張旭峰，郭如飛，李曉軍，李明杰

0 引言

匈塞鐵路北起匈牙利布達(dá)佩斯，南至塞爾維亞貝爾格萊德，全長350 km。在建匈塞鐵路匈牙利段項(xiàng)目由中方與匈方組成的聯(lián)合體實(shí)施，采用集設(shè)計(jì)、采購、施工一體的EPC總承包模式，有利于國內(nèi)接觸網(wǎng)裝備在歐洲推廣應(yīng)用。匈牙利作為歐盟成員國，其鐵路接觸網(wǎng)裝備應(yīng)符合歐盟電力牽引供電EN 50119[1]標(biāo)準(zhǔn)及匈牙利國家鐵路公司接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工要求（21717/2016/MAV）[2]，對(duì)于國內(nèi)成熟的接觸網(wǎng)零部件，需要在與歐盟既有產(chǎn)品保持結(jié)構(gòu)及接口一致的前提下，結(jié)合國內(nèi)接觸網(wǎng)裝備成熟制造經(jīng)驗(yàn)，對(duì)符合歐標(biāo)的匈牙利接觸網(wǎng)原型產(chǎn)品在材質(zhì)、生產(chǎn)工藝等方面進(jìn)行優(yōu)化，研制出符合歐洲通用標(biāo)準(zhǔn)要求的改進(jìn)型國產(chǎn)化接觸網(wǎng)產(chǎn)品，以滿足匈牙利國家鐵路接觸網(wǎng)提速改造技術(shù)要求。

1 匈牙利段原型腕臂支撐及定位結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 腕臂支撐及定位裝置

匈塞鐵路匈牙利段中間柱典型腕臂支撐及定位裝置如圖1所示。腕臂支撐整體為斜拉方式，斜腕臂采用中間粗兩頭細(xì)變徑圓管結(jié)構(gòu)，下端通過絕緣子連接腕臂下底座，上端安裝承力索座，通過拉桿及絕緣子連接腕臂上底座。定位裝置為斜拉三角結(jié)構(gòu)，定位管近支柱側(cè)通過定位環(huán)連接在斜腕臂上，近線路側(cè)通過定位管吊線連接在斜腕臂上部端頭，接觸線空間位置固定采用帶限位功能結(jié)構(gòu)的限位定位器及定位支座。

圖1 斜拉結(jié)構(gòu)腕臂支撐及定位裝置

1.2 主要產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材質(zhì)及工藝

1.2.1 承力索座

承力索座由承力索座本體、抱箍、承力索壓板及緊固件組成，集成了腕臂連接器連接平斜腕臂和支撐承力索雙重功能。承力索座本體上連接雙耳與斜拉桿耳環(huán)連接，本體上半圓弧槽與抱箍通過緊固件連接斜腕臂一側(cè)圓管；承力索本體上設(shè)置2根承力索的線槽，通過壓板可固定1根或2根承力索。

承力索座本體、下抱箍及壓板采用鑄造工藝生產(chǎn)，采用歐標(biāo)EN 10293中牌號(hào)為Tǒ400材質(zhì)（與國內(nèi)球墨鑄鐵材質(zhì)相似），表面鍍鋅厚度80～100 μm，螺栓副選用性能等級(jí)為A2-70不銹鋼緊固件或8.8級(jí)的碳鋼緊固件（鋅層厚度20～40 μm）。

1.2.2 限位定位支座

定位支座為分體結(jié)構(gòu)，由支座本體及連接耳環(huán)兩部分組成，二者通過螺栓連接為整體，支座本體采用頂緊螺栓與定位管固定，本體上限位釘用于定位器抬高限位。

支座本體及連接耳環(huán)均采用鑄造工藝制造，材料選用EN 1706標(biāo)準(zhǔn)中牌號(hào)為AlSi10Mg（T6）的鋁合金材質(zhì)。

1.2.3 限位定位器

定位器由定位器本體、定位鉤及定位銷釘套筒3部分組成，限位定位本體與定位鉤、定位銷釘套筒通過半圓頭銷釘鉚接固定，定位鉤上缺口與定位支座連接環(huán)匹配，定位器本體一端設(shè)置有防風(fēng)拉線連接孔，定位銷釘為圓柱凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，接口尺寸與定位線夾匹配。

