匈塞鐵路接觸網產品國產化研究

張旭峰，郭如飛，李曉軍，李明杰

0 引言

匈塞鐵路北起匈牙利布達佩斯，南至塞爾維亞貝爾格萊德，全長350 km。在建匈塞鐵路匈牙利段項目由中方與匈方組成的聯合體實施，采用集設計、采購、施工一體的EPC總承包模式，有利于國內接觸網裝備在歐洲推廣應用。匈牙利作為歐盟成員國，其鐵路接觸網裝備應符合歐盟電力牽引供電EN 50119[1]標準及匈牙利國家鐵路公司接觸網設計與施工要求（21717/2016/MAV）[2]，對于國內成熟的接觸網零部件，需要在與歐盟既有產品保持結構及接口一致的前提下，結合國內接觸網裝備成熟制造經驗，對符合歐標的匈牙利接觸網原型產品在材質、生產工藝等方面進行優化，研制出符合歐洲通用標準要求的改進型國產化接觸網產品，以滿足匈牙利國家鐵路接觸網提速改造技術要求。

1 匈牙利段原型腕臂支撐及定位結構特點

1.1 腕臂支撐及定位裝置

匈塞鐵路匈牙利段中間柱典型腕臂支撐及定位裝置如圖1所示。腕臂支撐整體為斜拉方式，斜腕臂采用中間粗兩頭細變徑圓管結構，下端通過絕緣子連接腕臂下底座，上端安裝承力索座，通過拉桿及絕緣子連接腕臂上底座。定位裝置為斜拉三角結構，定位管近支柱側通過定位環連接在斜腕臂上，近線路側通過定位管吊線連接在斜腕臂上部端頭，接觸線空間位置固定采用帶限位功能結構的限位定位器及定位支座。

圖1 斜拉結構腕臂支撐及定位裝置

1.2 主要產品結構、材質及工藝

1.2.1 承力索座

承力索座由承力索座本體、抱箍、承力索壓板及緊固件組成，集成了腕臂連接器連接平斜腕臂和支撐承力索雙重功能。承力索座本體上連接雙耳與斜拉桿耳環連接，本體上半圓弧槽與抱箍通過緊固件連接斜腕臂一側圓管；承力索本體上設置2根承力索的線槽，通過壓板可固定1根或2根承力索。

承力索座本體、下抱箍及壓板采用鑄造工藝生產，采用歐標EN 10293中牌號為Tǒ400材質（與國內球墨鑄鐵材質相似），表面鍍鋅厚度80～100 μm，螺栓副選用性能等級為A2-70不銹鋼緊固件或8.8級的碳鋼緊固件（鋅層厚度20～40 μm）。

1.2.2 限位定位支座

定位支座為分體結構，由支座本體及連接耳環兩部分組成，二者通過螺栓連接為整體，支座本體采用頂緊螺栓與定位管固定，本體上限位釘用于定位器抬高限位。

支座本體及連接耳環均采用鑄造工藝制造，材料選用EN 1706標準中牌號為AlSi10Mg（T6）的鋁合金材質。

1.2.3 限位定位器

定位器由定位器本體、定位鉤及定位銷釘套筒3部分組成，限位定位本體與定位鉤、定位銷釘套筒通過半圓頭銷釘鉚接固定，定位鉤上缺口與定位支座連接環匹配，定位器本體一端設置有防風拉線連接孔，定位銷釘為圓柱凸臺結構，接口尺寸與定位線夾匹配。

定位器本體采用EN 573中牌號為AlSi1MgMn（T6）的鋁型材；定位鉤采用EN 1706中牌號為AlSi10Mg的鋁合金材質，鑄造工藝生產；定位銷釘套筒采用鑄造工藝加工，材質為AlSi10Mg鋁合金；定位銷釘本體采用機械加工生產，材料選用EN 10088中牌號為X20Cr13的不銹鋼。

1.2.4 定位線夾

定位線夾由2件線夾本體及緊固件組成，線夾本體上一側為螺紋孔，另一側為光孔，緊固件采用對向安裝方式。線夾本體材質采用EN 1982中CuAl10Fe5Ni5，銅合金砂型鑄造工藝制造，螺栓采用A2-70級不銹鋼，螺母采用A4-70級不銹鋼。

