基于CPC工艺的高铁贯通地线制备系统设计

2020-06-22李顺新苏东海葛宪顺王志博贾永帅

机械工程与自动化 2020年3期

李顺新，苏东海，葛宪顺，王志博，贾永帅

(沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳 110870)

0 引言

高铁贯通地线主要应用于铁路接地工程，接地的主要目的是保证人身安全和设备安全。高铁贯通地线的工艺结构较为简单，由绞合导体外紧密包覆一层合金护套组成。目前国内外制备高铁贯通地线常用的方法是连续纵包焊接工艺，但其存在一定的缺陷：①由于铜合金护套较厚，且硬度大，变形困难，采用传统的连续纵包焊接工艺存在生产速度慢，生产效率低的问题；②传统的工艺变形方法易造成合缝不稳定，导致偏弧、穿洞等焊接缺陷，不能保证产品质量，再者焊接电流的大小和焊弧位置靠目测和人工调整，根本无法有效控制和跟踪焊接质量[1-3]；③采用传统工艺方法生产出的产品，合金护套与内导体之间难免会存在间隙，这种间隙会使高铁贯通地线在使用过程中出现内导体与护套之间打火的现象，长期打火会损伤高铁贯通地线。

本文区别于传统制备技术及工艺，开发出采用CPC铸造法制备高铁贯通地线的制备系统。所谓CPC(Continuous Pouring Process for Clad)工艺即连续浇注复合铸造工艺。在铸造过程中，先将紫铜绞线与牵引装置连接并安置在结晶器中，然后浇注H65黄铜熔液，金属液在结晶器中凝固将紫铜绞线包裹，将凝固部分连续向下牵引实现复层轧辊。该法工艺简单，能够实现连续生产，提高生产效率，而且可使H65黄铜护套与紫铜绞线结合面实现冶金结合，大幅提高产品质量[4-5]。

1 连续浇注复合铸造系统机械结构设计

1.1 机械结构总体设计

连续浇注复合铸造法制备高铁贯通地线的整体设备主要按工艺阶段分为三部分：第一部分为紫铜绞线的预处理阶段设备，该阶段的设备包括开卷机、打磨机、矫直机以及设备开始运作之前需要进行的对中装置；第二部分为H65黄铜颗粒的熔化及双金属复合阶段设备，该阶段设备包括加热炉、冷却水循环系统、结晶器、喷淋装置以及测速机构；第三部分包括导向轮、收卷机构等，主要负责整个制备流程的牵引。图1为连续浇注复合铸造系统总体结构。

1-开卷机；2，12-导向轮；3-打磨机；4-对中机构1；5-矫直机构；6-对中机构2；7-测速机构；8-加热炉；9-结晶器；10-对中机构3；11-喷淋装置；13-收卷机构；14-冷却水箱；15-电控柜

系统工作前先通过对中装置进行对中，然后紫铜绞线依次通过打磨机构去除氧化层及杂质、矫直机矫直后通过加热炉在结晶器内进行双金属熔合，再由喷淋机构进行二次冷却，最后由收卷机构牵引拉出完成制备。

1.2 开卷机结构设计

开卷机布置在设备入口部分的前端，其主要作用是支撑已缠有紫铜绞线的线辊，使紫铜绞线在牵引力的作用下进行开卷。开卷机的芯轴是一根空心轴，通过两个支撑底座支撑在机架上以保持开卷机的刚度和稳定性。通过线辊两侧的锁紧螺母进行轴向固定，通过支撑底座上的螺栓备紧至适当状态来保证开卷机可以自由平稳地转动。

1.3 打磨机结构设计

打磨机主要用以去除紫铜绞线表面的氧化层及杂质，从而提高双金属复合阶段紫铜绞线与H65黄铜合金的结合质量。

首先，打磨机采用主要由中心齿轮、中间齿轮以及行星齿轮组成的齿轮系统来实现打磨过程打磨刷的自转与公转，从而保证紫铜绞线可被全面且均匀地打磨以及打磨过程的平稳性；其次，打磨机的电机与变频器连接，在打磨过程中可以调整打磨速度，从而保证打磨效果。该打磨机具有传动平稳、打磨均匀、效率高、寿命长、打磨速度可调节以及结构紧凑等特点。

1.4 矫直机构结构设计

矫直机构的功能是将打磨后的紫铜绞线进行矫直，保证在双金属复合阶段的H65黄铜护套、紫铜绞线同心，形成良好的结合界面。为了保证紫铜绞线所受应力适中，矫直机构的主体由5个矫直轮组成，使其穿过时受到4次矫直力的作用。系统工作前，通过对矫直机构的调整压板进行调整，使紫铜绞线从矫直机构正中心通过，然后备紧螺栓，使得矫直轮充分发挥矫直作用，进一步保证紫铜绞线与H65黄铜合金在双金属复合阶段的结合质量。

1.5 对中机构设计

本系统设有3个对中机构，分别位于矫直机构入口、加热炉入口以及结晶器的出口。

对中机构的主要作用是保证紫铜绞线在整套系统的中心通过从而保证镀层均匀。对中机构1、对中机构2的内孔直径与紫铜绞线直径相同，而对中机构3的内径与镀层后的铜线直径相同，但其装有可拆调整套。对中调整完成后，将结晶器下端对中机构3的可拆导向套拆下，从而使得镀层后的产品可被自由牵引。

1.6 结晶器结构设计

H65黄铜熔液的冷却凝固、传热和结晶过程均在结晶器内完成，在连铸期间，铜液在结晶器中经过冷却凝固成有一定厚度的护套，然后再进入二次冷却区，所以结晶器作为冷却系统的核心，决定了初生铸坯的质量，其重要性不言而喻。

本次设计为管式结晶器，用石墨套制成结晶器断面，石墨套外套有导热性能良好的铜套以及导流套，在铜套与导流套之间形成冷却水通路。该结晶器具备良好且均匀的导热性能、足够的结构刚度、良好的耐磨性以及结构简单、制造方便等特点。另外，在与进水口成45°位置分别设置一个测温端口、一个测压端口，用来测量铜套的温度以及结晶器测压接管内的压力。

1.7 喷淋装置设计

喷淋装置为整套系统的二次冷却装置。首先，为了更好地控制冷却水温度，喷淋装置将回水和供水设置成两个独立的水箱；其次，该喷淋装置采用了环形腔结构，供水通过外部焊接的一个进水口进入环形腔，内部设有三个均布的“四分”喷淋头以保证产品冷却均匀。

1.8 收卷机构结构设计

对于连续浇注复合铸造系统而言，整套设备的牵引依靠收卷机构的牵引力来完成。收卷机构是系统不可或缺的一部分，其对产品质量以及连续浇注复合铸造的连续生产有着至关重要的影响。

经过打磨、矫直、结晶、喷淋等一系列的加工机构，最后铜线通过导向辊进入到收卷机构。考虑到收卷过程负载较大，收卷机构主轴与电机之间采用链传动，具有效率高、传递功率大、过载能力强以及相同工况下传动尺寸小等特点。为保证铜线布线均匀，本次设计通过同步带传动以及往复丝杠来实现收卷机构的自动布线以及布线过程的自动换向；另外，整个收卷过程可通过变频器来进行收卷速度的调整。