定位器本體采用EN 573中牌號(hào)為AlSi1MgMn（T6）的鋁型材；定位鉤采用EN 1706中牌號(hào)為AlSi10Mg的鋁合金材質(zhì)，鑄造工藝生產(chǎn)；定位銷釘套筒采用鑄造工藝加工，材質(zhì)為AlSi10Mg鋁合金；定位銷釘本體采用機(jī)械加工生產(chǎn)，材料選用EN 10088中牌號(hào)為X20Cr13的不銹鋼。

1.2.4 定位線夾

定位線夾由2件線夾本體及緊固件組成，線夾本體上一側(cè)為螺紋孔，另一側(cè)為光孔，緊固件采用對(duì)向安裝方式。線夾本體材質(zhì)采用EN 1982中CuAl10Fe5Ni5，銅合金砂型鑄造工藝制造，螺栓采用A2-70級(jí)不銹鋼，螺母采用A4-70級(jí)不銹鋼。

2 國產(chǎn)化技術(shù)方案

匈塞鐵路設(shè)計(jì)運(yùn)營速度160 km/h，遠(yuǎn)期預(yù)留設(shè)計(jì)速度200 km/h。匈牙利既有接觸網(wǎng)產(chǎn)品一方面無160 km/h運(yùn)營業(yè)績（匈牙利既有線路最高運(yùn)行速度為120 km/h），若不對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化，運(yùn)行速度提高至160 km/h后，產(chǎn)品的安全可靠性有一定風(fēng)險(xiǎn)；另一方面匈牙利既有產(chǎn)品大多采用鑄造銅合金、鑄造鋁合金或鑄鐵工藝，生產(chǎn)工藝落后，如果按照原工藝生產(chǎn)無法適應(yīng)國內(nèi)日益嚴(yán)格的綠色、環(huán)保、低碳要求。受限于匈牙利鐵路公司要求：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及接口尺寸必須符合匈牙利國家鐵路公司發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)圖冊(cè)，不能進(jìn)行改動(dòng)。因此，在國產(chǎn)化研究時(shí)，依據(jù)原材料牌號(hào)等同或優(yōu)于原型產(chǎn)品、生產(chǎn)工藝優(yōu)于原型產(chǎn)品的原則，從原材料的選擇、生產(chǎn)工藝2個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)和研究，提高產(chǎn)品的安全可靠性，以滿足160 km/h設(shè)計(jì)運(yùn)營速度。本文選取腕臂支撐及定位裝置中的承力索座和定位線夾兩種典型產(chǎn)品，說明本次匈塞鐵路產(chǎn)品國產(chǎn)化改進(jìn)的思路和方法。

2.1 承力索座國產(chǎn)化方案

2.1.1 材質(zhì)及生產(chǎn)工藝

通過對(duì)承力索座本體、抱箍、壓板原型零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，3個(gè)零件具有半圓弧、加強(qiáng)筋等特征，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不適合鍛造工藝生產(chǎn)，而采用砂型鑄造產(chǎn)品外觀質(zhì)量差、尺寸穩(wěn)定性不高、影響產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量的因素多、不利于機(jī)械化生產(chǎn)，同時(shí)難以滿足環(huán)保要求，因此熔模失蠟鑄造工藝不失為最佳選擇。為了提升產(chǎn)品性能同時(shí)滿足歐標(biāo)EN 10293要求，擬選用GS240鑄鋼工藝生產(chǎn)承力索座包含的3種零部件，原材料力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 GS240材料參數(shù)

2.1.2 理論分析

匈牙利國家鐵路公司接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工要求（21717/2016/MAV）中，承力索與接觸線張力組合為10 kN+10 kN，而對(duì)產(chǎn)品性能指標(biāo)無具體要求。根據(jù)匈塞鐵路整體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，擬借鑒國內(nèi)時(shí)速160 km線路技術(shù)要求，即承力索與接觸線張力組合為15 kN +15 kN，產(chǎn)品工作荷載參照TB/T 2075.1—2020[3]接觸網(wǎng)零部件工作荷重確定，破壞荷重按照歐標(biāo)EN 50119（電力牽引架空接觸網(wǎng)）要求的2.5倍工作荷載進(jìn)行核定。

