韓寶峰，張曉輝，張琦

（1.寶雞保德利電氣設(shè)備有限責任公司，陜西 寶雞 721000；2.中國鐵路設(shè)計集團有限公司 電化電信工程設(shè)計研究院，天津 300308）

0 引言

目前，我國鐵路既有接觸網(wǎng)腕臂裝置通過設(shè)置有頂緊螺栓的連接件連接平、斜腕臂［1-2］，裝配時通常采用固定的頂緊螺栓完成腕臂管和連接件之間的連接緊固。由于腕臂管與連接件之間的主要連接部位都是點接觸，因此安全系數(shù)非常低，而且頂緊螺栓在長期振動過程中很容易產(chǎn)生松動。同樣，連接件和腕臂管之間在長期服役過程中極易產(chǎn)生滑動現(xiàn)象，而運營維修人員很難及時找到原因，造成了潛在安全隱患［3-5］。隨著國內(nèi)外高速鐵路的快速發(fā)展，對接觸網(wǎng)零部件優(yōu)化創(chuàng)新也提出了更高技術(shù)需求，研發(fā)構(gòu)造簡潔、性能平穩(wěn)、質(zhì)量輕，便于現(xiàn)場裝配且免維修的斜腕臂系統(tǒng)已成趨勢。定位環(huán)裝置也是重要的連接件，其功能主要是串連定位管和斜腕臂。在既有剛性接觸網(wǎng)裝置體系中，連接方法通常是將定位環(huán)和腕臂支撐分別獨立連接斜腕臂，其結(jié)構(gòu)上相對可靠，但實際安裝使用中，需要按照正、反定位安裝形式分別考慮定位環(huán)和腕臂支撐之間的定位關(guān)系，其連接件數(shù)量很多，配置復雜。為了達到新型接觸網(wǎng)系統(tǒng)裝備可靠性高、簡統(tǒng)化（結(jié)構(gòu)簡單、零件少、緊固件數(shù)量少、維護方便）的設(shè)計目標，研發(fā)新型組合式定位環(huán)裝置也非常重要［6-11］。

1 傳統(tǒng)腕臂結(jié)構(gòu)及定位裝置

1.1 腕臂結(jié)構(gòu)

目前，三角形鋁合金腕臂裝置結(jié)構(gòu)廣泛應用于我國高速鐵路（時速300~350 km）牽引供電系統(tǒng)中。其結(jié)構(gòu)由平、斜腕臂組成，通過套管座連接在一起。套管座利用頂緊螺栓將其本體固定在斜腕臂上（見圖1）。該結(jié)構(gòu)含有套管座、承力索座2種零部件，相關(guān)連接件如螺栓等共計5個緊固件，同時相關(guān)緊固力矩要求也有所不同。該結(jié)構(gòu)頂緊螺栓與腕臂管間的配合屬于點接觸，安裝時可能由于施加力矩過大而對零件局部造成損傷甚至發(fā)生頂穿事故；另外，斜腕臂端頭安裝PVC管帽，由于PVC產(chǎn)品存在老化及熱脹冷縮引起的脫落，易形成積水及雜物落入腕臂管，對腕臂管甚至整個腕臂支撐裝置造成潛在安全隱患。針對以上問題，在結(jié)構(gòu)、工藝、材料、制造模具等方面進行研究探討，在保證其使用性能不變的前提下，研發(fā)簡化零件結(jié)構(gòu)的新型斜腕臂。

圖1 傳統(tǒng)斜腕臂和套管座結(jié)構(gòu)

1.2 定位環(huán)結(jié)構(gòu)

目前我國既有時速350 km高鐵接觸網(wǎng)腕臂系統(tǒng)主要由鋁合金三角形腕臂構(gòu)成。定位管水平、斜腕臂采用金屬定位環(huán)連接，由套管單耳將腕臂支撐定位在水平、斜腕臂上（見圖2）。該連接方法主要由定位環(huán)、套管單耳等構(gòu)成，雖然可達到相對安全的連接效果，但實際安裝與使用中需要同時通過正、反向的定位考慮位置關(guān)系，無形中增加了施工工作量。定位環(huán)和套管單耳材質(zhì)為AlSi7Mg0.3，采用鋁合金鑄造工藝。通過對既有構(gòu)件進行深入分析，從工藝、材料、結(jié)構(gòu)、模具制造等方面提出一體式鉸鏈型定位環(huán)方案。

