簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)新型錨支定位卡子研發(fā)

羅健，閆軍芳，李文豪

（1.中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司 電化電信工程設(shè)計研究院，天津 300308；2.中鐵電氣工業(yè)有限公司 科技創(chuàng)新部，河北 保定 071052）

1 研發(fā)背景

錨支定位卡子是電氣化鐵路接觸網(wǎng)腕臂定位系統(tǒng)的重要組成部分，主要安裝在定位管上，位于非工作支腕臂裝置，其作用為固定接觸線并將接觸線拉出線路中心［1-2］，其產(chǎn)品性能和強(qiáng)度直接影響接觸網(wǎng)系統(tǒng)的整體性能。

在已開通的高鐵線路中，錨支定位卡子常用結(jié)構(gòu)為采用U螺栓與定位管連接，與管子接觸面積小，同時線夾與銷釘之間采用U形銷連接。相關(guān)零件生產(chǎn)需要鑄造、鍛造2種工藝共同完成。本體生產(chǎn)采用鑄造工藝，線夾采用鍛造工藝。鑄造工藝易形成夾渣、冷隔、氣孔等缺陷。由于錨支定位卡子受力大，且本體受力不均，U形銷易出現(xiàn)磨損；鑄造工藝需逐件進(jìn)行探傷來保證產(chǎn)品質(zhì)量，制造成本高、成品率低；另外，采用U螺栓與定位管連接，易造成定位管本體表面的防腐層損傷。

在傳統(tǒng)產(chǎn)品施工過程中，錨支定位卡子利用U螺栓與定位管綁定（見圖1），主要組成包括：錨支定位卡子本體、U螺栓、線夾下夾板、線夾上夾板、U形銷等。由于線夾本體位于定位管一側(cè)，導(dǎo)致錨支定位卡子整體結(jié)構(gòu)受力不均。U形銷在連接線夾與錨支定位卡子本體時，其連接方式極易出現(xiàn)磨損。根據(jù)該連接配合方式，U螺栓與定位管為點(diǎn)接觸、本體與管子為線接觸，本體與定位管接觸面積小，U螺栓緊固力矩大，易造成定位管表面防腐層損傷。

圖1 傳統(tǒng)錨支定位卡子結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)錨支定位卡子本體材質(zhì)為AlSi7Mg0.3-T6，采用鑄造、固溶時效生產(chǎn)工藝，成品易出現(xiàn)夾渣、縮松和氣孔等缺陷，需逐件探傷找出不合格樣件，才能保證100%合格率，以保證產(chǎn)品上線使用的安全性，由此增加了生產(chǎn)工序中的檢驗(yàn)成本、人工成本和時間成本。針對上述問題，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、加熱方式、材料、鍛造工藝、模具材料及結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行優(yōu)化研究，提出結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理、綜合性能更加優(yōu)良且制造成本更加經(jīng)濟(jì)的鉸鏈?zhǔn)叫滦湾^支定位卡子。

2 新型錨支定位卡子

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

新型錨支定位卡子的零部件包括：蓋板（含T形銷釘）、線夾上夾板、上連接抱箍、翻邊鉚釘、螺栓、螺母及墊圈，該結(jié)構(gòu)可完全實(shí)現(xiàn)既有零部件的所有功能（見圖2）。在結(jié)構(gòu)上取消了U形銷，采用T形銷釘來固定線夾和錨支定位卡子蓋板；線夾位于錨支定位卡子蓋板中心，結(jié)構(gòu)受力更加均勻［3-4］；由于采用鉸鏈?zhǔn)奖Ч拷Y(jié)構(gòu)，一側(cè)利用銷軸連接后鉚接，另一側(cè)則利用直螺栓組合非金屬鉗件鎖緊螺母連接，固定于定位管上。該結(jié)構(gòu)解決了U形銷磨損以及錨支定位卡子本體與定位管接觸面積小，易損傷定位管表面防腐層的缺點(diǎn)，應(yīng)力分布更加均衡，載荷方向也更加合理。線夾與錨支定位卡子采用T形銷釘連接，T形銷釘穿過線夾本體鉚接于錨支定位卡子本體上，鉸接連接軸通過鉚接工藝完成。整個過程只需在工廠預(yù)配完成，無需現(xiàn)場預(yù)配，大幅降低安裝風(fēng)險和運(yùn)營維護(hù)工作量。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡潔易操作，金屬模精密鍛造工藝的使用更是杜絕了既有零件鑄造工藝的缺陷［5-6］。

圖2 新型錨支定位卡子結(jié)構(gòu)

2.2 受力分析

對新型錨支定位卡子本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，研究其結(jié)構(gòu)合理性（見圖3）。所用軟件為SOLIDWORKSSimulation有限元分析軟件。錨支定位卡子破壞荷重下的最大應(yīng)力位于定位銷釘與本體連接處（圖3（b）），最大應(yīng)力為352.7 MPa。定位銷釘材質(zhì)為CuNi2Si，屈服強(qiáng)度為620 MPa，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度［6］。最大位移（見圖3（c））為0.214 2 mm，位于銷釘端部。通過分析可知，鉸鏈?zhǔn)藉^支定位卡子在正常工作條件下，完全滿足其使用要求，且采用上下2個圓弧抱緊管子，接觸面積大，滑移性能及其對管子損傷均優(yōu)于傳統(tǒng)錨支定位卡子。

