李順新，蘇東海，葛憲順，王志博，賈永帥

(沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

0 引言

高鐵貫通地線主要應用于鐵路接地工程，接地的主要目的是保證人身安全和設備安全。高鐵貫通地線的工藝結(jié)構較為簡單，由絞合導體外緊密包覆一層合金護套組成。目前國內(nèi)外制備高鐵貫通地線常用的方法是連續(xù)縱包焊接工藝，但其存在一定的缺陷：①由于銅合金護套較厚，且硬度大，變形困難，采用傳統(tǒng)的連續(xù)縱包焊接工藝存在生產(chǎn)速度慢，生產(chǎn)效率低的問題；②傳統(tǒng)的工藝變形方法易造成合縫不穩(wěn)定，導致偏弧、穿洞等焊接缺陷，不能保證產(chǎn)品質(zhì)量，再者焊接電流的大小和焊弧位置靠目測和人工調(diào)整，根本無法有效控制和跟蹤焊接質(zhì)量[1-3]；③采用傳統(tǒng)工藝方法生產(chǎn)出的產(chǎn)品，合金護套與內(nèi)導體之間難免會存在間隙，這種間隙會使高鐵貫通地線在使用過程中出現(xiàn)內(nèi)導體與護套之間打火的現(xiàn)象，長期打火會損傷高鐵貫通地線。

本文區(qū)別于傳統(tǒng)制備技術及工藝，開發(fā)出采用CPC鑄造法制備高鐵貫通地線的制備系統(tǒng)。所謂CPC(Continuous Pouring Process for Clad)工藝即連續(xù)澆注復合鑄造工藝。在鑄造過程中，先將紫銅絞線與牽引裝置連接并安置在結(jié)晶器中，然后澆注H65黃銅熔液，金屬液在結(jié)晶器中凝固將紫銅絞線包裹，將凝固部分連續(xù)向下牽引實現(xiàn)復層軋輥。該法工藝簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，而且可使H65黃銅護套與紫銅絞線結(jié)合面實現(xiàn)冶金結(jié)合，大幅提高產(chǎn)品質(zhì)量[4-5]。

1 連續(xù)澆注復合鑄造系統(tǒng)機械結(jié)構設計

1.1 機械結(jié)構總體設計

連續(xù)澆注復合鑄造法制備高鐵貫通地線的整體設備主要按工藝階段分為三部分：第一部分為紫銅絞線的預處理階段設備，該階段的設備包括開卷機、打磨機、矯直機以及設備開始運作之前需要進行的對中裝置；第二部分為H65黃銅顆粒的熔化及雙金屬復合階段設備，該階段設備包括加熱爐、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、結(jié)晶器、噴淋裝置以及測速機構；第三部分包括導向輪、收卷機構等，主要負責整個制備流程的牽引。圖1為連續(xù)澆注復合鑄造系統(tǒng)總體結(jié)構。

1-開卷機；2，12-導向輪；3-打磨機；4-對中機構1；5-矯直機構；6-對中機構2；7-測速機構；8-加熱爐；9-結(jié)晶器；10-對中機構3；11-噴淋裝置；13-收卷機構；14-冷卻水箱；15-電控柜

系統(tǒng)工作前先通過對中裝置進行對中，然后紫銅絞線依次通過打磨機構去除氧化層及雜質(zhì)、矯直機矯直后通過加熱爐在結(jié)晶器內(nèi)進行雙金屬熔合，再由噴淋機構進行二次冷卻，最后由收卷機構牽引拉出完成制備。

1.2 開卷機結(jié)構設計

開卷機布置在設備入口部分的前端，其主要作用是支撐已纏有紫銅絞線的線輥，使紫銅絞線在牽引力的作用下進行開卷。開卷機的芯軸是一根空心軸，通過兩個支撐底座支撐在機架上以保持開卷機的剛度和穩(wěn)定性。通過線輥兩側(cè)的鎖緊螺母進行軸向固定，通過支撐底座上的螺栓備緊至適當狀態(tài)來保證開卷機可以自由平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動。

1.3 打磨機結(jié)構設計

打磨機主要用以去除紫銅絞線表面的氧化層及雜質(zhì)，從而提高雙金屬復合階段紫銅絞線與H65黃銅合金的結(jié)合質(zhì)量。

首先，打磨機采用主要由中心齒輪、中間齒輪以及行星齒輪組成的齒輪系統(tǒng)來實現(xiàn)打磨過程打磨刷的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)，從而保證紫銅絞線可被全面且均勻地打磨以及打磨過程的平穩(wěn)性；其次，打磨機的電機與變頻器連接，在打磨過程中可以調(diào)整打磨速度，從而保證打磨效果。該打磨機具有傳動平穩(wěn)、打磨均勻、效率高、壽命長、打磨速度可調(diào)節(jié)以及結(jié)構緊湊等特點。

