接地線用快速夾軌裝置研究

史永革，安 濤，李 輝，李奕超，王 浩

0 引言

在接觸網(wǎng)檢修作業(yè)中，掛接地線是被廣泛使用的末端防護(hù)方式，按照相關(guān)規(guī)定[1]，接地線接地端應(yīng)通過專用線夾（接地靴）與鋼軌牢固可靠連接，且連接前需用鋼刷打磨鋼軌與線夾連接處表面以去除污垢，連接后接地電阻應(yīng)符合安全規(guī)定。

1 接地靴存在的問題

目前，接地線接地端專用線夾（接地靴）采用梯形螺紋緊固方式與鋼軌連接，夾緊接觸面為鋼軌一側(cè)軌底及軌底上部兩側(cè)斜面端頭。從接地靴結(jié)構(gòu)（圖1）上看，其總成由固定桿件、移動套筒組件、螺母、墊片組成，其中固定桿件呈“L”形（L形螺桿），橫截面為圓形，水平段一側(cè)有外螺紋，移動套筒組件呈反“L”形，二者之間的開合通過套筒后部的緊固螺母在固定桿件上左右旋進(jìn)、旋退實現(xiàn)。由于不同型號軌底上部斜面斜度存在差異，造成實際夾緊接觸位置存在差異。

圖1 接地靴總成結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)場應(yīng)用中，接地靴暴露出以下問題：夾緊、松卸鋼軌時無效作業(yè)時間長，見圖2。受結(jié)構(gòu)影響，只有當(dāng)L形螺桿上端A點(diǎn)和移動組件反“L”上端B點(diǎn)之間間距達(dá)到或略小于軌底寬度時，線夾才能從下向上水平或斜向包容住鋼軌，且夾緊過程中移動組件無效夾緊移動距離過長。而松卸鋼軌時，操作順序相反，移動組件無效移動距離過長的情況同樣存在，從而產(chǎn)生了較長無效作業(yè)時間。

圖2 接地靴A點(diǎn)和B點(diǎn)間距變化范圍

2 研究目的及途徑

針對接地靴夾緊、松卸鋼軌時無效作業(yè)時間長的問題，設(shè)想通過改變夾軌接觸面位置，設(shè)計新型夾軌裝置，以實現(xiàn)快速夾軌目的。

在鋼軌橫截面上，各型鋼軌軌底兩側(cè)均為豎直面，其高度各型鋼軌不同，但均在10 mm以上，因此可以考慮將其與軌底面共同作為夾軌接觸面。各型鋼軌橫截面見圖3，其中各型軌底寬度尺寸極限偏差均為-1.5～1.0 mm[2]。

圖3 各型鋼軌橫截面（單位：mm）

3 快速夾軌裝置設(shè)計

以各型鋼軌軌底兩側(cè)豎直面和軌底面作為夾軌接觸面，利用圓偏心式凸輪和棘輪機(jī)構(gòu)所具備的短行程、連續(xù)往復(fù)等快速特性，分別設(shè)計新型夾軌裝置。

3.1 圓偏心式凸輪快速夾緊裝置設(shè)計

圓偏心式凸輪（以下簡稱凸輪）快速夾軌裝置結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 圓偏心式凸輪快速夾軌裝置結(jié)構(gòu)

圖4中，凸輪快速夾軌裝置總成由擋塊、底板、頂桿座、凸輪座等部件通過焊接連接組成。裝置通過固定擋塊和移動頂桿實現(xiàn)夾軌功能，頂桿由凸輪快速推動并實現(xiàn)夾緊后自鎖。由于凸輪偏心量小，頂桿移動距離有限，僅能實現(xiàn)對軌底寬度相同的不同型號鋼軌夾緊，即該凸輪快速夾緊裝置根據(jù)頂桿長度的不同可分為50型和60（75）型，分別適用于50軌、60（75）軌。圖中磁鐵的功能是在夾緊前可使裝置快速吸合在軌底定位，方便單手操作凸輪手柄實現(xiàn)快速夾緊。

3.1.1 夾緊力計算模型

圓偏心夾緊實質(zhì)是一種曲線形楔塊夾緊，計算凸輪的夾軌力時，假設(shè)凸輪的工作情況與直線形楔塊夾緊相似，便可計算出夾軌力大小。這種假設(shè)的計算方法是一種近似算法，但其精度已足夠滿足實際應(yīng)用要求[3]。

計算模型見圖5。凸輪夾緊頂桿時，凸輪體受力包括手柄上的作用力Q、轉(zhuǎn)軸處反作用力R1以及頂桿反作用力R2。P點(diǎn)為夾緊頂桿作用點(diǎn)。