2 國產化技術方案

匈塞鐵路設計運營速度160 km/h，遠期預留設計速度200 km/h。匈牙利既有接觸網產品一方面無160 km/h運營業績（匈牙利既有線路最高運行速度為120 km/h），若不對原有結構進行升級優化，運行速度提高至160 km/h后，產品的安全可靠性有一定風險；另一方面匈牙利既有產品大多采用鑄造銅合金、鑄造鋁合金或鑄鐵工藝，生產工藝落后，如果按照原工藝生產無法適應國內日益嚴格的綠色、環保、低碳要求。受限于匈牙利鐵路公司要求：產品結構及接口尺寸必須符合匈牙利國家鐵路公司發布的標準圖冊，不能進行改動。因此，在國產化研究時，依據原材料牌號等同或優于原型產品、生產工藝優于原型產品的原則，從原材料的選擇、生產工藝2個方面進行改進和研究，提高產品的安全可靠性，以滿足160 km/h設計運營速度。本文選取腕臂支撐及定位裝置中的承力索座和定位線夾兩種典型產品，說明本次匈塞鐵路產品國產化改進的思路和方法。

2.1 承力索座國產化方案

2.1.1 材質及生產工藝

通過對承力索座本體、抱箍、壓板原型零件的結構特點進行分析，3個零件具有半圓弧、加強筋等特征，結構較為復雜，不適合鍛造工藝生產，而采用砂型鑄造產品外觀質量差、尺寸穩定性不高、影響產品內在質量的因素多、不利于機械化生產，同時難以滿足環保要求，因此熔模失蠟鑄造工藝不失為最佳選擇。為了提升產品性能同時滿足歐標EN 10293要求，擬選用GS240鑄鋼工藝生產承力索座包含的3種零部件，原材料力學性能指標如表1所示。

表1 GS240材料參數

2.1.2 理論分析

匈牙利國家鐵路公司接觸網設計與施工要求（21717/2016/MAV）中，承力索與接觸線張力組合為10 kN+10 kN，而對產品性能指標無具體要求。根據匈塞鐵路整體設計標準，擬借鑒國內時速160 km線路技術要求，即承力索與接觸線張力組合為15 kN +15 kN，產品工作荷載參照TB/T 2075.1—2020[3]接觸網零部件工作荷重確定，破壞荷重按照歐標EN 50119（電力牽引架空接觸網）要求的2.5倍工作荷載進行核定。

基于以上原則，承力索座性能指標確定如下：最大水平工作荷重5.8 kN；最大垂直工作荷重4.9 kN；水平破壞荷重不小于14.5 kN；垂直破壞荷重不小于12.25 kN；與斜腕臂間滑動荷重不小于7.72 kN；與承力索（50 mm2）滑動荷重不小于2 kN。

基于SolidWorks軟件平臺，按照原型產品結構構建產品三維模型，并根據選用的材料牌號GS240設定原材料彈性模量、抗拉強度、屈服強度等參數，按照產品實際使用工況設置約束限定條件，并按照水平破壞荷重14.5 kN，垂直破壞荷重12.25 kN對承力索座進行靜態載荷加載，通過SolidWorks有限元分析模塊[4]對承力索座本體在靜力荷載作用下的受力變形進行分析求解，得出承力索座關鍵截面的應力，如圖2所示。

圖2 承力索座破壞荷載應力云圖

由圖2可以看出，最大應力值為57.5 MPa，小于材料GS240屈服強度（240 MPa），產品的整體性能滿足強度設計的要求。

（1）承力索座與斜腕臂滑動荷重計算（要求摩擦力F≥滑動荷重Q）。

摩擦力計算式：

式中：f為摩擦系數，取0.2；A為壓力面積，即承力索座與斜腕臂的內表面積A= 8 105.3 mm2；P為內表面壓強，P=nF0/(WD)，其中：n為螺栓個數，取2，F0為預緊力，W為抱箍寬度（60 mm），D為斜腕臂管直徑（42 mm）。

緊固力矩計算式：

式中：T為緊固力矩，取44 N·m；K為扭矩系數，取0.22；F0為預緊力，N；d為螺紋公稱直徑，取12 mm。

通過式（2）可計算預緊力F0≈21.21 kN，則內表面壓強P= 12.33 N/mm2，代入式（1），得到摩擦力F≈25.43 kN，滿足與腕臂管滑動荷重設計要求（不小于7.72 kN）。

（2）承力索座與承力索（50 mm2）滑動荷重計算（要求摩擦力F≥滑動荷重Q）。

摩擦力、內表面壓強及緊固力矩計算式均與上文中承力索座與斜腕臂滑動荷重計算方法相同。不同的是A的取值為承力索座的線索處內表面積，且A= 879.2 mm2。

通過計算可得預緊力F0≈21.21 kN，內表面壓強P= 75.76 N/mm2，則摩擦力F≈13.32 kN，滿足滑動荷重要求（不小于2 kN）。

根據有限元應力及滑移計算結果可知，承力索座選材及性能均滿足設計要求。

2.1.3 熔模失蠟鑄造生產工藝

由于承力索座結構較為復雜，產品壁厚不均勻，GS240材質澆注溫度較高，為保證產品質量和生產效率，采用熔模失蠟鑄造工藝進行生產試制。為分析本體產品結構的工藝性，選擇將產品豎直放置，一模兩件，在最上部添加補縮冒口，然后對產品的加工余量、工藝臺等進行優化，最后設置收縮比例及澆注系統，確定如圖3所示澆注工藝。

