基于CPC工藝的高鐵貫通地線制備系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李順新，蘇東海，葛憲順，王志博，賈永帥

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

0 引言

高鐵貫通地線主要應(yīng)用于鐵路接地工程，接地的主要目的是保證人身安全和設(shè)備安全。高鐵貫通地線的工藝結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，由絞合導(dǎo)體外緊密包覆一層合金護(hù)套組成。目前國(guó)內(nèi)外制備高鐵貫通地線常用的方法是連續(xù)縱包焊接工藝，但其存在一定的缺陷：①由于銅合金護(hù)套較厚，且硬度大，變形困難，采用傳統(tǒng)的連續(xù)縱包焊接工藝存在生產(chǎn)速度慢，生產(chǎn)效率低的問(wèn)題；②傳統(tǒng)的工藝變形方法易造成合縫不穩(wěn)定，導(dǎo)致偏弧、穿洞等焊接缺陷，不能保證產(chǎn)品質(zhì)量，再者焊接電流的大小和焊弧位置靠目測(cè)和人工調(diào)整，根本無(wú)法有效控制和跟蹤焊接質(zhì)量[1-3]；③采用傳統(tǒng)工藝方法生產(chǎn)出的產(chǎn)品，合金護(hù)套與內(nèi)導(dǎo)體之間難免會(huì)存在間隙，這種間隙會(huì)使高鐵貫通地線在使用過(guò)程中出現(xiàn)內(nèi)導(dǎo)體與護(hù)套之間打火的現(xiàn)象，長(zhǎng)期打火會(huì)損傷高鐵貫通地線。

本文區(qū)別于傳統(tǒng)制備技術(shù)及工藝，開(kāi)發(fā)出采用CPC鑄造法制備高鐵貫通地線的制備系統(tǒng)。所謂CPC(Continuous Pouring Process for Clad)工藝即連續(xù)澆注復(fù)合鑄造工藝。在鑄造過(guò)程中，先將紫銅絞線與牽引裝置連接并安置在結(jié)晶器中，然后澆注H65黃銅熔液，金屬液在結(jié)晶器中凝固將紫銅絞線包裹，將凝固部分連續(xù)向下?tīng)恳龑?shí)現(xiàn)復(fù)層軋輥。該法工藝簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，而且可使H65黃銅護(hù)套與紫銅絞線結(jié)合面實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，大幅提高產(chǎn)品質(zhì)量[4-5]。

1 連續(xù)澆注復(fù)合鑄造系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

連續(xù)澆注復(fù)合鑄造法制備高鐵貫通地線的整體設(shè)備主要按工藝階段分為三部分：第一部分為紫銅絞線的預(yù)處理階段設(shè)備，該階段的設(shè)備包括開(kāi)卷機(jī)、打磨機(jī)、矯直機(jī)以及設(shè)備開(kāi)始運(yùn)作之前需要進(jìn)行的對(duì)中裝置；第二部分為H65黃銅顆粒的熔化及雙金屬?gòu)?fù)合階段設(shè)備，該階段設(shè)備包括加熱爐、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、結(jié)晶器、噴淋裝置以及測(cè)速機(jī)構(gòu)；第三部分包括導(dǎo)向輪、收卷機(jī)構(gòu)等，主要負(fù)責(zé)整個(gè)制備流程的牽引。圖1為連續(xù)澆注復(fù)合鑄造系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。

1-開(kāi)卷機(jī)；2，12-導(dǎo)向輪；3-打磨機(jī)；4-對(duì)中機(jī)構(gòu)1；5-矯直機(jī)構(gòu)；6-對(duì)中機(jī)構(gòu)2；7-測(cè)速機(jī)構(gòu)；8-加熱爐；9-結(jié)晶器；10-對(duì)中機(jī)構(gòu)3；11-噴淋裝置；13-收卷機(jī)構(gòu)；14-冷卻水箱；15-電控柜

