淺談接觸網(wǎng)整體吊弦線夾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化與改進(jìn)

王玉環(huán)，張旭峰

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淺談接觸網(wǎng)整體吊弦線夾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化與改進(jìn)

王玉環(huán)，張旭峰

通過對2種接觸網(wǎng)承力索吊弦線夾結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析和對比，基于滿足吊弦線夾基本功能為前提，在力求結(jié)構(gòu)緊湊、自重輕、可靠性高等方面對原有吊弦結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化和改進(jìn)。

吊弦線夾；結(jié)構(gòu)受力分析；合理優(yōu)化和改進(jìn)；可靠性

0 引言

在電氣化鐵路接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)中，整體吊弦的作用是通過懸吊接觸導(dǎo)線保證每一處導(dǎo)線的高度、坡度均滿足設(shè)計(jì)要求。隨著列車受電弓在導(dǎo)線下高速滑動通過，吊弦線夾除承受螺栓緊固產(chǎn)生的外部應(yīng)力外，還承受由于導(dǎo)線振動、風(fēng)載等引起的周期性動態(tài)載荷，因此吊弦線夾的受力情況比較復(fù)雜，尤其是客專線路，行車密度大，該動態(tài)載荷對吊弦線夾的可靠性、結(jié)構(gòu)合理性等要求越來越高。同時，為了保證供電導(dǎo)線的彈性，確保機(jī)車良好的受流條件，要求吊弦線夾自重輕、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高。

1 原有整體吊弦結(jié)構(gòu)分析

1.1 整體吊弦結(jié)構(gòu)

以承力索吊弦線夾為例，其結(jié)構(gòu)見圖1。線夾總長度為50 mm，寬度28 mm，有效厚度11 mm。R圓弧用于夾持承力索導(dǎo)線；直徑F9、高度為9 mm的凸出部分作為支點(diǎn)，平衡夾緊力，同時吊弦線懸吊于該處；直徑F11通孔內(nèi)裝配M10不銹鋼螺栓，性能等級為A2-70，主要為線夾施加夾緊力。吊弦線夾裝配效果如圖2所示，單套零件質(zhì)量為 0.468 kg。線夾需要滿足夾緊后與承力索導(dǎo)線之間的滑動荷重不小于1.0 kN，吊弦線施加在線夾上的工作荷重為1.3 kN，最大垂直破壞荷重不小于 3.9 kN。根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，以上性能指標(biāo)均有較大安全裕度，吊弦線夾性能不合格通常是由應(yīng)力腐蝕不合格導(dǎo)致，主要是由于線夾螺栓連接孔處抗彎截面相對較小，承受螺栓緊固力最大，導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂集中于該處。

圖1 承力索吊弦線夾結(jié)構(gòu)

圖2 吊弦線夾裝配效果

1.2 靜態(tài)受力計(jì)算

綜上分析，采用受力計(jì)算考察零件承受最大彎曲應(yīng)力時是否超出了零件材料的耐受極限范圍。

先計(jì)算吊弦線施加于直徑F9、高度為9 mm的凸臺處的力，即對凸臺結(jié)構(gòu)的剪切應(yīng)力。由于直徑F9的凸臺為變截面結(jié)構(gòu)，取其最小截面直徑為F8。根據(jù)零件受力要求，該處最大剪切力為吊弦線承受最大破壞荷重3.9 kN，根據(jù)剪切力計(jì)算式可得

式中，A為最大破壞荷重，為承受剪切力的截面數(shù)量，0為凸臺最小截面直徑。

吊弦線夾所用材料為CuNi2Si，按GB/ T20078-2006標(biāo)準(zhǔn)中狀態(tài)為H150的CuNi2Si材料屈服極限強(qiáng)度s為340 N/mm2，又據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊許用應(yīng)力計(jì)算方法，塑性材料基本安全系數(shù)s取1.5，折減系數(shù)取1.2，則許用應(yīng)力為

由此看出j＜p，因此在吊弦線夾凸臺處懸掛吊弦線是安全的。

根據(jù)零件安裝后承受螺栓緊固力的情況，將圖2進(jìn)行受力模型簡化，其應(yīng)力與彎矩如圖3所示。

圖3 應(yīng)力及彎矩示意圖

集中荷載為M10螺栓在標(biāo)準(zhǔn)緊固力矩下產(chǎn)生的軸向緊固力，根據(jù)TB/T2073-2010標(biāo)準(zhǔn)得知，A2-70級M10螺栓標(biāo)準(zhǔn)緊固力矩c= 25 N·m = 25 000 N·mm，則軸向緊固力為

則C處截面彎矩為

C處截面抗彎系數(shù)為

式中，、分別代表抗彎截面的厚度和寬度。

則C處截面承受的彎曲應(yīng)力為

由此得知，C處截面最大彎曲應(yīng)力僅略小于許用應(yīng)力，而在實(shí)際中，由于原材料化學(xué)成分控制誤差、制造誤差、施工安裝誤差等方面的原因，在C處出現(xiàn)偶發(fā)性應(yīng)力開裂在所難免。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)

