接触网系统轻量化定位双环的研制

田 乐，柴 欢，张鹏飞，张旭峰

0 引言

定位双环是接触网系统的重要零部件。在电气化铁路及城市轨道交通接触网链形悬挂和简单悬挂中，定位双环安装于腕臂上，用于连接双支定位管和双支拉线[1]。这种定位双环由2个抱箍、2个定位耳环及若干紧固件组成。定位环抱箍和定位耳环在生产制造时需要开制两种不同模具锻造生产，占用生产设备多，降低了生产效率；由于零件和紧固件较多，在现场安装时，其组装调整很不方便。本文对既有定位双环结构进行优化研究，提出一种轻量化定位双环设计，并对其力学性能进行验证。

1 新方案提出

既有定位双环由定位环抱箍、定位耳环和一系列紧固件组成，结构如图1所示。

图1 既有定位双环结构

针对既有定位双环的零件较多，需考虑减少零件数量，对既有的定位双环抱箍和定位耳环进行一体化设计。一体化设计后的轻量化定位双环由2个融合了既有定位双环抱箍和定位耳环的新定位双环抱箍、4套紧固件组成，如图2所示。新定位双环抱箍呈弓形结构，两端分为长支和短支。在短支端设置2个开设有防转槽的连接通孔，用于与螺栓连接时的防松保护。在长支端设置2个连接通孔，用于与短支端连接通孔配合连接。长支端仍具有原定位耳环的功能，设计有一带凹槽的圆环，用于定位管上的定位钩或拉线的连接。为提高强度，在新定位双环抱箍圆弧段外侧边缘和长支端与圆弧段过渡处、短支段与圆弧过渡处设置凸筋。

图2 轻量化定位双环结构

轻量化定位双环仅需要新定位双环抱箍一种结构零件，2件成套配对使用，相比既有定位双环，去掉了2个定位耳环。其上的防转槽减少了防松紧固件的使用，降低了装配劳动强度。

2 有限元仿真分析

在技术要求中，定位双环需满足最大工作荷载性能、滑移荷载性能、破坏荷载性能要求：（1）最大水平工作荷载5.0 kN，最大垂直工作荷载8.0 kN，即定位双环在该工况下不能出现塑性变形，能够完成正常工作；（2）滑动荷载不小于8.0 kN，即定位双环在该工况下不能出现滑动现象；（3）水平破坏荷载不小于15.0 kN，垂直破坏荷载不小于24.0 kN，即定位双环在该工况下不能发生断裂。

针对以上结构，首先在SolidWorks中进行三维建模，并赋予材料属性。材料采用Q235B，弹性模量21 000 MPa，泊松比0.3，屈服强度235 MPa，抗拉强度580 MPa[2]。然后将SolidWorks中的三维模型导入Simulation中，对几何模型进行网格划分（图3），并对模型依照仿真分析项目表施加力与位移的边界条件进行最大工作荷载、滑动荷载、破坏荷载性能分析，分析项目如表1所示。

表1 仿真分析项目

图3 网格化模型

通过加载仿真运算得到图4所示云图，可以看出：在最大水平工作载荷、最大垂直工作载荷下，最大应力均小于材料的屈服应力；在水平破坏载荷、垂直破坏载荷下，最大应力均小于材料的抗拉强度。从位移云图看出，在滑动荷载下，最大位移出现在受力的环部，最大值为16.34 μm。

图4 仿真云图

综上所述，通过有限元仿真分析，轻量化定位双环结构满足相应的力学性能要求，可以进一步开模试制，对样件进行力学性能和振动及疲劳性能的试验检验。

3 试验验证

轻量化定位双环开模试制件如图5所示。参考现行铁路标准[3-5]对轻量化定位双环试制件进行试验。力学性能试验项目包括：滑动荷载试验、水平破坏荷载试验、垂直破坏荷载试验、振动试验、振动后滑动荷载试验、疲劳试验、疲劳后水平破坏荷重试验、疲劳后垂直破坏荷重试验、紧固力矩试验。

图5 轻量化定位双环试制件

试验中用到的设备有：数显游标卡尺、覆层测厚仪、硫酸铜恒温装置、数显扭矩扳手、100 kN液压万能试验机、电液伺服疲劳试验机、振动测试模拟装置。试验得到的数据如表2和表3所示。

表2 试验数据1

表3 试验数据2

由表2和表3试验数据和结果可知：轻量化定位双环样件通过了以上检验项目，该轻量化定位双环可满足使用要求。

4 结语

针对既有定位双环存在结构上锻件种类多，生产上占用设备台套数多，安装不方便等不足，本文通过有限元仿真和试验验证，研制了轻量化定位双环。通过将定位耳环和定位双环抱箍进行一体化设计，减少了锻件种类，提高了设备的利用率，降低了生产成本，提高了施工安装的便捷性。