系統(tǒng)工作前先通過(guò)對(duì)中裝置進(jìn)行對(duì)中，然后紫銅絞線依次通過(guò)打磨機(jī)構(gòu)去除氧化層及雜質(zhì)、矯直機(jī)矯直后通過(guò)加熱爐在結(jié)晶器內(nèi)進(jìn)行雙金屬熔合，再由噴淋機(jī)構(gòu)進(jìn)行二次冷卻，最后由收卷機(jī)構(gòu)牽引拉出完成制備。

1.2 開(kāi)卷機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開(kāi)卷機(jī)布置在設(shè)備入口部分的前端，其主要作用是支撐已纏有紫銅絞線的線輥，使紫銅絞線在牽引力的作用下進(jìn)行開(kāi)卷。開(kāi)卷機(jī)的芯軸是一根空心軸，通過(guò)兩個(gè)支撐底座支撐在機(jī)架上以保持開(kāi)卷機(jī)的剛度和穩(wěn)定性。通過(guò)線輥兩側(cè)的鎖緊螺母進(jìn)行軸向固定，通過(guò)支撐底座上的螺栓備緊至適當(dāng)狀態(tài)來(lái)保證開(kāi)卷機(jī)可以自由平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.3 打磨機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

打磨機(jī)主要用以去除紫銅絞線表面的氧化層及雜質(zhì)，從而提高雙金屬?gòu)?fù)合階段紫銅絞線與H65黃銅合金的結(jié)合質(zhì)量。

首先，打磨機(jī)采用主要由中心齒輪、中間齒輪以及行星齒輪組成的齒輪系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)打磨過(guò)程打磨刷的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)，從而保證紫銅絞線可被全面且均勻地打磨以及打磨過(guò)程的平穩(wěn)性；其次，打磨機(jī)的電機(jī)與變頻器連接，在打磨過(guò)程中可以調(diào)整打磨速度，從而保證打磨效果。該打磨機(jī)具有傳動(dòng)平穩(wěn)、打磨均勻、效率高、壽命長(zhǎng)、打磨速度可調(diào)節(jié)以及結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。

1.4 矯直機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

矯直機(jī)構(gòu)的功能是將打磨后的紫銅絞線進(jìn)行矯直，保證在雙金屬?gòu)?fù)合階段的H65黃銅護(hù)套、紫銅絞線同心，形成良好的結(jié)合界面。為了保證紫銅絞線所受應(yīng)力適中，矯直機(jī)構(gòu)的主體由5個(gè)矯直輪組成，使其穿過(guò)時(shí)受到4次矯直力的作用。系統(tǒng)工作前，通過(guò)對(duì)矯直機(jī)構(gòu)的調(diào)整壓板進(jìn)行調(diào)整，使紫銅絞線從矯直機(jī)構(gòu)正中心通過(guò)，然后備緊螺栓，使得矯直輪充分發(fā)揮矯直作用，進(jìn)一步保證紫銅絞線與H65黃銅合金在雙金屬?gòu)?fù)合階段的結(jié)合質(zhì)量。

1.5 對(duì)中機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)有3個(gè)對(duì)中機(jī)構(gòu)，分別位于矯直機(jī)構(gòu)入口、加熱爐入口以及結(jié)晶器的出口。

對(duì)中機(jī)構(gòu)的主要作用是保證紫銅絞線在整套系統(tǒng)的中心通過(guò)從而保證鍍層均勻。對(duì)中機(jī)構(gòu)1、對(duì)中機(jī)構(gòu)2的內(nèi)孔直徑與紫銅絞線直徑相同，而對(duì)中機(jī)構(gòu)3的內(nèi)徑與鍍層后的銅線直徑相同，但其裝有可拆調(diào)整套。對(duì)中調(diào)整完成后，將結(jié)晶器下端對(duì)中機(jī)構(gòu)3的可拆導(dǎo)向套拆下，從而使得鍍層后的產(chǎn)品可被自由牽引。