2.1 改進(jìn)方案

從上述受力計(jì)算分析可以看出，原有結(jié)構(gòu)的整體吊弦線夾總長50 mm，螺栓孔到兩邊支點(diǎn)的距離為18.5和14 mm。改善最大彎曲截面受力狀況有3個途徑，一是增加線夾寬度和厚度，以增大截面積，提高抗彎能力，但會增加線夾的重量；二是采用更小規(guī)格或性能等級的螺栓，如采用M8螺栓替代現(xiàn)有的M10螺栓，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法無法滿足線夾與導(dǎo)線之間滑動荷重不小于1.0 kN的要求；三是在不影響裝配功能的前提下縮短線夾長度，減小彎矩，既可減輕零件重量，還可改善接觸網(wǎng)彈性。

經(jīng)分析以上3種途徑的利弊，最終確定按第3種思路對零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。首先，增加吊線環(huán)，調(diào)整吊弦線懸吊位置，既可避免因零件長度方向縮減帶來的吊弦線與螺栓等其他裝配零件干涉，又解決了吊弦線懸掛在線夾本體上長期摩擦對線夾本體造成的磨損。其次，對螺栓孔到承力索懸掛處和凸臺支撐點(diǎn)進(jìn)行縮減調(diào)整，線夾本體總長縮減至42 mm，平均有效厚度保持不變，改進(jìn)后的零件質(zhì)量減輕至0.291 kg。改進(jìn)后的零件結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 改進(jìn)后零件結(jié)構(gòu)

2.2 改進(jìn)后零件受力分析

按照1.2節(jié)所述靜態(tài)受力計(jì)算方法對改進(jìn)后的零件進(jìn)行受力分析，計(jì)算C處截面的應(yīng)力。

C處截面彎矩為

C處截面抗彎系數(shù)x不變，仍為529.83 mm3，則C處截面承受的彎曲應(yīng)力為

通過計(jì)算可以得出，改進(jìn)后的吊弦線夾最大彎曲截面應(yīng)力小于材料本身的許用應(yīng)力，且有較大的安全裕度，因此在理論上解決了吊弦線夾應(yīng)力腐蝕開裂的缺陷。

2.3 有限元分析

對改進(jìn)后的零件按照實(shí)際使用狀況添加約束條件進(jìn)行有限元分析。

在圖5所示約束條件及加載方式下，進(jìn)行單元格劃分，通過有限元分析得到應(yīng)力分布圖（圖6）及應(yīng)變分布圖（圖7）。從有限元分析結(jié)果明顯可以看出，整體吊弦線夾在標(biāo)準(zhǔn)緊固力矩下最大應(yīng)力未超過許用應(yīng)力，零件也未出現(xiàn)明顯的應(yīng)變變形，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

將性能等級為A2-70，規(guī)格M10的螺栓按照標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)緊固力矩安裝，進(jìn)行產(chǎn)品安裝后的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

圖5 約束條件及加載方式

圖6 應(yīng)力分布圖

圖7 應(yīng)變分布圖

表1 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語

僅采取增重、加厚等措施提高整體吊弦類產(chǎn)品的可靠性是不盡合理的，不恰當(dāng)?shù)募娱L加大，還可能導(dǎo)致產(chǎn)品可靠性下降。類似整體吊弦類產(chǎn)品在機(jī)車受電弓高速通過時，導(dǎo)線瞬間抬升，自重越大的產(chǎn)品重力加速度越大，由此產(chǎn)生的接觸網(wǎng)硬點(diǎn)則更為明顯。本文通過對整體吊弦線夾結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，通過靜力計(jì)算分析得出，改進(jìn)后的零件結(jié)構(gòu)更加緊湊，最大彎矩截面承受的彎曲應(yīng)力比改進(jìn)前下降了11.3%，零件重量下降了37.8%，零件各項(xiàng)性能指標(biāo)及產(chǎn)品的可靠性得到加強(qiáng)。因此，在保證產(chǎn)品安全可靠的前提下，采取結(jié)構(gòu)緊湊、輕量化設(shè)計(jì)的思路是非常必要的。

[1] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[2] TB/T 2073 -2010 電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件技術(shù)條件[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[3] TB/T 2074 -2010 電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件試驗(yàn)方法[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[4] TB/T 2075 -2010 電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件[S]. 北京：中國鐵道出版社，2010.

By means of analysis of force and comparison of two types of clamp structures of messenger wire droppers of OCS, with meeting the basic functions of dropper clamps as a pre-condition, and with pursuance of compact, light weight, and high reliable structure, the existed dropper structure has been optimized and improved for achieving of compact, light weight and reliable dropper structure.

Dropper clamp; analysis of structure force; rational optimization and improvement; reliability

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.012

U225.4+8

B

1007-936X(2018)05-0044-03

2018-02-08

王玉環(huán).中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，高級工程師；

張旭峰.中鐵電氣化局集團(tuán)寶雞器材有限公司，工程師。