高速鐵路接觸網(wǎng)電連接線夾優(yōu)化方案研究

李凡強(qiáng)　呂茂勇

摘要：截至2018年底，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)13.1萬(wàn)公里，其中高鐵2.9萬(wàn)公里。電連接線夾作為電氣化鐵路接觸網(wǎng)的重要零部件，其服役性能關(guān)系整個(gè)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行安全。我國(guó)高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)中采用較多的是壓接式電連接線夾。電連接線夾對(duì)模具與材料的適配性要求很高，施工過(guò)程中很容易出現(xiàn)壓接不到位的情況，近幾年多條線路發(fā)生電連接線夾松脫事故。因此，對(duì)接觸網(wǎng)電連接線夾進(jìn)行分析及優(yōu)化改進(jìn)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：接觸網(wǎng);電連接線夾;有限元分析;模具設(shè)計(jì)

引言：文章主要圍繞現(xiàn)有C型承力索電連接線夾和E型接觸線電連接線夾進(jìn)行了有限元探究，針對(duì)工程實(shí)踐中存在的問(wèn)題，對(duì)新型承力索電連接線夾和新型接觸線電連接線夾進(jìn)行了結(jié)構(gòu)及功能優(yōu)化，提高了電連接線夾的服役性能。

1. 現(xiàn)有C型承力索電連接線夾分析及優(yōu)化

1.1邊界條件

承力索電連接線夾用于高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)中電連接線與承力索連接處，采用液壓工具進(jìn)行壓接。根據(jù)TB/T2075-2010，對(duì)該零件相關(guān)性能要求如下：（1）與承力索間的滑移荷重不小于2.0kN;（2）與電連接線間的滑移荷重不小于2.0kN;（3）振動(dòng)試驗(yàn)后，電連接線夾的滑動(dòng)荷重值與規(guī)定最小值相比下降不大于5%。

1.2有限元模型

本次研究以C型承力索電連接線夾為例。C型承力索電連接夾被壓接模壓接至規(guī)定尺寸后，為了研究零部件在滑移荷重條件下的應(yīng)力、應(yīng)變情況，計(jì)算的關(guān)注點(diǎn)為零部件的受力狀況，忽略與之相配合的線材的受力情況，故模型中的承力索以及電連接線均以外力的形式施加在與之相配合的表面上，以減少接觸，提高計(jì)算效率。

1.3計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，C型承力索電連接線夾壓接后，線夾本體左側(cè)的接觸區(qū)域節(jié)點(diǎn)相互侵入，產(chǎn)生了較大變形，線夾本體在左側(cè)接觸區(qū)域應(yīng)力和變形最大。線夾本體的最大等效應(yīng)力位于左側(cè)中間的接觸部位，為1500MPa。以上為施工裝配過(guò)程中壓接鉗對(duì)承力索電連接線夾的影響分析。線夾在遠(yuǎn)高于自身屈服強(qiáng)度應(yīng)力的影響下產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而對(duì)承力索及電連接線產(chǎn)生抱緊力。實(shí)際工況中，由于應(yīng)力已經(jīng)超出材料本身的屈服強(qiáng)度，材料發(fā)生塑性變形，實(shí)際應(yīng)力下降，由此導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，該力對(duì)于后期線夾服役時(shí)的穩(wěn)固性起到了很大的作用。在承力索與電連接線同時(shí)給予線夾大小相等、方向相反的拉應(yīng)力時(shí)，線夾在預(yù)緊力作用下受力情況良好，最大值為11.67MPa，低于其屈服強(qiáng)度，滿足實(shí)際使用要求。經(jīng)過(guò)數(shù)值分析，現(xiàn)有C型承力索電連接線夾從理論上滿足力學(xué)性能要求，但在工程實(shí)踐中承力索電連接線夾曾出現(xiàn)溫升稍大及個(gè)別滑動(dòng)荷重不足的情況。為了消除該情況，需合理增加電連接線夾的長(zhǎng)度。另外現(xiàn)有電連接線夾壓接模具設(shè)計(jì)不利于壓接定位，操作人員在高空進(jìn)行壓接操作時(shí)容易壓偏線夾，因此壓接模具需要進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。

1.4新型C型承力索電連接線夾優(yōu)化方案

根據(jù)現(xiàn)有C型承力索電連接線夾的缺點(diǎn)，對(duì)其提出如下改進(jìn)措施：（1）增加線夾長(zhǎng)度。新型C型承力索電連接線夾和現(xiàn)有結(jié)構(gòu)相比，截面不變，長(zhǎng)度由28mm增加至35mm，增加了線夾和線索間的接觸面積，降低了接觸電阻;（2）改進(jìn)壓接工藝。針對(duì)電連接線夾實(shí)際壓接鉛垂面內(nèi)定位不準(zhǔn)的情況，在電連接線夾壓接時(shí)，設(shè)置定位裝置及定位塊，使壓接模具在承力索軸向具有定位功能，壓接精度更高，壓接質(zhì)量更好。

