田 樂(lè)，柴 歡，張鵬飛，張旭峰

0 引言

定位雙環(huán)是接觸網(wǎng)系統(tǒng)的重要零部件。在電氣化鐵路及城市軌道交通接觸網(wǎng)鏈形懸掛和簡(jiǎn)單懸掛中，定位雙環(huán)安裝于腕臂上，用于連接雙支定位管和雙支拉線[1]。這種定位雙環(huán)由2個(gè)抱箍、2個(gè)定位耳環(huán)及若干緊固件組成。定位環(huán)抱箍和定位耳環(huán)在生產(chǎn)制造時(shí)需要開制兩種不同模具鍛造生產(chǎn)，占用生產(chǎn)設(shè)備多，降低了生產(chǎn)效率；由于零件和緊固件較多，在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，其組裝調(diào)整很不方便。本文對(duì)既有定位雙環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究，提出一種輕量化定位雙環(huán)設(shè)計(jì)，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行驗(yàn)證。

1 新方案提出

既有定位雙環(huán)由定位環(huán)抱箍、定位耳環(huán)和一系列緊固件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 既有定位雙環(huán)結(jié)構(gòu)

針對(duì)既有定位雙環(huán)的零件較多，需考慮減少零件數(shù)量，對(duì)既有的定位雙環(huán)抱箍和定位耳環(huán)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。一體化設(shè)計(jì)后的輕量化定位雙環(huán)由2個(gè)融合了既有定位雙環(huán)抱箍和定位耳環(huán)的新定位雙環(huán)抱箍、4套緊固件組成，如圖2所示。新定位雙環(huán)抱箍呈弓形結(jié)構(gòu)，兩端分為長(zhǎng)支和短支。在短支端設(shè)置2個(gè)開設(shè)有防轉(zhuǎn)槽的連接通孔，用于與螺栓連接時(shí)的防松保護(hù)。在長(zhǎng)支端設(shè)置2個(gè)連接通孔，用于與短支端連接通孔配合連接。長(zhǎng)支端仍具有原定位耳環(huán)的功能，設(shè)計(jì)有一帶凹槽的圓環(huán)，用于定位管上的定位鉤或拉線的連接。為提高強(qiáng)度，在新定位雙環(huán)抱箍圓弧段外側(cè)邊緣和長(zhǎng)支端與圓弧段過(guò)渡處、短支段與圓弧過(guò)渡處設(shè)置凸筋。

圖2 輕量化定位雙環(huán)結(jié)構(gòu)

輕量化定位雙環(huán)僅需要新定位雙環(huán)抱箍一種結(jié)構(gòu)零件，2件成套配對(duì)使用，相比既有定位雙環(huán)，去掉了2個(gè)定位耳環(huán)。其上的防轉(zhuǎn)槽減少了防松緊固件的使用，降低了裝配勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 有限元仿真分析

在技術(shù)要求中，定位雙環(huán)需滿足最大工作荷載性能、滑移荷載性能、破壞荷載性能要求：（1）最大水平工作荷載5.0 kN，最大垂直工作荷載8.0 kN，即定位雙環(huán)在該工況下不能出現(xiàn)塑性變形，能夠完成正常工作；（2）滑動(dòng)荷載不小于8.0 kN，即定位雙環(huán)在該工況下不能出現(xiàn)滑動(dòng)現(xiàn)象；（3）水平破壞荷載不小于15.0 kN，垂直破壞荷載不小于24.0 kN，即定位雙環(huán)在該工況下不能發(fā)生斷裂。

針對(duì)以上結(jié)構(gòu)，首先在SolidWorks中進(jìn)行三維建模，并賦予材料屬性。材料采用Q235B，彈性模量21 000 MPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度235 MPa，抗拉強(qiáng)度580 MPa[2]。然后將SolidWorks中的三維模型導(dǎo)入Simulation中，對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分（圖3），并對(duì)模型依照仿真分析項(xiàng)目表施加力與位移的邊界條件進(jìn)行最大工作荷載、滑動(dòng)荷載、破壞荷載性能分析，分析項(xiàng)目如表1所示。

表1 仿真分析項(xiàng)目

圖3 網(wǎng)格化模型

通過(guò)加載仿真運(yùn)算得到圖4所示云圖，可以看出：在最大水平工作載荷、最大垂直工作載荷下，最大應(yīng)力均小于材料的屈服應(yīng)力；在水平破壞載荷、垂直破壞載荷下，最大應(yīng)力均小于材料的抗拉強(qiáng)度。從位移云圖看出，在滑動(dòng)荷載下，最大位移出現(xiàn)在受力的環(huán)部，最大值為16.34 μm。

圖4 仿真云圖

綜上所述，通過(guò)有限元仿真分析，輕量化定位雙環(huán)結(jié)構(gòu)滿足相應(yīng)的力學(xué)性能要求，可以進(jìn)一步開模試制，對(duì)樣件進(jìn)行力學(xué)性能和振動(dòng)及疲勞性能的試驗(yàn)檢驗(yàn)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

輕量化定位雙環(huán)開模試制件如圖5所示。參考現(xiàn)行鐵路標(biāo)準(zhǔn)[3-5]對(duì)輕量化定位雙環(huán)試制件進(jìn)行試驗(yàn)。力學(xué)性能試驗(yàn)項(xiàng)目包括：滑動(dòng)荷載試驗(yàn)、水平破壞荷載試驗(yàn)、垂直破壞荷載試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、振動(dòng)后滑動(dòng)荷載試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、疲勞后水平破壞荷重試驗(yàn)、疲勞后垂直破壞荷重試驗(yàn)、緊固力矩試驗(yàn)。

圖5 輕量化定位雙環(huán)試制件

試驗(yàn)中用到的設(shè)備有：數(shù)顯游標(biāo)卡尺、覆層測(cè)厚儀、硫酸銅恒溫裝置、數(shù)顯扭矩扳手、100 kN液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)、振動(dòng)測(cè)試模擬裝置。試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)1

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)2

由表2和表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果可知：輕量化定位雙環(huán)樣件通過(guò)了以上檢驗(yàn)項(xiàng)目，該輕量化定位雙環(huán)可滿足使用要求。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)既有定位雙環(huán)存在結(jié)構(gòu)上鍛件種類多，生產(chǎn)上占用設(shè)備臺(tái)套數(shù)多，安裝不方便等不足，本文通過(guò)有限元仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，研制了輕量化定位雙環(huán)。通過(guò)將定位耳環(huán)和定位雙環(huán)抱箍進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，減少了鍛件種類，提高了設(shè)備的利用率，降低了生產(chǎn)成本，提高了施工安裝的便捷性。