浅谈接触网整体吊弦线夹结构设计优化与改进

王玉环，张旭峰



浅谈接触网整体吊弦线夹结构设计优化与改进

王玉环，张旭峰

通过对2种接触网承力索吊弦线夹结构进行受力分析和对比，基于满足吊弦线夹基本功能为前提，在力求结构紧凑、自重轻、可靠性高等方面对原有吊弦结构进行合理优化和改进。

吊弦线夹；结构受力分析；合理优化和改进；可靠性

0 引言

在电气化铁路接触网供电系统中，整体吊弦的作用是通过悬吊接触导线保证每一处导线的高度、坡度均满足设计要求。随着列车受电弓在导线下高速滑动通过，吊弦线夹除承受螺栓紧固产生的外部应力外，还承受由于导线振动、风载等引起的周期性动态载荷，因此吊弦线夹的受力情况比较复杂，尤其是客专线路，行车密度大，该动态载荷对吊弦线夹的可靠性、结构合理性等要求越来越高。同时，为了保证供电导线的弹性，确保机车良好的受流条件，要求吊弦线夹自重轻、结构紧凑、可靠性高。

1 原有整体吊弦结构分析

1.1 整体吊弦结构

以承力索吊弦线夹为例，其结构见图1。线夹总长度为50 mm，宽度28 mm，有效厚度11 mm。R圆弧用于夹持承力索导线；直径F9、高度为9 mm的凸出部分作为支点，平衡夹紧力，同时吊弦线悬吊于该处；直径F11通孔内装配M10不锈钢螺栓，性能等级为A2-70，主要为线夹施加夹紧力。吊弦线夹装配效果如图2所示，单套零件质量为 0.468 kg。线夹需要满足夹紧后与承力索导线之间的滑动荷重不小于1.0 kN，吊弦线施加在线夹上的工作荷重为1.3 kN，最大垂直破坏荷重不小于 3.9 kN。根据实际实验结果及应用经验，以上性能指标均有较大安全裕度，吊弦线夹性能不合格通常是由应力腐蚀不合格导致，主要是由于线夹螺栓连接孔处抗弯截面相对较小，承受螺栓紧固力最大，导致应力腐蚀开裂集中于该处。

图1 承力索吊弦线夹结构

图2 吊弦线夹装配效果

1.2 静态受力计算

综上分析，采用受力计算考察零件承受最大弯曲应力时是否超出了零件材料的耐受极限范围。

先计算吊弦线施加于直径F9、高度为9 mm的凸台处的力，即对凸台结构的剪切应力。由于直径F9的凸台为变截面结构，取其最小截面直径为F8。根据零件受力要求，该处最大剪切力为吊弦线承受最大破坏荷重3.9 kN，根据剪切力计算式可得

式中，A为最大破坏荷重，为承受剪切力的截面数量，0为凸台最小截面直径。

吊弦线夹所用材料为CuNi2Si，按GB/ T20078-2006标准中状态为H150的CuNi2Si材料屈服极限强度s为340 N/mm2，又据机械设计手册许用应力计算方法，塑性材料基本安全系数s取1.5，折减系数取1.2，则许用应力为

由此看出j＜p，因此在吊弦线夹凸台处悬挂吊弦线是安全的。

根据零件安装后承受螺栓紧固力的情况，将图2进行受力模型简化，其应力与弯矩如图3所示。

图3 应力及弯矩示意图

集中荷载为M10螺栓在标准紧固力矩下产生的轴向紧固力，根据TB/T2073-2010标准得知，A2-70级M10螺栓标准紧固力矩c= 25 N·m = 25 000 N·mm，则轴向紧固力为

