一种新型无螺栓定位线夹的设计开发

李 璐，李永生

0 引言

定位线夹用于电气化铁路接触网系统，通过定位器连接固定接触线，并使接触线呈“之”字形分布于受电弓中心两侧[1]。定位线夹是电气化铁路接触网系统关键组成零部件之一，具有应用量大、承受高频次振动等特点，并对电力机车，尤其对高速动车组和接触网系统的安全运行起到重要作用[2]。

1 常用定位线夹特点

我国电气化铁路接触网常用的定位线夹主要有 U型销定位线夹及无销型定位线夹两种类型。两种定位线夹在高铁线路使用过程中曾出现过失效现象，如线夹本体断裂、U型销磨损严重甚至断裂、定位器与定位线夹脱离等情况[3]。

随着线路里程的不断增加，两种定位线夹在结构和工艺方面进行了不断地改进和优化，如图1所示。优化后两种定位线夹的特点如表1所示。

图1 定位线夹

表1 定位线夹特点对比

在简统化接触网装备的设计开发中，对定位线夹的结构、尺寸进行了改进设计。新型定位线夹由两个结构完全相同的线夹本体构成，同时采用开放式的结构设计，可以清楚地观察到定位销钉与定位线夹的连接状态，方便施工和检修。新型定位线夹结构型式如图2所示。新型定位线夹虽然增强了产品的安全可靠性，但目前我国电气化铁路接触网用定位线夹均采用

图2 新型定位线夹结构型式

螺纹副紧固，具有零件组成数量多、安装要求严的特点，日常巡检工作量较大，特别对于山区、人员稀少等交通不便的地区，检测维修工作更加困难。针对以上问题，从结构设计、工艺改进、安装维护等方面进行研究，设计开发一种安装方便、维护工作量少、松脱风险系数低的锻造式无螺栓定位线夹。

2 锻造式无螺栓定位线夹设计方案

锻造式无螺栓定位线夹由两个相同的线夹铆接件组成，线夹铆接件由线夹本体和一个锁固销铆接而成，其结构如图3所示。锁固销与线夹本体过盈配合成线夹锚接件，线夹本体上部的环口处设置斜面，斜面推动线夹绕锁固销旋转，通过杠杆原理使线夹夹紧线索，并且通过在线夹本体斜面上设置防滑齿，防止线夹松脱。同时，在固定定位销钉的凸台内设置卡槽，使两个线夹本体形成锁扣，可以消除定位线夹由于受拉而导致松脱的风险。锻造式无螺栓定位线夹的两个线夹锚接件结构完全相同，与现有产品相比，不受安装方向的限制，而且结构相同方便制造加工，节约生产成本，便于推广实施。

图3 锻造式无螺栓定位线夹

锻造式无螺栓定位线夹中锁固销与线夹本体在出厂前已铆接完成，定位线夹零部件在现场无需二次预配。不同定位线夹特点对比见表2。可见，新型无螺栓定位线夹取消螺纹副连接，相较传统螺栓型定位线夹，减少了组成零件数量，简化了安装步骤，降低了由于人为操作失误造成安全事故发生的可能性，提高了安装操作的安全可靠性。使用专用工具（如图4所示）即可实现快速安装和拆卸。

表2 不同定位线夹特点对比

图4 专用拆装工具

3 锻造式无螺栓定位线夹受力分析

3.1 仿真分析

通过三维机械设计软件 Solidworks中Simulation有限元模拟仿真计算工具，对锻造式无螺栓定位线夹进行有限元受力分析，验证产品结构设计、材质选用等方面的可行性，以确保装置的安全可靠性。材料性能及加载工况见表3，定位线夹本体及锁固销应力分布结果如图5所示。经分析，线夹本体最大应力在紧固销锚结孔处，约为 123.8 MPa，锁固销所受最大应力约为49.8 MPa，在3倍安全系数要求下，线夹本体与锁固销的许用应力分别为123.3、200 MPa，大于线夹本体与锁固销所受应力，满足现有标准规定的受力要求。