圖3 新型錨支定位卡子受力仿真分析

2.3 鍛造工藝

在產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)的制造工藝方面，對產(chǎn)品鍛造成型過程中應(yīng)力應(yīng)變情況、金屬的流動性、模具受力等參數(shù)進(jìn)行分析，目的是及時發(fā)現(xiàn)并解決制造工藝中存在的材料流動不暢、折疊、鍛造裂紋等設(shè)計缺陷和鍛造工藝缺陷，提高產(chǎn)品質(zhì)量和模具使用壽命。采用仿真軟件對設(shè)計的產(chǎn)品進(jìn)行鍛造工藝分析。

以連接抱箍為例，將毛坯與模具變形點(diǎn)、脫模、成型等以參數(shù)的形式設(shè)置到鍛造分析軟件中。零件鍛后折疊區(qū)域以及模具較易出現(xiàn)磨損情況分別見圖4、圖5中的紅色區(qū)域。通過分析可知，折疊部位若位于飛邊上，不影響產(chǎn)品質(zhì)量，但在放置型材毛坯時需注意應(yīng)留有足夠的材料以保證模具拐角處成型飽滿。根據(jù)模具磨損分析結(jié)果，在不影響產(chǎn)品功能的前提下增大圓弧，不僅使脫模順利還可提高單套模具生產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)量，提高模具使用壽命，降低修模成本。

圖4 鍛造模擬分析顯示的折疊區(qū)域

圖5 鍛造模擬分析顯示的易損部位

通過鍛造模擬仿真，產(chǎn)品質(zhì)量和成品率得到提升，同時也提高了模具使用頻率，節(jié)約了模具維修費(fèi)用，提高了單套模具的產(chǎn)品產(chǎn)出量。

2.4 模具設(shè)計

為了確定制造工藝，對錨支定位卡子進(jìn)行了鍛造模擬分析，通過原材料形狀、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及材料特性的設(shè)置，最終分析確定采用精密模鍛一次成型方法。該方法需先設(shè)計錨支定位卡子的模具，其過程包含確定模具合模位置、過渡圓角、拔模角度、飛邊型腔尺寸、鍛件收縮量以及鍛件余量、公差等［7-8］。

鍛造模具由于在生產(chǎn)零部件過程中既要承受鍛機(jī)給予的周期性沖擊載荷，又要承受高溫下金屬流動造成的強(qiáng)烈磨損，其工作環(huán)境極為惡劣，所以在模具設(shè)計過程中，需要提前考慮這些工況，確定選用何種材料，并明確其生產(chǎn)工藝流程，為模具生產(chǎn)提供保障。考慮以往常用模具材料的性能特點(diǎn)，對其進(jìn)行鍛造模擬工藝分析，經(jīng)過多次試驗(yàn)研究，最終確定材料選用H13合金鋼，其良好的耐沖擊性、耐熱疲勞性，能夠滿足錨支定位卡子本體的制造需要。

通過模擬鍛造力數(shù)據(jù)分析，確定錨支定位卡子本體采用1 000 t鍛造壓力機(jī)。為提高模具在鍛造過程中的穩(wěn)定性，上、下模采用整體式模塊，并通過模座固定在壓力機(jī)工作臺上。型腔加工完成后通過三坐標(biāo)測量儀測量，并與產(chǎn)品模型進(jìn)行對比，再次確保模具型腔符合鍛造模具設(shè)計要求。同時，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)在材料收縮后的成型尺寸是否滿足設(shè)計要求。

2.5 工藝流程

錨支定位卡子采用鋁合金6082材質(zhì)，制造工藝為鍛造，具體工藝流程如下：原材料檢驗(yàn)→下料→天然氣射流加熱→鍛造→熱沖飛邊→熱處理→金相檢驗(yàn)→整形→機(jī)加工→表面處理。其生產(chǎn)過程為環(huán)保型鍛造生產(chǎn)工藝。

鍛造毛坯用料以減少毛坯變形量為原則。同時，增加了原材料的超聲波及渦流探傷、鍛造前和熱處理后晶粒大小對比的監(jiān)控。在化學(xué)成分、尺寸、鍛前材料力學(xué)性能、顯微組織、超聲波及渦流探傷、斷口及外觀質(zhì)量等方面，均需對原材料進(jìn)行檢驗(yàn)。

在鍛造前，利用天然氣射流加熱爐對坯料進(jìn)行加熱。爐膛內(nèi)的溫度需不停地加速循環(huán)，以保證爐腔溫度保持均勻。為避免由于變形過大引起局部晶粒粗大，進(jìn)而引起局部強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致整體性能不穩(wěn)定，應(yīng)控制毛坯的臨界變形程度不超過20%。

鍛造工藝的重點(diǎn)在于原材料的加熱溫度和加熱方法，除了盡可能減小材料流動阻力，在控制鍛造輸出能量等方面均需要精細(xì)化控制。

3 結(jié)論

針對接觸網(wǎng)錨支定位卡子，綜合考慮材料材質(zhì)、成型工藝、結(jié)構(gòu)形式、施工安裝、運(yùn)營維護(hù)等方面，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、合理選用材料、改進(jìn)生產(chǎn)工藝，研制出新型產(chǎn)品。該產(chǎn)品采用抱箍結(jié)構(gòu)增大了與管子的接觸面，避免了定位管表面防護(hù)膜的損傷，提高了滑動荷重［9-12］。新型錨支定位卡子與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，從制造工藝上省去了探傷工序，降低了生產(chǎn)成本，產(chǎn)成率高，且通過鍛造工藝生產(chǎn)的錨支定位卡子強(qiáng)度高、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)可靠性高，同時有利于施工安裝和運(yùn)營維護(hù)。由于材料選用更加合理、制造工藝更加優(yōu)化，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的耐磨性，提升了高速鐵路接觸網(wǎng)裝備產(chǎn)品服役性能。