圖5 夾緊力計算模型

圖中Δmng為一假想楔塊，楔塊受力包括轉(zhuǎn)軸處反作用力R1、頂桿反作用力R2以及Q′。Q′為作用在假想楔塊上的外力，由手柄上的作用力Q產(chǎn)生。手柄上的作用力Q對轉(zhuǎn)軸中心O點(diǎn)產(chǎn)生的力矩為Q·L，由O點(diǎn)將該作用力傳至P點(diǎn)，力矩為Q′·ρ（|OP| =ρ），兩力矩平衡，即

對于假想楔塊，由水平方向靜力平衡可得

因自鎖時的α很小，所以cosα≈1，則

另由垂直方向靜力平衡可得

因自鎖時的α很小，所以sinα≈0，則N1與N2大小相等，方向相反。則

式中：L為手柄的長度，mm，設(shè)計取160 mm；Q為作用于手柄上的力，N，設(shè)計取150 N；N1為轉(zhuǎn)軸處反作用力R1的垂直方向分力、N2為頂桿反作用力R2的垂直方向分力；ρ為回轉(zhuǎn)中心O距夾緊點(diǎn)P的距離，即回轉(zhuǎn)半徑，mm；α為凸輪夾緊點(diǎn)P的升角，°；φ1為凸輪體對轉(zhuǎn)軸的摩擦角，通常φ1= 5°43′（此時tanφ1= 0.1）；φ2為凸輪體對頂桿表面的摩擦角，通常φ2= 8°30′（此時tanφ2= 0.15）。

3.1.2 夾緊力計算

在夾緊過程中，隨著手柄轉(zhuǎn)動，凸輪上的夾緊點(diǎn)P是變化的，因此α、ρ也是變化的。但在實際使用中，通常取圖5中所示P點(diǎn)位置左右夾角30°～45°的對稱部分為工作部分，因為這一段α變化小，夾緊力較穩(wěn)定，同時行程較大，適用于需要自鎖的夾緊范圍較大而夾緊力相對較小的場合，可以滿足鋼軌軌底寬度存在尺寸偏差的實際工況。

當(dāng)取圖5中所示P點(diǎn)左右夾角30°～45°的對稱部分作為工作部分時，相當(dāng)于凸輪的工作角度β為60°～90°。凸輪的工作角度β見圖6，圖中夾緊行程S=esinβ。

圖6 凸輪夾緊工作角度β范圍示意

當(dāng)凸輪的工作角度β= 60°時：

式中：e為偏心距，mm，根據(jù)軌底寬度尺寸極限偏差，設(shè)計取2.5 mm；D為圓偏心凸輪直徑，mm，根據(jù)自鎖條件D≥(14～20)·e，設(shè)計取D= 20e，即50 mm。

將數(shù)據(jù)代入式（4）～式（6），得α= 2.635°，ρ= 27.19 mm，N2= 2974 N。

同理，當(dāng)β= 90°時，計算得α= 0°，ρ= 27.5mm，N2= 3491 N，此時夾緊行程S= 2.5 mm。

3.2 棘輪（齒輪）式快速夾緊裝置設(shè)計

3.2.1 裝置結(jié)構(gòu)

棘輪（齒輪）式快速夾緊裝置結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 棘輪（齒輪）式快速夾軌裝置結(jié)構(gòu)

棘輪（齒輪）式快速夾緊裝置總成由固定擋塊、矩形齒條、彈簧座、壓縮彈簧、齒輪（棘輪）、棘輪箱等部件組成。裝置通過固定擋塊和移動彈簧座1實現(xiàn)夾軌功能。夾軌時，手柄向左推動，棘爪推動齒輪（棘輪）轉(zhuǎn)動一個齒，由于齒輪齒條嚙合關(guān)系，帶動棘輪箱沿固定齒條向左移動一個齒距，棘輪箱推動彈簧座2壓縮彈簧，彈簧發(fā)生變形后再將力傳遞給彈簧座1，至此完成一個齒距夾緊位移。此后，在止退棘爪的作用下，手柄可快速返回初始位置，即可進(jìn)行下一次夾緊位移。如此循環(huán)反復(fù)，最終完成夾軌作業(yè)。松卸鋼軌時，手柄向右推動，壓住止退棘爪，在彈簧回復(fù)力作用下即可快速完成卸載作業(yè)。圖中壓縮彈簧的主要功用相當(dāng)于無極調(diào)節(jié)單元，可確保任一小于單個齒距夾緊位移的實現(xiàn)。磁鐵的功能是在夾緊前可將裝置快速吸合在軌底定位，方便單手操作棘輪手柄實現(xiàn)快速往復(fù)夾緊。