基于以上原則，承力索座性能指標(biāo)確定如下：最大水平工作荷重5.8 kN；最大垂直工作荷重4.9 kN；水平破壞荷重不小于14.5 kN；垂直破壞荷重不小于12.25 kN；與斜腕臂間滑動(dòng)荷重不小于7.72 kN；與承力索（50 mm2）滑動(dòng)荷重不小于2 kN。

基于SolidWorks軟件平臺(tái)，按照原型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)構(gòu)建產(chǎn)品三維模型，并根據(jù)選用的材料牌號(hào)GS240設(shè)定原材料彈性模量、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等參數(shù)，按照產(chǎn)品實(shí)際使用工況設(shè)置約束限定條件，并按照水平破壞荷重14.5 kN，垂直破壞荷重12.25 kN對(duì)承力索座進(jìn)行靜態(tài)載荷加載，通過SolidWorks有限元分析模塊[4]對(duì)承力索座本體在靜力荷載作用下的受力變形進(jìn)行分析求解，得出承力索座關(guān)鍵截面的應(yīng)力，如圖2所示。

圖2 承力索座破壞荷載應(yīng)力云圖

由圖2可以看出，最大應(yīng)力值為57.5 MPa，小于材料GS240屈服強(qiáng)度（240 MPa），產(chǎn)品的整體性能滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求。

（1）承力索座與斜腕臂滑動(dòng)荷重計(jì)算（要求摩擦力F≥滑動(dòng)荷重Q）。

摩擦力計(jì)算式：

式中：f為摩擦系數(shù)，取0.2；A為壓力面積，即承力索座與斜腕臂的內(nèi)表面積A= 8 105.3 mm2；P為內(nèi)表面壓強(qiáng)，P=nF0/(WD)，其中：n為螺栓個(gè)數(shù)，取2，F(xiàn)0為預(yù)緊力，W為抱箍寬度（60 mm），D為斜腕臂管直徑（42 mm）。

緊固力矩計(jì)算式：

式中：T為緊固力矩，取44 N·m；K為扭矩系數(shù)，取0.22；F0為預(yù)緊力，N；d為螺紋公稱直徑，取12 mm。

通過式（2）可計(jì)算預(yù)緊力F0≈21.21 kN，則內(nèi)表面壓強(qiáng)P= 12.33 N/mm2，代入式（1），得到摩擦力F≈25.43 kN，滿足與腕臂管滑動(dòng)荷重設(shè)計(jì)要求（不小于7.72 kN）。

（2）承力索座與承力索（50 mm2）滑動(dòng)荷重計(jì)算（要求摩擦力F≥滑動(dòng)荷重Q）。

摩擦力、內(nèi)表面壓強(qiáng)及緊固力矩計(jì)算式均與上文中承力索座與斜腕臂滑動(dòng)荷重計(jì)算方法相同。不同的是A的取值為承力索座的線索處內(nèi)表面積，且A= 879.2 mm2。

通過計(jì)算可得預(yù)緊力F0≈21.21 kN，內(nèi)表面壓強(qiáng)P= 75.76 N/mm2，則摩擦力F≈13.32 kN，滿足滑動(dòng)荷重要求（不小于2 kN）。

根據(jù)有限元應(yīng)力及滑移計(jì)算結(jié)果可知，承力索座選材及性能均滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1.3 熔模失蠟鑄造生產(chǎn)工藝

由于承力索座結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，產(chǎn)品壁厚不均勻，GS240材質(zhì)澆注溫度較高，為保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，采用熔模失蠟鑄造工藝進(jìn)行生產(chǎn)試制。為分析本體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的工藝性，選擇將產(chǎn)品豎直放置，一模兩件，在最上部添加補(bǔ)縮冒口，然后對(duì)產(chǎn)品的加工余量、工藝臺(tái)等進(jìn)行優(yōu)化，最后設(shè)置收縮比例及澆注系統(tǒng)，確定如圖3所示澆注工藝。

