艺生产成本高且生产周期较长图摇枕的三维铸件图
本文利用软件对结构改变后摇枕的凝固过热物参数的选择

,,
程进行了数值模拟并根据模拟结果预测缺陷指导工摇枕自年开始采用的级钢其成分要

。,
艺改进在模拟结果的指导下工厂以较短的时间和较求在印一中规定为、,,

。
低的成本生产出了质量合格的摇枕铸件、,、、翻。

、
二摇枕的摸拟建模鉴于目前级钢的参数不齐全,在本模拟中采用
,摇枕的建模和网格划分软件数据库中与级钢极为相近的钢种
模拟计算中三维图形的建立采用通用建模软件,采用该钢种的原因如下

拓城,群热加工,、、。
洲厅旧动仍妇口】
。
根据经验,模拟计算的精度主要取决于碳和锰—充型时间,
的含量,其他化学成分的影响较小。一个摇枕铸件及浇冒口的重量为肤
巧钢种的各项热物参数齐全,有利于保浇道横截面面积

二二·二二
证模拟精度。模拟所需的参数一般包括导热系数、密
度、比热、固相分数、固相线温度、液相线温度、结晶二二二
潜热和粘度,该钢种的热物参数见表。造型用砂为石摇枕实际充型时间是一钢液的密度取

。
英砂,其热物参数见表。,了,
衰份巧龙钢的热物今数由以上数据可以计算出摇枕的充型速度

。二。。。二
温度加《洲

、
℃三原工艺新结构的摇枕徽拟结果
度
密首先采用旧工艺对改进结构后的摇枕进行凝固模拟
计算,模拟计算的浇注时间为,与实际浇注时间
·一
一基本相符。图是两个不同凝固时刻的温度场计
导热
算结果,用等固相线法所预测的缺陷分布模拟计算结果
系数
如图所示。图表明冒口下部的凝固顺序不尽合理,

、
·可能形成缩孔缩松缺陷图表明摇枕上部的冒口补

,,
一
比热缩能力不足铸件内有较严重的缩松缺陷为此需对工
艺加以改进。

·

潜热

·

备注液相线温度为℃,固相线温度为℃

表砂的热物参数

温度

导热系数

·

比热·

密度’一’

边界条件
考虑到模型的对称性,摇枕计算模型的边界条件包
括两个面对称边界条件,即取摇枕的建模,浇注温
度℃。充型速度的计算如下
充型速度由下式确定

公·尸·

,
式中。—铸件的重量
,
—浇道横截面面积
,
,—充型速度耐
,
—钢液的密度梦澎

么城热加工
神明甲曰为们台〕刀“

“耐

。
口中,凝固顺序变得更为合理构提供重要的技术支持。利用软件模拟计算了

,
为分析局部区域凝固顺序的情况在摇枕上取如图摇枕侧架的原结构和铸造工艺条件下的凝固温度场,准

。。
所示的个点图中各点的温度曲线如图所示确预测了缺陷位置,验证了模拟技术的可靠性。

,、
由图可知凝固顺序为,点优先凝固模拟的计算结果表明,采用新工艺铸造的

,。
凝固保证了弯曲处铸件组织的致密性图中各点结构改进后摇枕比旧工艺生产的结构改进后的摇枕具有

、。
的温度曲线如图图所示更高的质量。新工艺生产的摇枕内部无明显的缩松、缩
孔缺陷,生产实践中经对铸件的探伤和关键部位的解剖
也证实了这一结论。
加大摇枕冒口尺寸,再将侧壁三角筋尺寸加
大,可获得更好的补缩效果,保证缺陷转移到冒口内,

,。
进一步改善了凝固顺序避免了缺陷的产生肠
巧

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我公司原来生产的左、右半气封环和下半