高速铁路接触网新型斜腕臂及铰链型定位环研发

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2022/05CHINARAILWAY特别策划·简统化接触网

高速铁路接触网新型斜腕臂

及铰链型定位环研发

韩宝峰1，张晓辉1，张琦2

（1.宝鸡保德利电气设备有限责任公司，陕西宝鸡721000；2.中国铁路设计集团有限公司电化电信工程设计研究院，天津300308）

摘要：对现有接触网腕臂及定位装置应用状况进行调研，围绕结构形式创新、后期运维方便

等需求，深入研究接触网零部件的材料、结构、工艺及制造模具，研制新型整体式斜腕臂及铰链型定位环结构。铰链抱箍连接方法与锻造生产工艺，减少了接触网组成零件和紧固件数量，也避免了以往铸造工艺的弊端。新材料应用和制造工艺的完善，大幅提升了零部件的服役特性和使用寿命，从源头上提高了接触网零部件的综合性能、降低了制造成本，为高速铁路接触网装备技术升级提供了新思路。关键词：高速铁路；简统化接触网；斜腕臂；铰链型定位环；锻造工艺

中图分类号：U225.4文献标识码：A文章编号：1001-683X（2022）05-0022-07DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2022.03.07.005

0引言

目前，我国铁路既有接触网腕臂装置通过设置有

顶紧螺栓的连接件连接平、斜腕臂［1-2］，装配时通常采

用固定的顶紧螺栓完成腕臂管和连接件之间的连接紧固。由于腕臂管与连接件之间的主要连接部位都是点

接触，因此安全系数非常低，而且顶紧螺栓在长期振

动过程中很容易产生松动。同样，连接件和腕臂管之

间在长期服役过程中极易产生滑动现象，而运营维修

人员很难及时找到原因，造成了潜在安全隐患［3-5］。随

着国内外高速铁路的快速发展，对接触网零部件优化

创新也提出了更高技术需求，研发构造简洁、性能平

稳、质量轻，便于现场装配且免维修的斜腕臂系统已

成趋势。定位环装置也是重要的连接件，其功能主要基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划项目（2017J005-B）第一作者：韩宝峰（1980—），男，高级工程师。E-mail：***************

通信作者：张琦（1992—），男，工程师，硕士。E-mail：******************

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2022/05CHINARAILWAY是串连定位管和斜腕臂。在既有刚性接触网装置体系

中，连接方法通常是将定位环和腕臂支撑分别独立连

接斜腕臂，其结构上相对可靠，但实际安装使用中，

需要按照正、反定位安装形式分别考虑定位环和腕臂

支撑之间的定位关系，其连接件数量很多，配置复杂。

为了达到新型接触网系统装备可靠性高、简统化（结

构简单、零件少、紧固件数量少、维护方便）的设计

目标，研发新型组合式定位环装置也非常重要［6-11］。

1传统腕臂结构及定位装置

1.1腕臂结构

目前，三角形铝合金腕臂装置结构广泛应用于我

国高速铁路（时速300~350km）牵引供电系统中。其

结构由平、斜腕臂组成，通过套管座连接在一起。套

管座利用顶紧螺栓将其本体固定在斜腕臂上（见图1）。

该结构含有套管座、承力索座2种零部件，相关连接件

如螺栓等共计5个紧固件，同时相关紧固力矩要求也有

所不同。该结构顶紧螺栓与腕臂管间的配合属于点接

触，安装时可能由于施加力矩过大而对零件局部造成

损伤甚至发生顶穿事故；另外，斜腕臂端头安装PVC

管帽，由于PVC产品存在老化及热胀冷缩引起的脱落，

易形成积水及杂物落入腕臂管，对腕臂管甚至整个腕

臂支撑装置造成潜在安全隐患。针对以上问题，在结

构、工艺、材料、制造模具等方面进行研究探讨，在

保证其使用性能不变的前提下，研发简化零件结构的

新型斜腕臂。1.2定位环结构

目前我国既有时速350km高铁接触网腕臂系统主

要由铝合金三角形腕臂构成。定位管水平、斜腕臂采用

金属定位环连接，由套管单耳将腕臂支撑定位在水平、

斜腕臂上（见图2）。该连接方法主要由定位环、套管

单耳等构成，虽然可达到相对安全的连接效果，但实际

安装与使用中需要同时通过正、反向的定位考虑位置关

系，无形中增加了施工工作量。定位环和套管单耳材质

为AlSi7Mg0.3，采用铝合金铸造工艺。通过对既有构件

进行深入分析，从工艺、材料、结构、模具制造等方面

提出一体式铰链型定位环方案。

2新型腕臂结构及定位装置

2.1新型腕臂结构特点

新型斜腕臂从结构上来说为组合型零件，集传统连

接件和既有功能于一体，由斜腕臂管、锻造式单耳和相

关连接件构成。既可连接平斜腕臂，又可承托承力索、

固定定位管（见图3（a））。斜腕臂一端的单耳构造，通

过2条互相交叉分布的铆接线分别贯穿斜腕臂自然本体

和“十”字形柱箍体，从而使单耳结构稳定于斜腕臂上

（见图3（b））。平斜腕臂的连接通过承力索座的双耳及

斜腕臂上的单耳实现。该构件在原来构造基础上扬长避

短，既减少了顶紧螺栓连接对斜腕臂管的磨损，也使整

个构件受力更为平衡、合理。该结构明显降低了零件组

成数量且无需紧固件，在提升产品服役性能的同时，取

消了斜腕臂连接件、管帽等零部件，从而改善了产品的

内部结构、降低了产品自质量，且便于施工安装。连接

部位采用单耳结构，其材料为6082

铝合金，制造工艺为

图1传统斜腕臂和套管座结构图2传统定位环和支撑连接结构

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2022/05CHINARAILWAY锻造。其优点为结构简单、可靠，既从结构上克服了套