则C处截面弯矩为

C处截面抗弯系数为

式中，、分别代表抗弯截面的厚度和宽度。

则C处截面承受的弯曲应力为

由此得知，C处截面最大弯曲应力仅略小于许用应力，而在实际中，由于原材料化学成分控制误差、制造误差、施工安装误差等方面的原因，在C处出现偶发性应力开裂在所难免。

2 结构优化和改进

2.1 改进方案

从上述受力计算分析可以看出，原有结构的整体吊弦线夹总长50 mm，螺栓孔到两边支点的距离为18.5和14 mm。改善最大弯曲截面受力状况有3个途径，一是增加线夹宽度和厚度，以增大截面积，提高抗弯能力，但会增加线夹的重量；二是采用更小规格或性能等级的螺栓，如采用M8螺栓替代现有的M10螺栓，经试验验证，该方法无法满足线夹与导线之间滑动荷重不小于1.0 kN的要求；三是在不影响装配功能的前提下缩短线夹长度，减小弯矩，既可减轻零件重量，还可改善接触网弹性。

经分析以上3种途径的利弊，最终确定按第3种思路对零件结构进行改进设计。首先，增加吊线环，调整吊弦线悬吊位置，既可避免因零件长度方向缩减带来的吊弦线与螺栓等其他装配零件干涉，又解决了吊弦线悬挂在线夹本体上长期摩擦对线夹本体造成的磨损。其次，对螺栓孔到承力索悬挂处和凸台支撑点进行缩减调整，线夹本体总长缩减至42 mm，平均有效厚度保持不变，改进后的零件质量减轻至0.291 kg。改进后的零件结构见图4。

图4 改进后零件结构

2.2 改进后零件受力分析

按照1.2节所述静态受力计算方法对改进后的零件进行受力分析，计算C处截面的应力。

C处截面弯矩为

C处截面抗弯系数x不变，仍为529.83 mm3，则C处截面承受的弯曲应力为

通过计算可以得出，改进后的吊弦线夹最大弯曲截面应力小于材料本身的许用应力，且有较大的安全裕度，因此在理论上解决了吊弦线夹应力腐蚀开裂的缺陷。

2.3 有限元分析

对改进后的零件按照实际使用状况添加约束条件进行有限元分析。

在图5所示约束条件及加载方式下，进行单元格划分，通过有限元分析得到应力分布图（图6）及应变分布图（图7）。从有限元分析结果明显可以看出，整体吊弦线夹在标准紧固力矩下最大应力未超过许用应力，零件也未出现明显的应变变形，满足设计要求。

2.4 试验验证

将性能等级为A2-70，规格M10的螺栓按照标准实验紧固力矩安装，进行产品安装后的应力腐蚀试验，结果如表1所示。

图5 约束条件及加载方式

图6 应力分布图

图7 应变分布图

表1 应力腐蚀试验结果

3 结语

仅采取增重、加厚等措施提高整体吊弦类产品的可靠性是不尽合理的，不恰当的加长加大，还可能导致产品可靠性下降。类似整体吊弦类产品在机车受电弓高速通过时，导线瞬间抬升，自重越大的产品重力加速度越大，由此产生的接触网硬点则更为明显。本文通过对整体吊弦线夹结构进行改进，通过静力计算分析得出，改进后的零件结构更加紧凑，最大弯矩截面承受的弯曲应力比改进前下降了11.3%，零件重量下降了37.8%，零件各项性能指标及产品的可靠性得到加强。因此，在保证产品安全可靠的前提下，采取结构紧凑、轻量化设计的思路是非常必要的。

[1] 成大先. 机械设计手册[M]. 北京：化学工业出版社，2008.

[2] TB/T 2073 -2010 电气化铁路接触网零部件技术条件[S].北京：中国铁道出版社，2010.

[3] TB/T 2074 -2010 电气化铁路接触网零部件试验方法[S].北京：中国铁道出版社，2010.

[4] TB/T 2075 -2010 电气化铁路接触网零部件[S]. 北京：中国铁道出版社，2010.

By means of analysis of force and comparison of two types of clamp structures of messenger wire droppers of OCS, with meeting the basic functions of dropper clamps as a pre-condition, and with pursuance of compact, light weight, and high reliable structure, the existed dropper structure has been optimized and improved for achieving of compact, light weight and reliable dropper structure.

Dropper clamp; analysis of structure force; rational optimization and improvement; reliability

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.012

U225.4+8

B

1007-936X(2018)05-0044-03

2018-02-08

王玉环.中铁第一勘察设计院集团有限公司，高级工程师；

张旭峰.中铁电气化局集团宝鸡器材有限公司，工程师。