接觸網系統輕量化定位雙環的研制

田 樂，柴 歡，張鵬飛，張旭峰

0 引言

定位雙環是接觸網系統的重要零部件。在電氣化鐵路及城市軌道交通接觸網鏈形懸掛和簡單懸掛中，定位雙環安裝于腕臂上，用于連接雙支定位管和雙支拉線[1]。這種定位雙環由2個抱箍、2個定位耳環及若干緊固件組成。定位環抱箍和定位耳環在生產制造時需要開制兩種不同模具鍛造生產，占用生產設備多，降低了生產效率；由于零件和緊固件較多，在現場安裝時，其組裝調整很不方便。本文對既有定位雙環結構進行優化研究，提出一種輕量化定位雙環設計，并對其力學性能進行驗證。

1 新方案提出

既有定位雙環由定位環抱箍、定位耳環和一系列緊固件組成，結構如圖1所示。

圖1 既有定位雙環結構

針對既有定位雙環的零件較多，需考慮減少零件數量，對既有的定位雙環抱箍和定位耳環進行一體化設計。一體化設計后的輕量化定位雙環由2個融合了既有定位雙環抱箍和定位耳環的新定位雙環抱箍、4套緊固件組成，如圖2所示。新定位雙環抱箍呈弓形結構，兩端分為長支和短支。在短支端設置2個開設有防轉槽的連接通孔，用于與螺栓連接時的防松保護。在長支端設置2個連接通孔，用于與短支端連接通孔配合連接。長支端仍具有原定位耳環的功能，設計有一帶凹槽的圓環，用于定位管上的定位鉤或拉線的連接。為提高強度，在新定位雙環抱箍圓弧段外側邊緣和長支端與圓弧段過渡處、短支段與圓弧過渡處設置凸筋。

圖2 輕量化定位雙環結構

輕量化定位雙環僅需要新定位雙環抱箍一種結構零件，2件成套配對使用，相比既有定位雙環，去掉了2個定位耳環。其上的防轉槽減少了防松緊固件的使用，降低了裝配勞動強度。

2 有限元仿真分析

在技術要求中，定位雙環需滿足最大工作荷載性能、滑移荷載性能、破壞荷載性能要求：（1）最大水平工作荷載5.0 kN，最大垂直工作荷載8.0 kN，即定位雙環在該工況下不能出現塑性變形，能夠完成正常工作；（2）滑動荷載不小于8.0 kN，即定位雙環在該工況下不能出現滑動現象；（3）水平破壞荷載不小于15.0 kN，垂直破壞荷載不小于24.0 kN，即定位雙環在該工況下不能發生斷裂。

針對以上結構，首先在SolidWorks中進行三維建模，并賦予材料屬性。材料采用Q235B，彈性模量21 000 MPa，泊松比0.3，屈服強度235 MPa，抗拉強度580 MPa[2]。然后將SolidWorks中的三維模型導入Simulation中，對幾何模型進行網格劃分（圖3），并對模型依照仿真分析項目表施加力與位移的邊界條件進行最大工作荷載、滑動荷載、破壞荷載性能分析，分析項目如表1所示。

表1 仿真分析項目

圖3 網格化模型

通過加載仿真運算得到圖4所示云圖，可以看出：在最大水平工作載荷、最大垂直工作載荷下，最大應力均小于材料的屈服應力；在水平破壞載荷、垂直破壞載荷下，最大應力均小于材料的抗拉強度。從位移云圖看出，在滑動荷載下，最大位移出現在受力的環部，最大值為16.34 μm。

圖4 仿真云圖

綜上所述，通過有限元仿真分析，輕量化定位雙環結構滿足相應的力學性能要求，可以進一步開模試制，對樣件進行力學性能和振動及疲勞性能的試驗檢驗。

3 試驗驗證

輕量化定位雙環開模試制件如圖5所示。參考現行鐵路標準[3-5]對輕量化定位雙環試制件進行試驗。力學性能試驗項目包括：滑動荷載試驗、水平破壞荷載試驗、垂直破壞荷載試驗、振動試驗、振動后滑動荷載試驗、疲勞試驗、疲勞后水平破壞荷重試驗、疲勞后垂直破壞荷重試驗、緊固力矩試驗。

圖5 輕量化定位雙環試制件

試驗中用到的設備有：數顯游標卡尺、覆層測厚儀、硫酸銅恒溫裝置、數顯扭矩扳手、100 kN液壓萬能試驗機、電液伺服疲勞試驗機、振動測試模擬裝置。試驗得到的數據如表2和表3所示。

表2 試驗數據1

表3 試驗數據2

由表2和表3試驗數據和結果可知：輕量化定位雙環樣件通過了以上檢驗項目，該輕量化定位雙環可滿足使用要求。

4 結語

針對既有定位雙環存在結構上鍛件種類多，生產上占用設備臺套數多，安裝不方便等不足，本文通過有限元仿真和試驗驗證，研制了輕量化定位雙環。通過將定位耳環和定位雙環抱箍進行一體化設計，減少了鍛件種類，提高了設備的利用率，降低了生產成本，提高了施工安裝的便捷性。