圖2 傳統(tǒng)定位環(huán)和支撐連接結(jié)構(gòu)

2 新型腕臂結(jié)構(gòu)及定位裝置

2.1 新型腕臂結(jié)構(gòu)特點

新型斜腕臂從結(jié)構(gòu)上來說為組合型零件，集傳統(tǒng)連接件和既有功能于一體，由斜腕臂管、鍛造式單耳和相關(guān)連接件構(gòu)成。既可連接平斜腕臂，又可承托承力索、固定定位管（見圖3（a））。斜腕臂一端的單耳構(gòu)造，通過2條互相交叉分布的鉚接線分別貫穿斜腕臂自然本體和“十”字形柱箍體，從而使單耳結(jié)構(gòu)穩(wěn)定于斜腕臂上（見圖3（b））。平斜腕臂的連接通過承力索座的雙耳及斜腕臂上的單耳實現(xiàn)。該構(gòu)件在原來構(gòu)造基礎(chǔ)上揚長避短，既減少了頂緊螺栓連接對斜腕臂管的磨損，也使整個構(gòu)件受力更為平衡、合理。該結(jié)構(gòu)明顯降低了零件組成數(shù)量且無需緊固件，在提升產(chǎn)品服役性能的同時，取消了斜腕臂連接件、管帽等零部件，從而改善了產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、降低了產(chǎn)品自質(zhì)量，且便于施工安裝。連接部位采用單耳結(jié)構(gòu)，其材料為6082鋁合金，制造工藝為鍛造。其優(yōu)點為結(jié)構(gòu)簡單、可靠，既從結(jié)構(gòu)上克服了套筒結(jié)構(gòu)難鍛造的缺點，又從制造工藝上避免了鑄造缺陷。

圖3 新型斜腕臂結(jié)構(gòu)

2.2 新型定位環(huán)受力分析

鉸鏈型定位環(huán)是組合型零件，集套管單耳和定位環(huán)功能于一體。由下連接雙耳、下連接單耳、旋轉(zhuǎn)平雙耳、翻邊鉚接和銷子等構(gòu)成，不僅可連接斜腕臂和定位管，同時又起到連接腕臂支撐一端的作用（見圖4）。鉸鏈型的定位環(huán)一般采用合頁型構(gòu)造（鉸鏈、抱箍），并采用銷軸連接緊固在斜腕臂上。鉸接軸于廠內(nèi)安裝后，無需經(jīng)過現(xiàn)場預配，且只需要通過2套螺栓的連接便能完成正腕臂、支撐接頭以及斜腕臂、定位管連接，從而降低了零部件、緊固件的數(shù)量，減少了安裝、運營、維護工作量。同時，克服了既有連接方式中U螺栓與斜腕臂接觸面積小的缺點。上部抱箍為獨立雙耳、下部抱箍為單耳，整體結(jié)構(gòu)簡單。

圖4 鉸鏈型定位環(huán)結(jié)構(gòu)

套管單耳作為鋁合金定位環(huán)的一部分，其材質(zhì)為AlSi7Mg0.3，屈服強度為240 MPa。鉸鏈型定位環(huán)材質(zhì)為6082鋁合金，屈服強度約為260 MPa。通過有限元分析對傳統(tǒng)定位環(huán)（主要針對套管單耳）和鉸鏈型定位環(huán)進行模擬（見圖5、圖6）。鉸鏈型定位環(huán)采用合頁型構(gòu)造，在相互連接的直螺栓上施加正常工作緊固力矩。經(jīng)過分析表明，原結(jié)構(gòu)和鉸鏈型結(jié)構(gòu)受力后均滿足材料屈服強度要求。由于原有定位環(huán)構(gòu)成了部分套管單耳與斜腕臂的節(jié)點、直線聯(lián)系，受力相對集中，在增加了固定力矩后，結(jié)構(gòu)已趨近于材質(zhì)的最大屈服強度，實際裝配過程中若出現(xiàn)對緊固力矩使用錯誤的情形，則容易引起零部件損傷問題。鉸鏈型結(jié)構(gòu)受力較平衡，斜腕臂的最大應力值遠遠低于U螺栓結(jié)構(gòu)的最大應力值，在構(gòu)造上更合理。

