一種新型無螺栓定位線夾的設計開發

李 璐，李永生

0 引言

定位線夾用于電氣化鐵路接觸網系統，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[1]。定位線夾是電氣化鐵路接觸網系統關鍵組成零部件之一，具有應用量大、承受高頻次振動等特點，并對電力機車，尤其對高速動車組和接觸網系統的安全運行起到重要作用[2]。

1 常用定位線夾特點

我國電氣化鐵路接觸網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過失效現象，如線夾本體斷裂、U型銷磨損嚴重甚至斷裂、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，兩種定位線夾在結構和工藝方面進行了不斷地改進和優化，如圖1所示。優化后兩種定位線夾的特點如表1所示。

圖1 定位線夾

表1 定位線夾特點對比

在簡統化接觸網裝備的設計開發中，對定位線夾的結構、尺寸進行了改進設計。新型定位線夾由兩個結構完全相同的線夾本體構成，同時采用開放式的結構設計，可以清楚地觀察到定位銷釘與定位線夾的連接狀態，方便施工和檢修。新型定位線夾結構型式如圖2所示。新型定位線夾雖然增強了產品的安全可靠性，但目前我國電氣化鐵路接觸網用定位線夾均采用

圖2 新型定位線夾結構型式

螺紋副緊固，具有零件組成數量多、安裝要求嚴的特點，日常巡檢工作量較大，特別對于山區、人員稀少等交通不便的地區，檢測維修工作更加困難。針對以上問題，從結構設計、工藝改進、安裝維護等方面進行研究，設計開發一種安裝方便、維護工作量少、松脫風險系數低的鍛造式無螺栓定位線夾。

2 鍛造式無螺栓定位線夾設計方案

鍛造式無螺栓定位線夾由兩個相同的線夾鉚接件組成，線夾鉚接件由線夾本體和一個鎖固銷鉚接而成，其結構如圖3所示。鎖固銷與線夾本體過盈配合成線夾錨接件，線夾本體上部的環口處設置斜面，斜面推動線夾繞鎖固銷旋轉，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置防滑齒，防止線夾松脫。同時，在固定定位銷釘的凸臺內設置卡槽，使兩個線夾本體形成鎖扣，可以消除定位線夾由于受拉而導致松脫的風險。鍛造式無螺栓定位線夾的兩個線夾錨接件結構完全相同，與現有產品相比，不受安裝方向的限制，而且結構相同方便制造加工，節約生產成本，便于推廣實施。

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場無需二次預配。不同定位線夾特點對比見表2?？梢?，新型無螺栓定位線夾取消螺紋副連接，相較傳統螺栓型定位線夾，減少了組成零件數量，簡化了安裝步驟，降低了由于人為操作失誤造成安全事故發生的可能性，提高了安裝操作的安全可靠性。使用專用工具（如圖4所示）即可實現快速安裝和拆卸。

表2 不同定位線夾特點對比

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

通過三維機械設計軟件 Solidworks中Simulation有限元模擬仿真計算工具，對鍛造式無螺栓定位線夾進行有限元受力分析，驗證產品結構設計、材質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力分布結果如圖5所示。經分析，線夾本體最大應力在緊固銷錨結孔處，約為 123.8 MPa，鎖固銷所受最大應力約為49.8 MPa，在3倍安全系數要求下，線夾本體與鎖固銷的許用應力分別為123.3、200 MPa，大于線夾本體與鎖固銷所受應力，滿足現有標準規定的受力要求。

圖5 定位線夾應力分布

表3 材料性能及加載工況 MPa

3.2 受力計算

通過有限元分析得出，鍛造式無螺栓定位線夾關鍵受力部位位于鎖固銷鉸接處，因此對該部位進行受力計算，進行二次驗證，計算模型如圖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= 29.48 mm，線夾與接觸線的摩擦力即為滑動荷重，通過試驗驗證得出滑動荷重f≈3.7 kN，銅合金表面摩擦系數μ≈1，屈服強度σ1= 370 MPa。

由滑動荷載求牙型端壓力FA：

局部的靜力平衡方程：

求得反力為

聯立式（1）—式（3）得FA= 3.7 kN，FB1= 6.31 kN，FC= 2.61 kN。

對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產生的應力σ2為

零部件安全系數S= 3，許用應力計算式為

3 倍安全系數下σ2≈121.2 MPa＜[σ1]= 123.3 MPa。故在3 kN的工作荷重作用下，線夾所受附加內應力均小于材料屈服力，滿足3倍安全系數要求。

4 鍛造式無螺栓定位線夾技術特點

法式無螺栓線夾由于結構限制，同時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，但鑄造工藝存在成品率低，易產生氣孔、縮松、晶粒粗大等鑄造缺陷，經探傷檢驗，其內部缺陷可達四級以上（圖8）。由圖8（b）可見，鍛造成型的無螺栓定位線夾內部組織均勻細密，無氣孔、縮松等缺陷，無需探傷檢測，成本相對較低。因此，選用鍛造成型工藝可更為理想地實現無螺栓定位線夾的廣泛推廣應用。

圖8 定位線夾探傷檢驗

目前，我國電氣化鐵路用定位線夾均采用銅合金鍛造工藝，并選用了相應的鍛造銅合金CuNi2Si為原材料。模鍛工藝利用了金屬材料，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品。鍛造的過程打碎了金屬材料原有的結晶并又重新結晶，新結晶的組織晶粒均勻細密，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疏松，機械性能優于相同材料的鑄件，提升了產品內在質量，提高了產品的合格率。

根據相關標準技術條件（TB/T 2073—2020、TB/T 2075.3—2020）要求，對鍛造式無螺栓定位線夾進行外觀檢查、組裝檢查、振動疲勞等10項檢測項目檢測，檢測結果均符合相關標準技術條件及生產單位技術條件要求。定位線夾的性能要求及試驗數據見表4。

表4 定位線夾的性能要求及試驗數據

5 結語

鍛造式無螺栓定位線夾適用于我國電氣化鐵路和城市軌道交通接觸網系統，與現有同類產品相比，取消了螺紋副，具有組成零件少，無縮松、氣孔等質量缺陷，安裝方便，無松脫風險，安全可靠性高等諸多優點，可實現產品的免維護，特別適用于我國山區、人員稀少等交通不便的地區。鍛造式無螺栓定位線夾的推廣應用對我國電氣化鐵路和城市軌道交通的安全運營具有積極作用。