新型套管雙耳的設(shè)計(jì)方案研究

鄧 洪

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新型套管雙耳的設(shè)計(jì)方案研究

鄧 洪

通過(guò)分析既有模鍛式套管雙耳產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提出了新型銷軸式套管雙耳產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)新方案產(chǎn)品進(jìn)行性能分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，證明新型套管雙耳產(chǎn)品具有一定優(yōu)勢(shì)和推廣價(jià)值。

接觸網(wǎng)；套管雙耳；設(shè)計(jì)方案

0 引言

近幾年來(lái)，隨著電氣化鐵路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，列車的運(yùn)行速度不斷提高，對(duì)接觸網(wǎng)零部件的性能指標(biāo)和制造工藝均提出了更高的要求?，F(xiàn)有套管雙耳產(chǎn)品均為兩端螺栓緊固安裝方式，出廠前進(jìn)行預(yù)配，施工現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)需擰松全部緊固件，由于螺栓副較多，安裝繁瑣，且緊固件成本較高，因此考慮將該產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以提高施工現(xiàn)場(chǎng)零部件的安裝效率。

1 新方案提出

圖1所示為既有套管雙耳結(jié)構(gòu)。

1.抱箍本體；2.螺栓銷；3.螺栓。

針對(duì)既有套管雙耳產(chǎn)品采用兩端螺栓緊固方式現(xiàn)場(chǎng)安裝不便、螺栓連接副較多、特殊防松裝置成本較高的現(xiàn)狀，從考慮減少緊固件數(shù)量入手，對(duì)既有套管雙耳產(chǎn)品進(jìn)行銷軸式結(jié)構(gòu)改進(jìn)：一端為以螺栓銷為軸的合頁(yè)，另一端由螺栓副緊固安裝，優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖2所示。

1.抱箍本體；2.螺栓銷；3.螺栓。

2 性能分析

2.1 滑移性能驗(yàn)證

套管雙耳與管件的滑移性能指標(biāo)由套管雙耳夾持管件的夾緊力決定。

2.1.1 既有結(jié)構(gòu)夾緊力計(jì)算

圖3所示為既有結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)化受力模型。既有結(jié)構(gòu)夾緊力計(jì)算式為

= 21（1）

2.1.2 新銷軸結(jié)構(gòu)夾緊力計(jì)算

圖4所示為銷軸結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)化受力模型。其夾緊力計(jì)算式為

2= 21（2）

=2/1= 21（3）

式中，1為M12螺栓標(biāo)稱扭矩下產(chǎn)生的軸向緊固力；為腕臂管、定位管夾緊力。

圖3 既有結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)化受力模型

圖4 銷軸結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)化受力模型

通過(guò)對(duì)比式（1）和式（3）可見(jiàn)，2種結(jié)構(gòu)的夾緊力相同，由此可見(jiàn)螺栓減少后不需增加螺栓緊固力矩，2個(gè)螺栓緊固仍然可保持與改進(jìn)前4個(gè)螺栓相同的夾緊力，可保證銷軸結(jié)構(gòu)的滑移性能。

2.2 零件受力最大處抱箍厚度計(jì)算

螺栓連接處抱箍銷軸式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化受力分析如圖5所示。根據(jù)螺栓連接布置和寬度尺寸、抱箍銷軸式結(jié)構(gòu)、受力分析（圖5）、安全系數(shù)及許用應(yīng)力，計(jì)算零件受力最大處抱箍厚度的大小。

圖5 螺栓連接處簡(jiǎn)化受力分析

許用應(yīng)力計(jì)算式為

=×安全系數(shù) = 0.67×

彎曲正應(yīng)力計(jì)算式為

=/

要求=，所以有

=/ (0.67×)