2. 現(xiàn)有E型接觸線電連接線夾分析及優(yōu)化

2.1邊界條件

接觸線電連接線夾用于高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)中電連接線與接觸線連接處，使用液壓工具進(jìn)行壓接，壓接鉗插入卡子。根據(jù)TB/T2075-2010，對(duì)該零件相關(guān)性能要求如下：（1）與接觸線間的滑移荷重不小于2.0kN;（2）與電連接線間的滑移荷重不小于2.0kN。

2.2有限元模型

以E型接觸線電連接線夾為例，在裝配好接觸線的情況下被壓接模壓接的過(guò)程中為了研究其零部件的應(yīng)力、應(yīng)變情況以及在滑移荷重影響下的應(yīng)力情況，關(guān)注點(diǎn)為零部件本身的受力情況，不考慮壓接鉗等的受力情況，故模型中部分實(shí)物均采用簡(jiǎn)化模型或以等效力的形式代替，以減少接觸，提高計(jì)算效率[1]。

2.3計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，E型接觸線電連接線夾本體最大應(yīng)力位于與上壓接模接觸區(qū)域，在接觸區(qū)域邊緣應(yīng)力最大，同時(shí)位移也最大，另外線夾本體與下壓接模接觸區(qū)域應(yīng)力也較大。同時(shí)，線夾在遠(yuǎn)高于自身屈服強(qiáng)度的應(yīng)力影響下產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而對(duì)接觸線及電連接線產(chǎn)生抱緊力。實(shí)際工況中，由于應(yīng)力已經(jīng)超出材料本身的屈服強(qiáng)度，材料發(fā)生塑性變形，實(shí)際應(yīng)力下降，由此導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，該力對(duì)于后期線夾服役時(shí)的穩(wěn)固性起到了很大的作用。在接觸線與電連接線同時(shí)給予線夾大小相等、方向相反的拉應(yīng)力時(shí)，線夾在預(yù)緊力的作用下受力情況良好，最大值僅為47.01MPa，遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度，滿足實(shí)際使用要求。整體看來(lái)，電連接線夾壓接過(guò)程中的應(yīng)力分析值普遍偏大，其原因在于安裝過(guò)程中要求壓接鉗對(duì)零部件造成一定的塑性變形，從而使其產(chǎn)生對(duì)線材的抱緊力。壓接過(guò)程中的應(yīng)力分析普遍超過(guò)其屈服強(qiáng)度，而實(shí)際工況下的應(yīng)力分析以及滑移荷重下的應(yīng)力分析顯示，其應(yīng)力均能滿足使用要求，并留有較大裕度[2]。

2.4新型E型接觸線電連接線夾優(yōu)化方案

根據(jù)現(xiàn)有E型接觸線電連接線夾的缺點(diǎn)，對(duì)新型E型接觸線電連接線夾提出如下改進(jìn)措施：（1）線夾長(zhǎng)度由原有的30mm加長(zhǎng)至35mm，截面不變。（2）在接觸線軸向方向增加定位塊，定位塊與模具采用螺釘連接。增加定位卡子、接觸線和模具三者之間鉛垂面內(nèi)的定位裝置。接觸線電連接線夾及壓接模具方案見(jiàn)圖1。（3）定位塊材質(zhì)為Q235鋼板。（4）線夾與模具壓接面貼合，定位裝置與接觸線“V”字槽接觸，通過(guò)扣緊裝置夾緊定位。

結(jié)論：

簡(jiǎn)而言之，文章采用有限元分析方法，對(duì)現(xiàn)有C型承力索電連接線夾和E型接觸線電連接線夾進(jìn)行了分析。針對(duì)在工程實(shí)踐中溫升稍大及個(gè)別滑動(dòng)荷重不足的情況，對(duì)新型承力索電連接線夾和新型接觸線電連接線夾結(jié)構(gòu)及壓接模具進(jìn)行了優(yōu)化，提高了線夾的服役性能[3]。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T2074-2018電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件試驗(yàn)方法[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2018.

[2]蔣先國(guó).電氣化鐵道接觸網(wǎng)零部件設(shè)計(jì)與制造[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2019：1-142.

[3]侯日根.京滬高鐵接觸網(wǎng)零部件疲勞試驗(yàn)條件研究[J].電氣化鐵道，2017，28（6）：30-33+35.