該裝置可適用于50軌、60（75）軌的快速夾緊，60（75）軌夾緊后狀態(tài)見圖7。圖中棘輪（齒輪）設(shè)計參數(shù)：模數(shù)m= 1.75 mm，齒數(shù)z= 18，齒寬b= 25 mm，分度圓直徑d齒= 31.5 mm，材料為20CrMnTi，滲碳淬火，齒面HRC57～HRC62，齒心HRC30～HRC45。

假定作用于手柄上的最大推力P= 300 N（估計值），作用力臂L= 180 mm，則產(chǎn)生的最大力矩為54 N·m，根據(jù)力矩平衡，齒輪承受的最大力矩Tmax= 54 N·m，則齒輪輪齒承受最大嚙合力3429 N，為便于計算取3500 N。

3.2.2 壓縮彈簧設(shè)計

鋼軌夾緊力由壓縮彈簧變形后產(chǎn)生，齒輪、齒條之間的嚙合力通過棘輪箱傳遞給彈簧座2，彈簧座2移動后壓縮彈簧，因此，彈簧軸向壓縮力等于齒輪齒條之間的嚙合力。壓縮彈簧結(jié)構(gòu)及其負(fù)載-變形（F-λ）特性關(guān)系見圖8。

圖8 壓縮彈簧結(jié)構(gòu)及其F-λ特性關(guān)系

圖8中，D1、D、D0分別為壓縮彈簧的外、中、內(nèi)徑，d為彈簧絲直徑，h為彈簧節(jié)距，δ為彈簧圈間隙。壓縮彈簧F-λ特性關(guān)系為一斜直線。當(dāng)負(fù)載為零時，彈簧自由長度為H，F(xiàn)1為最小工作負(fù)載，在最小載荷下，彈簧的長度為H1，彈簧的壓縮量為λ1。Fmax為最大工作負(fù)載，此時，彈簧的壓縮量為λmax，長度降至H2，工作行程λ0=λmax-λ1=H1-H2。Flim為工作極限負(fù)載，即在Flim作用下彈簧絲內(nèi)的應(yīng)力達(dá)到了彈簧材料的屈服極限，此時，彈簧的壓縮量為λlim，長度降至Hlim。通常，F(xiàn)max≤0.8Flim。

根據(jù)使用工況，該彈簧受力循環(huán)次數(shù)N不高（N＜103），無沖擊載荷，屬于第Ⅲ類彈簧，選用彈簧材料為Ⅱa組碳素彈簧鋼絲65Si2MnWA。

設(shè)計輸入條件：F1= 0，λ1= 0；Fmax=F齒max= 3500 N，λmax= 25 mm。壓縮彈簧設(shè)計計算過程見表1。

表1 壓縮彈簧設(shè)計計算

經(jīng)過計算，彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)確定為：彈簧絲直徑8 mm，外、中、內(nèi)徑分別為43、35、27 mm，有效圈數(shù)7，總?cè)?shù)9，兩端磨平。彈簧自由狀態(tài)下長度115 mm，節(jié)距13 mm，彈簧展開長度996.5 mm，右旋，熱處理后硬度HRC40。

3.2.3 棘輪（齒輪）齒根彎曲強(qiáng)度校核 校核計算過程見表2。

表2 棘輪（齒輪）齒根彎曲強(qiáng)度校核計算

結(jié)論：棘輪（齒輪）齒根彎曲強(qiáng)度可滿足最大力矩時的工況需求。

4 凸輪式、棘輪（齒輪）式夾緊裝置綜合性能對比

凸輪式、棘輪（齒輪）式夾緊裝置綜合性能對比見表3。二者綜合性能各有長短，但都具備了快速夾軌功能。棘輪（齒輪）式通用性強(qiáng)，適用于各型號鋼軌，夾緊后穩(wěn)定性高；凸輪式通用性差，但簡單輕便，外界環(huán)境振動因素對夾緊后自鎖穩(wěn)定性有一定影響。

表3 凸輪式、棘輪（齒輪）式夾緊裝置綜合性能對比

5 結(jié)論

通過樣機(jī)試制及現(xiàn)場試用表明，通過改變夾軌接觸面位置從而實現(xiàn)快速夾軌目的的設(shè)計思路是可行的，據(jù)此設(shè)計的兩種快速夾軌裝置經(jīng)現(xiàn)場試用均可滿足接觸網(wǎng)檢修作業(yè)中接地線接地端快速夾軌需求。在實際檢修運(yùn)用中，可根據(jù)接觸網(wǎng)檢修區(qū)段鋼軌的型號，靈活配置這兩種快速夾軌裝置。