1.4 矯直機構結(jié)構設計

矯直機構的功能是將打磨后的紫銅絞線進行矯直，保證在雙金屬復合階段的H65黃銅護套、紫銅絞線同心，形成良好的結(jié)合界面。為了保證紫銅絞線所受應力適中，矯直機構的主體由5個矯直輪組成，使其穿過時受到4次矯直力的作用。系統(tǒng)工作前，通過對矯直機構的調(diào)整壓板進行調(diào)整，使紫銅絞線從矯直機構正中心通過，然后備緊螺栓，使得矯直輪充分發(fā)揮矯直作用，進一步保證紫銅絞線與H65黃銅合金在雙金屬復合階段的結(jié)合質(zhì)量。

1.5 對中機構設計

本系統(tǒng)設有3個對中機構，分別位于矯直機構入口、加熱爐入口以及結(jié)晶器的出口。

對中機構的主要作用是保證紫銅絞線在整套系統(tǒng)的中心通過從而保證鍍層均勻。對中機構1、對中機構2的內(nèi)孔直徑與紫銅絞線直徑相同，而對中機構3的內(nèi)徑與鍍層后的銅線直徑相同，但其裝有可拆調(diào)整套。對中調(diào)整完成后，將結(jié)晶器下端對中機構3的可拆導向套拆下，從而使得鍍層后的產(chǎn)品可被自由牽引。

1.6 結(jié)晶器結(jié)構設計

H65黃銅熔液的冷卻凝固、傳熱和結(jié)晶過程均在結(jié)晶器內(nèi)完成，在連鑄期間，銅液在結(jié)晶器中經(jīng)過冷卻凝固成有一定厚度的護套，然后再進入二次冷卻區(qū)，所以結(jié)晶器作為冷卻系統(tǒng)的核心，決定了初生鑄坯的質(zhì)量，其重要性不言而喻。

本次設計為管式結(jié)晶器，用石墨套制成結(jié)晶器斷面，石墨套外套有導熱性能良好的銅套以及導流套，在銅套與導流套之間形成冷卻水通路。該結(jié)晶器具備良好且均勻的導熱性能、足夠的結(jié)構剛度、良好的耐磨性以及結(jié)構簡單、制造方便等特點。另外，在與進水口成45°位置分別設置一個測溫端口、一個測壓端口，用來測量銅套的溫度以及結(jié)晶器測壓接管內(nèi)的壓力。

1.7 噴淋裝置設計

噴淋裝置為整套系統(tǒng)的二次冷卻裝置。首先，為了更好地控制冷卻水溫度，噴淋裝置將回水和供水設置成兩個獨立的水箱；其次，該噴淋裝置采用了環(huán)形腔結(jié)構，供水通過外部焊接的一個進水口進入環(huán)形腔，內(nèi)部設有三個均布的“四分”噴淋頭以保證產(chǎn)品冷卻均勻。

1.8 收卷機構結(jié)構設計

對于連續(xù)澆注復合鑄造系統(tǒng)而言，整套設備的牽引依靠收卷機構的牽引力來完成。收卷機構是系統(tǒng)不可或缺的一部分，其對產(chǎn)品質(zhì)量以及連續(xù)澆注復合鑄造的連續(xù)生產(chǎn)有著至關重要的影響。

經(jīng)過打磨、矯直、結(jié)晶、噴淋等一系列的加工機構，最后銅線通過導向輥進入到收卷機構?？紤]到收卷過程負載較大，收卷機構主軸與電機之間采用鏈傳動，具有效率高、傳遞功率大、過載能力強以及相同工況下傳動尺寸小等特點。為保證銅線布線均勻，本次設計通過同步帶傳動以及往復絲杠來實現(xiàn)收卷機構的自動布線以及布線過程的自動換向；另外，整個收卷過程可通過變頻器來進行收卷速度的調(diào)整。

2 產(chǎn)品對比

利用本制備系統(tǒng)進行了產(chǎn)品制備實驗，并與使用傳統(tǒng)制備方法制備的產(chǎn)品進行了對比，如圖2所示。

圖2 不同制備系統(tǒng)制備的產(chǎn)品對比

從實驗結(jié)果來看，本制備系統(tǒng)制備的高鐵貫通地線結(jié)合界面氣孔面積明顯小于使用傳統(tǒng)制備方法制備的產(chǎn)品，H65黃銅與紫銅絞線界面實現(xiàn)了很好的結(jié)合，大幅提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

3 結(jié)語

針對目前國內(nèi)外對高鐵貫通地線制備存在的諸多問題，本文設計了一套連續(xù)澆注復合鑄造系統(tǒng)。該設計實現(xiàn)了高鐵貫通地線的連續(xù)生產(chǎn)，有效地解決了傳統(tǒng)制備方法存在的生產(chǎn)速度慢、生產(chǎn)效率低的問題，而且提升了產(chǎn)品質(zhì)量，對今后高鐵貫通地線的生產(chǎn)具有一定的指導意義。