图5 定位线夹应力分布

表3 材料性能及加载工况 MPa

3.2 受力计算

通过有限元分析得出，锻造式无螺栓定位线夹关键受力部位位于锁固销铰接处，因此对该部位进行受力计算，进行二次验证，计算模型如图6所示。锁固销铰接处截面示意图如图7所示。

图6 线夹本体受力计算模型（单位：mm）

图7 锁固销铰接处截面示意图

已知：锻造式无螺栓定位线夹所受最大工作荷载F= 3 kN，线夹牙型端与锁固销铰接间距a=8.83 mm，锁固销铰接与防滑齿中部间距b= 12.51 mm，锁固销铰接与线夹牙型端间距l= 29.48 mm，线夹与接触线的摩擦力即为滑动荷重，通过试验验证得出滑动荷重f≈3.7 kN，铜合金表面摩擦系数μ≈1，屈服强度σ1= 370 MPa。

由滑动荷载求牙型端压力FA：

局部的静力平衡方程：

求得反力为

联立式（1）—式（3）得FA= 3.7 kN，FB1= 6.31 kN，FC= 2.61 kN。

对定位线夹施加工作载荷F，可由式（4）求得线夹锁固销铰接处所受的外力FB2= 10.02 kN。

由线夹整体受力平衡，得锁固销铰接合力FB=FB1+FB2= 16.33 kN。

锁固销铰接线夹最薄弱处截面面积A如图7所示，A= 134.4 mm2。锁固销铰接合力FB产生的应力σ2为

零部件安全系数S= 3，许用应力计算式为

3 倍安全系数下σ2≈121.2 MPa＜[σ1]= 123.3 MPa。故在3 kN的工作荷重作用下，线夹所受附加内应力均小于材料屈服力，满足3倍安全系数要求。

4 锻造式无螺栓定位线夹技术特点

法式无螺栓线夹由于结构限制，同时燕尾槽尺寸精度要求极高，需选用金属型精密铸造工艺生产，但铸造工艺存在成品率低，易产生气孔、缩松、晶粒粗大等铸造缺陷，经探伤检验，其内部缺陷可达四级以上（图8）。由图8（b）可见，锻造成型的无螺栓定位线夹内部组织均匀细密，无气孔、缩松等缺陷，无需探伤检测，成本相对较低。因此，选用锻造成型工艺可更为理想地实现无螺栓定位线夹的广泛推广应用。

图8 定位线夹探伤检验

目前，我国电气化铁路用定位线夹均采用铜合金锻造工艺，并选用了相应的锻造铜合金CuNi2Si为原材料。模锻工艺利用了金属材料，在高温下抗力较小，塑性较大，借助于模具及压力得到所需产品。锻造的过程打碎了金属材料原有的结晶并又重新结晶，新结晶的组织晶粒均匀细密，提高了材料的致密度，消除了原材料中可能存在的小缺陷等。锻造能消除金属的铸态疏松，机械性能优于相同材料的铸件，提升了产品内在质量，提高了产品的合格率。

根据相关标准技术条件（TB/T 2073—2020、TB/T 2075.3—2020）要求，对锻造式无螺栓定位线夹进行外观检查、组装检查、振动疲劳等10项检测项目检测，检测结果均符合相关标准技术条件及生产单位技术条件要求。定位线夹的性能要求及试验数据见表4。

表4 定位线夹的性能要求及试验数据

5 结语

锻造式无螺栓定位线夹适用于我国电气化铁路和城市轨道交通接触网系统，与现有同类产品相比，取消了螺纹副，具有组成零件少，无缩松、气孔等质量缺陷，安装方便，无松脱风险，安全可靠性高等诸多优点，可实现产品的免维护，特别适用于我国山区、人员稀少等交通不便的地区。锻造式无螺栓定位线夹的推广应用对我国电气化铁路和城市轨道交通的安全运营具有积极作用。