韓寶峰，張曉輝，張琦

（1.寶雞保德利電氣設(shè)備有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721000；2.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 電化電信工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300308）

0 引言

目前，我國(guó)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(shí)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(diǎn)接觸，因此安全系數(shù)非常低，而且頂緊螺栓在長(zhǎng)期振動(dòng)過程中很容易產(chǎn)生松動(dòng)。同樣，連接件和腕臂管之間在長(zhǎng)期服役過程中極易產(chǎn)生滑動(dòng)現(xiàn)象，而運(yùn)營(yíng)維修人員很難及時(shí)找到原因，造成了潛在安全隱患［3-5］。隨著國(guó)內(nèi)外高速鐵路的快速發(fā)展，對(duì)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(jiǎn)潔、性能平穩(wěn)、質(zhì)量輕，便于現(xiàn)場(chǎng)裝配且免維修的斜腕臂系統(tǒng)已成趨勢(shì)。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(dú)立連接斜腕臂，其結(jié)構(gòu)上相對(duì)可靠，但實(shí)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(fù)雜。為了達(dá)到新型接觸網(wǎng)系統(tǒng)裝備可靠性高、簡(jiǎn)統(tǒng)化（結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件少、緊固件數(shù)量少、維護(hù)方便）的設(shè)計(jì)目標(biāo)，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(yīng)用于我國(guó)高速鐵路（時(shí)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(jì)5個(gè)緊固件，同時(shí)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(diǎn)接觸，安裝時(shí)可能由于施加力矩過大而對(duì)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(duì)腕臂管甚至整個(gè)腕臂支撐裝置造成潛在安全隱患。針對(duì)以上問題，在結(jié)構(gòu)、工藝、材料、制造模具等方面進(jìn)行研究探討，在保證其使用性能不變的前提下，研發(fā)簡(jiǎn)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(guó)既有時(shí)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(dá)到相對(duì)安全的連接效果，但實(shí)際安裝與使用中需要同時(shí)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(duì)既有構(gòu)件進(jìn)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(diǎn)

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(shí)現(xiàn)。該構(gòu)件在原來構(gòu)造基礎(chǔ)上揚(yáng)長(zhǎng)避短，既減少了頂緊螺栓連接對(duì)斜腕臂管的磨損，也使整個(gè)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(shí)，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(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)，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(shí)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(chǎng)預(yù)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(yùn)營(yíng)、維護(hù)工作量。同時(shí)，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(diǎn)。上部抱箍為獨(dú)立雙耳、下部抱箍為單耳，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(qiáng)度為240 MPa。鉸鏈型定位環(huán)材質(zhì)為6082鋁合金，屈服強(qiáng)度約為260 MPa。通過有限元分析對(duì)傳統(tǒng)定位環(huán)（主要針對(duì)套管單耳）和鉸鏈型定位環(huán)進(jìn)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(qiáng)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(diǎn)、直線聯(lián)系，受力相對(duì)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(qiáng)度，實(shí)際裝配過程中若出現(xiàn)對(duì)緊固力矩使用錯(cuò)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(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于U螺栓結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)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(shí)預(yù)知鍛造機(jī)械在實(shí)際制造成型過程中的原物料流動(dòng)規(guī)律、溫度分布及變化規(guī)律、應(yīng)力應(yīng)變、模具受力條件等重要信息，利用有限元手段，借助鍛造機(jī)械建模仿真軟件FORGE對(duì)結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行計(jì)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(huì)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(jìn)一步對(duì)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(jìn)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(jì)算改善工藝質(zhì)量有助于降低模具消耗的費(fèi)用，減少模具變形，從而延長(zhǎng)模具使用壽命。該計(jì)算分析系統(tǒng)可針對(duì)鍛壓裝置和鍛造產(chǎn)品的成型結(jié)構(gòu)推薦在相應(yīng)噸位上進(jìn)行鍛造，以預(yù)測(cè)構(gòu)造應(yīng)力和壓力變化等，用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)制造。

從坯料與模具的對(duì)接、成型和脫模等方面，應(yīng)用鍛造過程模擬軟件針對(duì)結(jié)構(gòu)在實(shí)際生產(chǎn)中較難成型的“十”字柱筋鍛造式單耳管進(jìn)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(dòng)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(dòng)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(cè)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(yīng)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(duì)模具磨損問題進(jìn)行分析，在確定了“十”字柱筋單耳應(yīng)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(shí)可延長(zhǎng)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(píng)價(jià)，從而提前確定是否出現(xiàn)斷裂并預(yù)測(cè)類似于折疊的缺點(diǎn)，而利用軟件數(shù)值模擬則可進(jìn)行物料流動(dòng)預(yù)測(cè)，預(yù)知零件缺點(diǎn)，同時(shí)還能準(zhǔn)確分析零件的最終幾何造型，從而達(dá)到用軟件模擬代替實(shí)物試模，優(yōu)化了試錯(cuò)學(xué)習(xí)，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(gè)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(duì)折疊缺陷的單獨(dú)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(yù)留適當(dāng)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(duì)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(dòng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)頂料，縮短了人工手動(dòng)脫模時(shí)間，降低了模具制造型腔的疲勞性能，延長(zhǎng)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(jì)及工藝控制

通過對(duì)“十”字柱筋單耳鍛造的形狀、結(jié)構(gòu)和材料特性進(jìn)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(jī)的公差、余量，以及半徑5 mm的圓角設(shè)計(jì)、拔模斜率、沖磨連皮形狀和鍛造機(jī)收縮率等。由于鍛造模具工作時(shí)需不斷承受反復(fù)沖擊載荷，同時(shí)溫度冷熱交替，部件間相互磨損嚴(yán)重。在設(shè)計(jì)模具時(shí)，應(yīng)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(duì)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(fù)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(yīng)采用總體式鍛造模（模具的上、下模均為總體式模板），整個(gè)模型可直接固定在高壓壓氣機(jī)上。該方法能夠有效改善模型的抗破壞特性。同時(shí)利用軟件，在成型加工完畢后還可使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x實(shí)現(xiàn)型腔與產(chǎn)品之間的一致性比對(duì)測(cè)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(jì)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(yīng)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(shí)還應(yīng)充分考慮應(yīng)力聚集現(xiàn)象，并據(jù)此設(shè)計(jì)模具的分模面；鋁合金材質(zhì)具有流動(dòng)性較差（與鋼材質(zhì)相比）、摩擦力較大的特性，在設(shè)計(jì)圓角時(shí)應(yīng)考慮增大圓角。

在模具設(shè)計(jì)流程中，應(yīng)考慮模具使用環(huán)境問題。鍛造模具應(yīng)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(chǎng)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(yàn)，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(jiǎn)單，有效減少了零部件組成量，同時(shí)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(gè)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(chǎng)施工和后期運(yùn)營(yíng)維修工作量，其最大優(yōu)點(diǎn)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(shí)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(guó)高速鐵路接觸網(wǎng)裝備技術(shù)升級(jí)提供了新思路。