1.6 結(jié)晶器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

H65黃銅熔液的冷卻凝固、傳熱和結(jié)晶過(guò)程均在結(jié)晶器內(nèi)完成，在連鑄期間，銅液在結(jié)晶器中經(jīng)過(guò)冷卻凝固成有一定厚度的護(hù)套，然后再進(jìn)入二次冷卻區(qū)，所以結(jié)晶器作為冷卻系統(tǒng)的核心，決定了初生鑄坯的質(zhì)量，其重要性不言而喻。

本次設(shè)計(jì)為管式結(jié)晶器，用石墨套制成結(jié)晶器斷面，石墨套外套有導(dǎo)熱性能良好的銅套以及導(dǎo)流套，在銅套與導(dǎo)流套之間形成冷卻水通路。該結(jié)晶器具備良好且均勻的導(dǎo)熱性能、足夠的結(jié)構(gòu)剛度、良好的耐磨性以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便等特點(diǎn)。另外，在與進(jìn)水口成45°位置分別設(shè)置一個(gè)測(cè)溫端口、一個(gè)測(cè)壓端口，用來(lái)測(cè)量銅套的溫度以及結(jié)晶器測(cè)壓接管內(nèi)的壓力。

1.7 噴淋裝置設(shè)計(jì)

噴淋裝置為整套系統(tǒng)的二次冷卻裝置。首先，為了更好地控制冷卻水溫度，噴淋裝置將回水和供水設(shè)置成兩個(gè)獨(dú)立的水箱；其次，該噴淋裝置采用了環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，供水通過(guò)外部焊接的一個(gè)進(jìn)水口進(jìn)入環(huán)形腔，內(nèi)部設(shè)有三個(gè)均布的“四分”噴淋頭以保證產(chǎn)品冷卻均勻。

1.8 收卷機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于連續(xù)澆注復(fù)合鑄造系統(tǒng)而言，整套設(shè)備的牽引依靠收卷機(jī)構(gòu)的牽引力來(lái)完成。收卷機(jī)構(gòu)是系統(tǒng)不可或缺的一部分，其對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量以及連續(xù)澆注復(fù)合鑄造的連續(xù)生產(chǎn)有著至關(guān)重要的影響。

經(jīng)過(guò)打磨、矯直、結(jié)晶、噴淋等一系列的加工機(jī)構(gòu)，最后銅線通過(guò)導(dǎo)向輥進(jìn)入到收卷機(jī)構(gòu)。考慮到收卷過(guò)程負(fù)載較大，收卷機(jī)構(gòu)主軸與電機(jī)之間采用鏈傳動(dòng)，具有效率高、傳遞功率大、過(guò)載能力強(qiáng)以及相同工況下傳動(dòng)尺寸小等特點(diǎn)。為保證銅線布線均勻，本次設(shè)計(jì)通過(guò)同步帶傳動(dòng)以及往復(fù)絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)收卷機(jī)構(gòu)的自動(dòng)布線以及布線過(guò)程的自動(dòng)換向；另外，整個(gè)收卷過(guò)程可通過(guò)變頻器來(lái)進(jìn)行收卷速度的調(diào)整。

2 產(chǎn)品對(duì)比

利用本制備系統(tǒng)進(jìn)行了產(chǎn)品制備實(shí)驗(yàn)，并與使用傳統(tǒng)制備方法制備的產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比，如圖2所示。

圖2 不同制備系統(tǒng)制備的產(chǎn)品對(duì)比

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，本制備系統(tǒng)制備的高鐵貫通地線結(jié)合界面氣孔面積明顯小于使用傳統(tǒng)制備方法制備的產(chǎn)品，H65黃銅與紫銅絞線界面實(shí)現(xiàn)了很好的結(jié)合，大幅提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外對(duì)高鐵貫通地線制備存在的諸多問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套連續(xù)澆注復(fù)合鑄造系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高鐵貫通地線的連續(xù)生產(chǎn)，有效地解決了傳統(tǒng)制備方法存在的生產(chǎn)速度慢、生產(chǎn)效率低的問(wèn)題，而且提升了產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)今后高鐵貫通地線的生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。