由=×，=/ 0.2，可得

式中，接觸網(wǎng)安全應(yīng)力計(jì)算系數(shù)取0.67，零件材料選用屈服強(qiáng)度= 235 MPa的常用材料Q235B，M12螺栓緊固力矩為44～56 N·m，計(jì)算時(shí)選用最小緊固力矩= 44 N·m，加力點(diǎn)到危險(xiǎn)截面距離為，零件抱箍寬度為，為單個(gè)M12螺栓緊固力矩產(chǎn)生的軸向力，為彎矩，為抗彎截面模量，為受剪截面直徑。

代入相關(guān)參數(shù)可得

設(shè)計(jì)零件取值12，大于計(jì)算值10.7，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 銷軸處螺栓銷強(qiáng)度核算

銷軸處螺栓銷為M12螺栓銷，性能等級(jí)為A2-70級(jí)，其極限屈服強(qiáng)度= 450 MPa，許用抗剪強(qiáng)度[t] =/ 2.5 = 180 MPa。

M12螺栓銷所受剪切應(yīng)力計(jì)算式為

圖6為受力簡(jiǎn)圖。

圖6 銷軸處螺栓銷受力簡(jiǎn)圖

經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證，新設(shè)計(jì)的套管雙耳的滑移性能滿足要求，零件受力最大處抱箍厚度選擇合理，銷軸處螺栓銷強(qiáng)度滿足要求。

2.4 疲勞性能分析

套管雙耳作為腕臂支撐裝置重要組成零件，對(duì)其抗疲勞性能要求較高，根據(jù)TB/T2073要求，其載荷及幅值應(yīng)滿足（1±30%）最大工作荷重，交變波形為正弦波，抗疲勞次數(shù)50萬(wàn)次。

利用三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks中Simulation模塊進(jìn)行仿真疲勞分析，按照緊固力矩44 N·m、水平工作荷重5.8 kN、垂直工作荷重4.9 kN加載（圖7），周期按50萬(wàn)次，加載比率按0.3設(shè)置，仿真云圖如圖8所示。通過(guò)仿真分析可以看出新型套管雙耳滿足抗疲勞性能要求。

圖7 模型加載及網(wǎng)格化

圖8 疲勞性能仿真云圖

2.5 試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)

根據(jù)產(chǎn)品性能指標(biāo)要求進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)如表1、表2所示。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，新型套管雙耳各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)（1）

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)（2）

3 新型套管雙耳設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

（1）減少螺栓副數(shù)量，降低成本。由4組螺栓副減少為2組螺栓副，如采用特殊防松功效的螺栓，可大幅降低物資采購(gòu)成本。

（2）安裝簡(jiǎn)化，節(jié)省時(shí)間。采用銷軸鉸接式連接，減少了螺栓拆卸工作量，提高了零件的安裝效率，方便施工安裝和后期維護(hù)保養(yǎng)。

（3）降低安裝條件要求。銷軸式結(jié)構(gòu)只受管徑誤差（±0.3，可忽略不計(jì)）影響，安裝條件要求較低?？梢?guī)避施工安裝過(guò)程中安裝誤差導(dǎo)致的偏斜情況。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了既有套管雙耳的結(jié)構(gòu)形式并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)的套管雙耳在設(shè)計(jì)、制造、施工方面完全滿足線路的安裝使用要求，降低了生產(chǎn)成本，提高了施工安裝的便捷性，確保了工程質(zhì)量，有一定的推廣使用價(jià)值。

[1] 于萬(wàn)聚.高速鐵路電氣化鐵路接觸網(wǎng)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2005.

[2] 蔣先國(guó).電氣化鐵道接觸網(wǎng)零部件設(shè)計(jì)與制造[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2009.

[3] TB/T2075.1~2075.23-2010電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件[S].

The paper analyzes the product structure of die forging type clevis end holder for tube, puts forward the design scheme for a new type product of hinge pin clevis end holder for tube, and illustrates some key issues and technologies in the scheme.

Overhead contact line system; clevis end holder for tube; design scheme

U225.4

B

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.01.007

1007-936X(2018)01-0031-04

2017-08-05

鄧 洪.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，高級(jí)工程師。