圖5 傳統(tǒng)套管單耳（傳統(tǒng)定位環(huán)組成部分）受力分析

圖6 鉸鏈型定位環(huán)受力分析

3 工藝分析

3.1 新型腕臂

為及時預知鍛造機械在實際制造成型過程中的原物料流動規(guī)律、溫度分布及變化規(guī)律、應力應變、模具受力條件等重要信息，利用有限元手段，借助鍛造機械建模仿真軟件FORGE對結(jié)構(gòu)材料進行計算分析。利用該研究成果，還可在早期階段發(fā)現(xiàn)鍛造工藝中可能會出現(xiàn)的問題，如折疊、流線不順、渦流、裂縫、鍛件過燒等。并在此基礎(chǔ)上，進一步對原結(jié)構(gòu)材料的組合特性、尺寸精度以及表面質(zhì)量等進行優(yōu)化，從而改善產(chǎn)品的內(nèi)部品質(zhì)、工藝出品效率和制造效果。另外，通過計算改善工藝質(zhì)量有助于降低模具消耗的費用，減少模具變形，從而延長模具使用壽命。該計算分析系統(tǒng)可針對鍛壓裝置和鍛造產(chǎn)品的成型結(jié)構(gòu)推薦在相應噸位上進行鍛造，以預測構(gòu)造應力和壓力變化等，用于指導設(shè)計制造。

從坯料與模具的對接、成型和脫模等方面，應用鍛造過程模擬軟件針對結(jié)構(gòu)在實際生產(chǎn)中較難成型的“十”字柱筋鍛造式單耳管進行鍛造過程的模擬仿真。模具和坯料接觸瞬間、單耳成型和自動脫模后的仿真結(jié)果見圖7—圖9。

圖7 模具與坯料接觸瞬間仿真

圖9 自動脫模仿真

通過以上分析，可得斜腕臂的單耳鍛后表面折疊存在的區(qū)域、模具易損的部位（見圖10、圖11中紅色及黃色區(qū)域）。經(jīng)過分析折疊缺陷，推測可能是由于坯料擺放位置不合理或模具的圓角過小造成，應在坯料拐角部位增加更多材料，或增加在其拐角處的倒角半徑至5 mm，以便減少折疊現(xiàn)象的產(chǎn)生，使折疊現(xiàn)象盡可能抑制在飛邊上。

圖10 鍛造模擬分析顯示折疊區(qū)域

圖11 鍛造模擬分析顯示易損部位

對模具磨損問題進行分析，在確定了“十”字柱筋單耳應用功能和技術(shù)特性的前提下，建議把外側(cè)單耳拔模的斜度范圍及根部圓弧倒角半徑增加至5 mm，以有利于脫模，同時可延長模具的使用期限。

圖8 單耳成型仿真

3.2 新型定位環(huán)

利用鍛造仿真軟件FORGE能夠?qū)﹀懠奶盍险郫B作出評價，從而提前確定是否出現(xiàn)斷裂并預測類似于折疊的缺點，而利用軟件數(shù)值模擬則可進行物料流動預測，預知零件缺點，同時還能準確分析零件的最終幾何造型，從而達到用軟件模擬代替實物試模，優(yōu)化了試錯學習，縮短了制作周期，可大大提高鍛件的成型品質(zhì)和生產(chǎn)效率。以旋轉(zhuǎn)平雙耳為例，利用模擬軟件可完成整個鍛造流程仿真（見圖12—圖14）。

圖12 模具與坯料的接觸仿真

圖14 零件脫模仿真

圖13 零件成型仿真

由模擬仿真結(jié)果可得零件鍛后結(jié)構(gòu)折疊和模具易損的情況（見圖15、圖16中紅色區(qū)域）。針對折疊缺陷的單獨剖析可以得出，折疊缺陷產(chǎn)生的主因在于坯料擺放方式不合理及模具內(nèi)圓角過小。優(yōu)化措施為：選用圓棒毛坯料，且在毛坯料轉(zhuǎn)角處部位預留適當物料，并增加在模具拐角處的小圓角，以盡量避免堆疊發(fā)生。針對模型易破碎的解決方案主要是：增加外側(cè)的拔模斜率以及根部圓弧反角。該方案更容易自動脫模，并增加了模型使用期限。

