一種新型無螺栓定位線夾的設(shè)計(jì)開發(fā)

李 璐，李永生

0 引言

定位線夾用于電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)，通過定位器連接固定接觸線，并使接觸線呈“之”字形分布于受電弓中心兩側(cè)[1]。定位線夾是電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵組成零部件之一，具有應(yīng)用量大、承受高頻次振動(dòng)等特點(diǎn)，并對(duì)電力機(jī)車，尤其對(duì)高速動(dòng)車組和接觸網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行起到重要作用[2]。

1 常用定位線夾特點(diǎn)

我國(guó)電氣化鐵路接觸網(wǎng)常用的定位線夾主要有 U型銷定位線夾及無銷型定位線夾兩種類型。兩種定位線夾在高鐵線路使用過程中曾出現(xiàn)過失效現(xiàn)象，如線夾本體斷裂、U型銷磨損嚴(yán)重甚至斷裂、定位器與定位線夾脫離等情況[3]。

隨著線路里程的不斷增加，兩種定位線夾在結(jié)構(gòu)和工藝方面進(jìn)行了不斷地改進(jìn)和優(yōu)化，如圖1所示。優(yōu)化后兩種定位線夾的特點(diǎn)如表1所示。

圖1 定位線夾

表1 定位線夾特點(diǎn)對(duì)比

在簡(jiǎn)統(tǒng)化接觸網(wǎng)裝備的設(shè)計(jì)開發(fā)中，對(duì)定位線夾的結(jié)構(gòu)、尺寸進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。新型定位線夾由兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的線夾本體構(gòu)成，同時(shí)采用開放式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以清楚地觀察到定位銷釘與定位線夾的連接狀態(tài)，方便施工和檢修。新型定位線夾結(jié)構(gòu)型式如圖2所示。新型定位線夾雖然增強(qiáng)了產(chǎn)品的安全可靠性，但目前我國(guó)電氣化鐵路接觸網(wǎng)用定位線夾均采用

圖2 新型定位線夾結(jié)構(gòu)型式

螺紋副緊固，具有零件組成數(shù)量多、安裝要求嚴(yán)的特點(diǎn)，日常巡檢工作量較大，特別對(duì)于山區(qū)、人員稀少等交通不便的地區(qū)，檢測(cè)維修工作更加困難。針對(duì)以上問題，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝改進(jìn)、安裝維護(hù)等方面進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)開發(fā)一種安裝方便、維護(hù)工作量少、松脫風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)低的鍛造式無螺栓定位線夾。

2 鍛造式無螺栓定位線夾設(shè)計(jì)方案

鍛造式無螺栓定位線夾由兩個(gè)相同的線夾鉚接件組成，線夾鉚接件由線夾本體和一個(gè)鎖固銷鉚接而成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。鎖固銷與線夾本體過盈配合成線夾錨接件，線夾本體上部的環(huán)口處設(shè)置斜面，斜面推動(dòng)線夾繞鎖固銷旋轉(zhuǎn)，通過杠桿原理使線夾夾緊線索，并且通過在線夾本體斜面上設(shè)置防滑齒，防止線夾松脫。同時(shí)，在固定定位銷釘?shù)耐古_(tái)內(nèi)設(shè)置卡槽，使兩個(gè)線夾本體形成鎖扣，可以消除定位線夾由于受拉而導(dǎo)致松脫的風(fēng)險(xiǎn)。鍛造式無螺栓定位線夾的兩個(gè)線夾錨接件結(jié)構(gòu)完全相同，與現(xiàn)有產(chǎn)品相比，不受安裝方向的限制，而且結(jié)構(gòu)相同方便制造加工，節(jié)約生產(chǎn)成本，便于推廣實(shí)施。

圖3 鍛造式無螺栓定位線夾

鍛造式無螺栓定位線夾中鎖固銷與線夾本體在出廠前已鉚接完成，定位線夾零部件在現(xiàn)場(chǎng)無需二次預(yù)配。不同定位線夾特點(diǎn)對(duì)比見表2?？梢?，新型無螺栓定位線夾取消螺紋副連接，相較傳統(tǒng)螺栓型定位線夾，減少了組成零件數(shù)量，簡(jiǎn)化了安裝步驟，降低了由于人為操作失誤造成安全事故發(fā)生的可能性，提高了安裝操作的安全可靠性。使用專用工具（如圖4所示）即可實(shí)現(xiàn)快速安裝和拆卸。

表2 不同定位線夾特點(diǎn)對(duì)比

圖4 專用拆裝工具

3 鍛造式無螺栓定位線夾受力分析

3.1 仿真分析

通過三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件 Solidworks中Simulation有限元模擬仿真計(jì)算工具，對(duì)鍛造式無螺栓定位線夾進(jìn)行有限元受力分析，驗(yàn)證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材質(zhì)選用等方面的可行性，以確保裝置的安全可靠性。材料性能及加載工況見表3，定位線夾本體及鎖固銷應(yīng)力分布結(jié)果如圖5所示。經(jīng)分析，線夾本體最大應(yīng)力在緊固銷錨結(jié)孔處，約為 123.8 MPa，鎖固銷所受最大應(yīng)力約為49.8 MPa，在3倍安全系數(shù)要求下，線夾本體與鎖固銷的許用應(yīng)力分別為123.3、200 MPa，大于線夾本體與鎖固銷所受應(yīng)力，滿足現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的受力要求。

