淺談接觸網整體吊弦線夾結構設計優化與改進

王玉環，張旭峰

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淺談接觸網整體吊弦線夾結構設計優化與改進

王玉環，張旭峰

通過對2種接觸網承力索吊弦線夾結構進行受力分析和對比，基于滿足吊弦線夾基本功能為前提，在力求結構緊湊、自重輕、可靠性高等方面對原有吊弦結構進行合理優化和改進。

吊弦線夾；結構受力分析；合理優化和改進；可靠性

0 引言

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

1 原有整體吊弦結構分析

1.1 整體吊弦結構

以承力索吊弦線夾為例，其結構見圖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線；直徑F9、高度為9 mm的凸出部分作為支點，平衡夾緊力，同時吊弦線懸吊于該處；直徑F11通孔內裝配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，單套零件質量為 0.468 kg。線夾需要滿足夾緊后與承力索導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。根據實際實驗結果及應用經驗，以上性能指標均有較大安全裕度，吊弦線夾性能不合格通常是由應力腐蝕不合格導致，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，導致應力腐蝕開裂集中于該處。

圖1 承力索吊弦線夾結構

圖2 吊弦線夾裝配效果

1.2 靜態受力計算

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

先計算吊弦線施加于直徑F9、高度為9 mm的凸臺處的力，即對凸臺結構的剪切應力。由于直徑F9的凸臺為變截面結構，取其最小截面直徑為F8。根據零件受力要求，該處最大剪切力為吊弦線承受最大破壞荷重3.9 kN，根據剪切力計算式可得

式中，A為最大破壞荷重，為承受剪切力的截面數量，0為凸臺最小截面直徑。

吊弦線夾所用材料為CuNi2Si，按GB/ T20078-2006標準中狀態為H150的CuNi2Si材料屈服極限強度s為340 N/mm2，又據機械設計手冊許用應力計算方法，塑性材料基本安全系數s取1.5，折減系數取1.2，則許用應力為

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。

根據零件安裝后承受螺栓緊固力的情況，將圖2進行受力模型簡化，其應力與彎矩如圖3所示。

圖3 應力及彎矩示意圖

集中荷載為M10螺栓在標準緊固力矩下產生的軸向緊固力，根據TB/T2073-2010標準得知，A2-70級M10螺栓標準緊固力矩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力為

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

2 結構優化和改進

2.1 改進方案

從上述受力計算分析可以看出，原有結構的整體吊弦線夾總長50 mm，螺栓孔到兩邊支點的距離為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；二是采用更小規格或性能等級的螺栓，如采用M8螺栓替代現有的M10螺栓，經試驗驗證，該方法無法滿足線夾與導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，還可改善接觸網彈性。

經分析以上3種途徑的利弊，最終確定按第3種思路對零件結構進行改進設計。首先，增加吊線環，調整吊弦線懸吊位置，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進行縮減調整，線夾本體總長縮減至42 mm，平均有效厚度保持不變，改進后的零件質量減輕至0.291 kg。改進后的零件結構見圖4。

圖4 改進后零件結構

2.2 改進后零件受力分析

按照1.2節所述靜態受力計算方法對改進后的零件進行受力分析，計算C處截面的應力。

C處截面彎矩為

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

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

2.3 有限元分析

對改進后的零件按照實際使用狀況添加約束條件進行有限元分析。

在圖5所示約束條件及加載方式下，進行單元格劃分，通過有限元分析得到應力分布圖（圖6）及應變分布圖（圖7）。從有限元分析結果明顯可以看出，整體吊弦線夾在標準緊固力矩下最大應力未超過許用應力，零件也未出現明顯的應變變形，滿足設計要求。

2.4 試驗驗證

將性能等級為A2-70，規格M10的螺栓按照標準實驗緊固力矩安裝，進行產品安裝后的應力腐蝕試驗，結果如表1所示。

圖5 約束條件及加載方式

圖6 應力分布圖

圖7 應變分布圖

表1 應力腐蝕試驗結果

3 結語

僅采取增重、加厚等措施提高整體吊弦類產品的可靠性是不盡合理的，不恰當的加長加大，還可能導致產品可靠性下降。類似整體吊弦類產品在機車受電弓高速通過時，導線瞬間抬升，自重越大的產品重力加速度越大，由此產生的接觸網硬點則更為明顯。本文通過對整體吊弦線夾結構進行改進，通過靜力計算分析得出，改進后的零件結構更加緊湊，最大彎矩截面承受的彎曲應力比改進前下降了11.3%，零件重量下降了37.8%，零件各項性能指標及產品的可靠性得到加強。因此，在保證產品安全可靠的前提下，采取結構緊湊、輕量化設計的思路是非常必要的。

[1] 成大先. 機械設計手冊[M]. 北京：化學工業出版社，2008.

[2] TB/T 2073 -2010 電氣化鐵路接觸網零部件技術條件[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[3] TB/T 2074 -2010 電氣化鐵路接觸網零部件試驗方法[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.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，高級工程師；

張旭峰.中鐵電氣化局集團寶雞器材有限公司，工程師。