筒结构难锻造的缺点，又从制造工艺上避免了铸造

缺陷。

2.2新型定位环受力分析

铰链型定位环是组合型零件，集套管单耳和定位

环功能于一体。由下连接双耳、下连接单耳、旋转平

双耳、翻边铆接和销子等构成，不仅可连接斜腕臂和

定位管，同时又起到连接腕臂支撑一端的作用（见

图4）。铰链型的定位环一般采用合页型构造（铰链、

抱箍），并采用销轴连接紧固在斜腕臂上。铰接轴于厂

内安装后，无需经过现场预配，且只需要通过2套螺栓

的连接便能完成正腕臂、支撑接头以及斜腕臂、定位

管连接，从而降低了零部件、紧固件的数量，减少了

安装、运营、维护工作量。同时，克服了既有连接方

式中U螺栓与斜腕臂接触面积小的缺点。上部抱箍为

独立双耳、下部抱箍为单耳，整体结构简单。

套管单耳作为铝合金定位环的一部分，其材质为AlSi7Mg0.3，屈服强度为240MPa。铰链型定位环材质为

6082铝合金，屈服强度约为260MPa。通过有限元分析对传统定位环（主要针对套管单耳）和铰链型定位环进行模

拟（见图5、图6）。铰链型定位环采用合页型构造，在相

互连接的直螺栓上施加正常工作紧固力矩。经过分析表明，

原结构和铰链型结构受力后均满足材料屈服强度要求。由

于原有定位环构成了部分套管单耳与斜腕臂的节点、直线

联系，受力相对集中，在增加了固定力矩后，结构已趋近

于材质的最大屈服强度，实际装配过程中若出现对紧固力

矩使用错误的情形，则容易引起零部件损伤问题。铰链型

结构受力较平衡，斜腕臂的最大应力值远远低于U螺栓结

构的最大应力值，在构造上更合理。

3工艺分析

3.1新型腕臂

为及时预知锻造机械在实际制造成型过程中的原物

料流动规律、温度分布及变化规律、应力应变、模具受（a）整体结构（b）单耳结构图3新型斜腕臂结构

图5传统套管单耳（传统定位环组成部分）受力分析

图4铰链型定位环结构图6铰链型定位环受力分析

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2022/05CHINARAILWAY力条件等重要信息，利用有限元手段，借助锻造机械建

模仿真软件FORGE对结构材料进行计算分析。利用该

研究成果，还可在早期阶段发现锻造工艺中可能会出现

的问题，如折叠、流线不顺、涡流、裂缝、锻件过烧

等。并在此基础上，进一步对原结构材料的组合特性、

尺寸精度以及表面质量等进行优化，从而改善产品的内

部品质、工艺出品效率和制造效果。另外，通过计算改

善工艺质量有助于降低模具消耗的费用，减少模具变形，

从而延长模具使用寿命。该计算分析系统可针对锻压装

置和锻造产品的成型结构推荐在相应吨位上进行锻造，

以预测构造应力和压力变化等，用于指导设计制造。

从坯料与模具的对接、成型和脱模等方面，应用

锻造过程模拟软件针对结构在实际生产中较难成型的

“十”字柱筋锻造式单耳管进行锻造过程的模拟仿真。

模具和坯料接触瞬间、单耳成型和自动脱模后的仿真

结果见图7—图9。

通过以上分析，可得斜腕臂的单耳锻后表面折叠

存在的区域、模具易损的部位（见图10、图11中红色

及黄色区域）。经过分析折叠缺陷，推测可能是由于坯

料摆放位置不合理或模具的圆角过小造成，应在坯料

拐角部位增加更多材料，或增加在其拐角处的倒角半

径至5mm，以便减少折叠现象的产生，使折叠现象尽

可能抑制在飞边上。

对模具磨损问题进行分析，在确定了“十”字柱

筋单耳应用功能和技术特性的前提下，建议把外侧单

耳拔模的斜度范围及根部圆弧倒角半径增加至5mm，以有利于脱模，同时可延长模具的使用期限。3.2新型定位环

利用锻造仿真软件FORGE能够对锻件的填料折

叠作出评价，从而提前确定是否出现断裂并预测类

似于折叠的缺点，而利用软件数值模拟则可进行物

料流动预测，预知零件缺点，同时还能准确分析零

件的最终几何造型，从而达到用软件模拟代替实物

试模，优化了试错学习，缩短了制作周期，可大大

提高锻件的成型品质和生产效率。以旋转平双耳为

例，利用模拟软件可完成整个锻造流程仿真（见

图12—图

）。

由模拟仿真结果可得零件锻后结构折叠和模具易图8单耳成型仿真

图9自动脱模仿真

图7模具与坯料接触瞬间仿真

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