圖5 定位線夾應(yīng)力分布

表3 材料性能及加載工況 MPa

3.2 受力計(jì)算

通過有限元分析得出，鍛造式無螺栓定位線夾關(guān)鍵受力部位位于鎖固銷鉸接處，因此對(duì)該部位進(jìn)行受力計(jì)算，進(jìn)行二次驗(yàn)證，計(jì)算模型如圖6所示。鎖固銷鉸接處截面示意圖如圖7所示。

圖6 線夾本體受力計(jì)算模型（單位：mm）

圖7 鎖固銷鉸接處截面示意圖

已知：鍛造式無螺栓定位線夾所受最大工作荷載F= 3 kN，線夾牙型端與鎖固銷鉸接間距a=8.83 mm，鎖固銷鉸接與防滑齒中部間距b= 12.51 mm，鎖固銷鉸接與線夾牙型端間距l(xiāng)= 29.48 mm，線夾與接觸線的摩擦力即為滑動(dòng)荷重，通過試驗(yàn)驗(yàn)證得出滑動(dòng)荷重f≈3.7 kN，銅合金表面摩擦系數(shù)μ≈1，屈服強(qiáng)度σ1= 370 MPa。

由滑動(dòng)荷載求牙型端壓力FA：

局部的靜力平衡方程：

求得反力為

聯(lián)立式（1）—式（3）得FA= 3.7 kN，F(xiàn)B1= 6.31 kN，F(xiàn)C= 2.61 kN。

對(duì)定位線夾施加工作載荷F，可由式（4）求得線夾鎖固銷鉸接處所受的外力FB2= 10.02 kN。

由線夾整體受力平衡，得鎖固銷鉸接合力FB=FB1+FB2= 16.33 kN。

鎖固銷鉸接線夾最薄弱處截面面積A如圖7所示，A= 134.4 mm2。鎖固銷鉸接合力FB產(chǎn)生的應(yīng)力σ2為

零部件安全系數(shù)S= 3，許用應(yīng)力計(jì)算式為

3 倍安全系數(shù)下σ2≈121.2 MPa＜[σ1]= 123.3 MPa。故在3 kN的工作荷重作用下，線夾所受附加內(nèi)應(yīng)力均小于材料屈服力，滿足3倍安全系數(shù)要求。

4 鍛造式無螺栓定位線夾技術(shù)特點(diǎn)

法式無螺栓線夾由于結(jié)構(gòu)限制，同時(shí)燕尾槽尺寸精度要求極高，需選用金屬型精密鑄造工藝生產(chǎn)，但鑄造工藝存在成品率低，易產(chǎn)生氣孔、縮松、晶粒粗大等鑄造缺陷，經(jīng)探傷檢驗(yàn)，其內(nèi)部缺陷可達(dá)四級(jí)以上（圖8）。由圖8（b）可見，鍛造成型的無螺栓定位線夾內(nèi)部組織均勻細(xì)密，無氣孔、縮松等缺陷，無需探傷檢測(cè)，成本相對(duì)較低。因此，選用鍛造成型工藝可更為理想地實(shí)現(xiàn)無螺栓定位線夾的廣泛推廣應(yīng)用。

圖8 定位線夾探傷檢驗(yàn)

目前，我國(guó)電氣化鐵路用定位線夾均采用銅合金鍛造工藝，并選用了相應(yīng)的鍛造銅合金CuNi2Si為原材料。模鍛工藝?yán)昧私饘俨牧?，在高溫下抗力較小，塑性較大，借助于模具及壓力得到所需產(chǎn)品。鍛造的過程打碎了金屬材料原有的結(jié)晶并又重新結(jié)晶，新結(jié)晶的組織晶粒均勻細(xì)密，提高了材料的致密度，消除了原材料中可能存在的小缺陷等。鍛造能消除金屬的鑄態(tài)疏松，機(jī)械性能優(yōu)于相同材料的鑄件，提升了產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量，提高了產(chǎn)品的合格率。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)條件（TB/T 2073—2020、TB/T 2075.3—2020）要求，對(duì)鍛造式無螺栓定位線夾進(jìn)行外觀檢查、組裝檢查、振動(dòng)疲勞等10項(xiàng)檢測(cè)項(xiàng)目檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)條件及生產(chǎn)單位技術(shù)條件要求。定位線夾的性能要求及試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表4 定位線夾的性能要求及試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

鍛造式無螺栓定位線夾適用于我國(guó)電氣化鐵路和城市軌道交通接觸網(wǎng)系統(tǒng)，與現(xiàn)有同類產(chǎn)品相比，取消了螺紋副，具有組成零件少，無縮松、氣孔等質(zhì)量缺陷，安裝方便，無松脫風(fēng)險(xiǎn)，安全可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的免維護(hù)，特別適用于我國(guó)山區(qū)、人員稀少等交通不便的地區(qū)。鍛造式無螺栓定位線夾的推廣應(yīng)用對(duì)我國(guó)電氣化鐵路和城市軌道交通的安全運(yùn)營(yíng)具有積極作用。