圖3 承力索座本體澆注工藝

為確保澆注工藝的正確性，減小失敗的風(fēng)險(xiǎn)，采用ProCAST鑄造模擬軟件[5]分析工藝方案，確定相關(guān)鑄造工藝參數(shù)，如圖4、圖5所示。經(jīng)過分析鑄造過程中的溫度場和流動(dòng)場，產(chǎn)品的澆注工藝符合鑄件順序凝固條件，設(shè)置的冒口在最終凝固階段可以起到補(bǔ)縮作用，模擬結(jié)果顯示該澆注方案是合理的，符合預(yù)期。

圖4 承力索座凝固過程溫度場

圖5 承力索座凝固過程固相分?jǐn)?shù)

2.1.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)確定的工藝方案設(shè)計(jì)制作了壓蠟?zāi)＞?，確定了組模方案，經(jīng)過產(chǎn)品試制，產(chǎn)品尺寸和性能均符合設(shè)計(jì)要求，試制產(chǎn)品未出現(xiàn)縮松、縮孔、澆注不足等鑄造缺陷，X射線探傷樣件產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量也達(dá)到使用要求。試制結(jié)果表明：該澆注方案成品率高，質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率滿足供貨需求。

毛坯產(chǎn)品經(jīng)過熔模失蠟鑄造工藝成型后，還需將產(chǎn)品毛坯進(jìn)行后處理，最終組裝投入使用，整體生產(chǎn)工藝流程：制作臘模修模組模制殼脫蠟焙燒熔煉澆注清砂切割磨澆口精整檢驗(yàn)入庫。

樣件試制完成后，在廠內(nèi)進(jìn)行產(chǎn)品性能指標(biāo)驗(yàn)證，性能指標(biāo)完全滿足技術(shù)要求，見表2。

表2 承力索座廠內(nèi)性能驗(yàn)證

產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)驗(yàn)證合格后送第三方接觸網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)備檢測中心，按照歐標(biāo)MSZ EN 50119、BS EN 10293、TB/T 2073—2020《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件技術(shù)條件》、TB/T 2074—2020《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件試驗(yàn)方法》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能試驗(yàn)檢測，取得了合格型式試驗(yàn)報(bào)告。

2.2 定位線夾國產(chǎn)化方案

2.2.1 材質(zhì)及生產(chǎn)工藝

通過對(duì)原型產(chǎn)品定位線夾的分析，在保持產(chǎn)品外形尺寸與原型產(chǎn)品一致的原則下，原材料選用符合歐標(biāo)，且性能指標(biāo)優(yōu)于原型產(chǎn)品的材料牌號(hào)，制造工藝同樣遵循從優(yōu)原則；定位線夾采用金屬模鍛工藝生產(chǎn)，材料牌號(hào)確定為CuNi2Si，符合EN 12163標(biāo)準(zhǔn)要求，材料參數(shù)見表3。

表3 定位線夾材料參數(shù)

2.2.2 理論分析

參照TB/T 2075.3—2020標(biāo)準(zhǔn)，定位線夾工作荷載設(shè)定為3.0 kN，破壞荷載依照EN 50119標(biāo)準(zhǔn)取安全系數(shù)為2.5，則破壞荷載設(shè)定為7.5 kN，受力方向?yàn)樗椒较颉?/p>

基于SolidWorks三維軟件建模平臺(tái)，構(gòu)建產(chǎn)品三維模型，并按使用工況設(shè)定約束條件，確定加載方向和加載位置，對(duì)定位線夾進(jìn)行靜力荷載作用下的受力變形分析，得出定位線夾的應(yīng)力云圖，如圖6所示。

圖6 定位線夾應(yīng)力云圖

由圖6可以看出，最大應(yīng)力位于尖角部位，主要表現(xiàn)為應(yīng)力集中，最大應(yīng)力值為109.5 MPa，遠(yuǎn)小于CuNi2Si材料屈服強(qiáng)度（370 MPa），強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)的要求。