圖15 鍛造模擬分析顯示折疊區(qū)域

圖16 鍛造模擬分析顯示易損部位

優(yōu)化后的模具實現(xiàn)自動頂料，縮短了人工手動脫模時間，降低了模具制造型腔的疲勞性能，延長了模具制造型腔使用壽命，減少了模具修理頻率，明顯提升了產(chǎn)品制造效率。

4 模具及主要工藝流程控制

4.1 新型腕臂模具設(shè)計及工藝控制

通過對“十”字柱筋單耳鍛造的形狀、結(jié)構(gòu)和材料特性進行數(shù)據(jù)模擬分析，得出最優(yōu)的鍛造工藝方式，即采用一次模鍛成型工藝方法，最終確定單耳的鍛件圖，其主要內(nèi)容包括分型面的形態(tài)、位置，與鍛壓機的公差、余量，以及半徑5 mm的圓角設(shè)計、拔模斜率、沖磨連皮形狀和鍛造機收縮率等。由于鍛造模具工作時需不斷承受反復沖擊載荷，同時溫度冷熱交替，部件間相互磨損嚴重。在設(shè)計模具時，應選擇能較好克服以上工況且耐用的模具材料并制定可行的工藝方案。

通過對鍛造力模擬工藝分析，斜腕臂接頭零部件“十”字柱筋單耳采用H13鋼材料，該材質(zhì)具備優(yōu)異的耐熱疲勞性和耐沖擊性，適宜用來制作水冷、高負載、高循環(huán)周期工作條件的熱鍛模。鍛造力數(shù)據(jù)分析表明，“十”字柱筋單耳最優(yōu)形式應采用總體式鍛造模（模具的上、下模均為總體式模板），整個模型可直接固定在高壓壓氣機上。該方法能夠有效改善模型的抗破壞特性。同時利用軟件，在成型加工完畢后還可使用三坐標測量儀實現(xiàn)型腔與產(chǎn)品之間的一致性比對測量。經(jīng)生產(chǎn)試制，零件成型后外形飽滿、無缺陷。

4.2 新型定位環(huán)模具設(shè)計及工藝控制

新型定位環(huán)確定采用一次模鍛成型鍛造工藝。鍛造過程中，也應高度重視鍛造流線分布問題，盡管鋁合金材質(zhì)的可鍛性較好，但流線分布不可忽視。同時還應充分考慮應力聚集現(xiàn)象，并據(jù)此設(shè)計模具的分模面；鋁合金材質(zhì)具有流動性較差（與鋼材質(zhì)相比）、摩擦力較大的特性，在設(shè)計圓角時應考慮增大圓角。

在模具設(shè)計流程中，應考慮模具使用環(huán)境問題。鍛造模具應用環(huán)境惡劣，必須選用合適的模具材質(zhì)。H13熱作模具鋼具有超高的淬透力、高韌度和優(yōu)良的抗熱裂能力，在工作場所中可予以水冷。結(jié)合鍛造的模擬工藝分析和材料使用經(jīng)驗，合頁型定位環(huán)旋轉(zhuǎn)平雙耳選用該材料作為模具鋼。

5 結(jié)束語

新型接觸網(wǎng)腕臂系統(tǒng)采用一體式結(jié)構(gòu)、雙“十”字柱筋單耳連接方式和鍛造生產(chǎn)制作工藝。在構(gòu)造上更為簡單，有效減少了零部件組成量，同時取消了原來必需的緊固件，徹底消除了鑄造工藝的自身技術(shù)弊端，并改善了材料材質(zhì)，從根源上改善了零部件的綜合服役特性。新型定位環(huán)將傳統(tǒng)套筒雙耳和鋁合金定位環(huán)2個連接零部件功能合二為一，因而大大減少了零部件類型和固定件的總量，也極大降低了現(xiàn)場施工和后期運營維修工作量，其最大優(yōu)點是使用了鉸鏈抱箍的連接技術(shù)和鍛造工藝，零部件和緊固件的總量都有所減小，結(jié)構(gòu)受力也實現(xiàn)了優(yōu)化。接觸網(wǎng)新型斜腕臂及鉸鏈型定位環(huán)的成功研發(fā)，為我國高速鐵路接觸網(wǎng)裝備技術(shù)升級提供了新思路。