2.2.3 金屬模鍛工藝

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖及原材料屬性，確定需要考慮的收縮率（銅合金材質(zhì)按照線性尺寸的1.2%～1.5%考慮），卡線78°牙尖處最小鍛造圓角為R0.5，其余一律取R1，起模斜度按照3°設(shè)計(jì)，鍛件見圖7。

圖7 定位線夾鍛件圖

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定分型面位置如圖7所示，根據(jù)產(chǎn)品最大截面積計(jì)算鍛造用原材料規(guī)格為Φ24×80，依據(jù)式（3）計(jì)算鍛造成型所需鍛機(jī)的公稱壓力：

式中：P為鍛造壓力；α為鍛模形式系數(shù)，定位線夾為開式鍛模，α取4；F為鍛件在平面投影面積，三維投影面積為5 230 mm2；V為鍛件體積，取17 803 mm3；σs為鍛造用料在終鍛溫度下的流動(dòng)極限，CuNi2Si材質(zhì)終鍛溫度700 ℃，流動(dòng)極限取36.37 N/mm2。計(jì)算得到鍛造成型壓力P= 3 138 kN。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果選取鍛機(jī)公稱壓力為4 000 kN。設(shè)備規(guī)格確定后，確定鍛模所需承壓面積，并在此基礎(chǔ)上依據(jù)鍛機(jī)滑塊行程，確定鍛模上下模具的尺寸規(guī)格為240 mm×180 mm×140 mm。

由于鍛件投影面積較小，為了提高模具利用率，在鍛機(jī)偏載許可范圍內(nèi)確定采用一模兩腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鍛模如圖8所示。

圖8 鍛模及模擬分析

鍛模塊設(shè)計(jì)完成后，利用FORGE鍛造成型分析軟件[6]對(duì)鍛模塊進(jìn)行鍛造模擬成型分析，如圖8所示，設(shè)定CuNi2Si鍛件加熱溫度為840 ℃，滑塊行程160 mm，模具預(yù)熱溫度為250 ℃。通過鍛模成型結(jié)果可知：鍛模成型飽滿，沒有缺肉、折疊等缺陷，鍛后平均溫度為720 ℃，滿足工藝要求。

依據(jù)銅合金鍛造工藝規(guī)范，結(jié)合產(chǎn)品性能指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)定位線夾本體加工工藝流程：下料感應(yīng)爐加熱終鍛成形快速水冷時(shí)效強(qiáng)化熱處理切飛邊表面拋丸處理機(jī)加工拋丸表面光飾攻絲加工螺紋孔表面干燥組裝裝配檢驗(yàn)入庫。

2.2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

依照上述生產(chǎn)工藝流程組織產(chǎn)品小批量生產(chǎn)，在廠內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果符合技術(shù)要求，見表4。

表4 定位線夾廠內(nèi)指標(biāo)驗(yàn)證

技術(shù)指標(biāo)驗(yàn)證合格后送第三方接觸網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)備檢測中心，按照歐標(biāo)MSZ EN 50119、BS EN 10293、TB/T 2073—2020《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件技術(shù)條件》、TB/T 2074—2020《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件試驗(yàn)方法》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能試驗(yàn)檢測，取得了合格型式試驗(yàn)報(bào)告。

3 結(jié)語

在無法變更原型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸的前提下，通過變更產(chǎn)品原材料、改進(jìn)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝，提升了產(chǎn)品整體性能，既滿足了線路運(yùn)營速度升級(jí)的要求，又滿足了國內(nèi)對(duì)工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)綠色、環(huán)保、低碳的要求。按照上述思路，先后完成了匈塞鐵路47種接觸網(wǎng)產(chǎn)品的試制，試制樣品得到了匈牙利國家鐵路公司的認(rèn)可。

國產(chǎn)化產(chǎn)品在制造質(zhì)量、性能指標(biāo)、可靠性等方面均優(yōu)于原型產(chǎn)品，符合歐盟互聯(lián)互通的基本要求，為國內(nèi)接觸網(wǎng)產(chǎn)品進(jìn)入歐盟市場打通了最后一道壁壘，提供了一套經(jīng)濟(jì)、可行的技術(shù)方案。