圖3 承力索座本體澆注工藝

為確保澆注工藝的正確性，減小失敗的風險，采用ProCAST鑄造模擬軟件[5]分析工藝方案，確定相關鑄造工藝參數，如圖4、圖5所示。經過分析鑄造過程中的溫度場和流動場，產品的澆注工藝符合鑄件順序凝固條件，設置的冒口在最終凝固階段可以起到補縮作用，模擬結果顯示該澆注方案是合理的，符合預期。

圖4 承力索座凝固過程溫度場

圖5 承力索座凝固過程固相分數

2.1.4 試驗驗證

根據確定的工藝方案設計制作了壓蠟模具，確定了組模方案，經過產品試制，產品尺寸和性能均符合設計要求，試制產品未出現縮松、縮孔、澆注不足等鑄造缺陷，X射線探傷樣件產品內部質量也達到使用要求。試制結果表明：該澆注方案成品率高，質量穩定，生產效率滿足供貨需求。

毛坯產品經過熔模失蠟鑄造工藝成型后，還需將產品毛坯進行后處理，最終組裝投入使用，整體生產工藝流程：制作臘模修模組模制殼脫蠟焙燒熔煉澆注清砂切割磨澆口精整檢驗入庫。

樣件試制完成后，在廠內進行產品性能指標驗證，性能指標完全滿足技術要求，見表2。

表2 承力索座廠內性能驗證

產品技術指標驗證合格后送第三方接觸網產品設備檢測中心，按照歐標MSZ EN 50119、BS EN 10293、TB/T 2073—2020《電氣化鐵路接觸網零部件技術條件》、TB/T 2074—2020《電氣化鐵路接觸網零部件試驗方法》等行業標準進行性能試驗檢測，取得了合格型式試驗報告。

2.2 定位線夾國產化方案

2.2.1 材質及生產工藝

通過對原型產品定位線夾的分析，在保持產品外形尺寸與原型產品一致的原則下，原材料選用符合歐標，且性能指標優于原型產品的材料牌號，制造工藝同樣遵循從優原則；定位線夾采用金屬模鍛工藝生產，材料牌號確定為CuNi2Si，符合EN 12163標準要求，材料參數見表3。

表3 定位線夾材料參數

2.2.2 理論分析

參照TB/T 2075.3—2020標準，定位線夾工作荷載設定為3.0 kN，破壞荷載依照EN 50119標準取安全系數為2.5，則破壞荷載設定為7.5 kN，受力方向為水平方向。

基于SolidWorks三維軟件建模平臺，構建產品三維模型，并按使用工況設定約束條件，確定加載方向和加載位置，對定位線夾進行靜力荷載作用下的受力變形分析，得出定位線夾的應力云圖，如圖6所示。

圖6 定位線夾應力云圖

由圖6可以看出，最大應力位于尖角部位，主要表現為應力集中，最大應力值為109.5 MPa，遠小于CuNi2Si材料屈服強度（370 MPa），強度滿足設計的要求。

2.2.3 金屬模鍛工藝

根據產品結構圖及原材料屬性，確定需要考慮的收縮率（銅合金材質按照線性尺寸的1.2%～1.5%考慮），卡線78°牙尖處最小鍛造圓角為R0.5，其余一律取R1，起模斜度按照3°設計，鍛件見圖7。

圖7 定位線夾鍛件圖

根據產品結構特點，確定分型面位置如圖7所示，根據產品最大截面積計算鍛造用原材料規格為Φ24×80，依據式（3）計算鍛造成型所需鍛機的公稱壓力：

式中：P為鍛造壓力；α為鍛模形式系數，定位線夾為開式鍛模，α取4；F為鍛件在平面投影面積，三維投影面積為5 230 mm2；V為鍛件體積，取17 803 mm3；σs為鍛造用料在終鍛溫度下的流動極限，CuNi2Si材質終鍛溫度700 ℃，流動極限取36.37 N/mm2。計算得到鍛造成型壓力P= 3 138 kN。

根據計算結果選取鍛機公稱壓力為4 000 kN。設備規格確定后，確定鍛模所需承壓面積，并在此基礎上依據鍛機滑塊行程，確定鍛模上下模具的尺寸規格為240 mm×180 mm×140 mm。

由于鍛件投影面積較小，為了提高模具利用率，在鍛機偏載許可范圍內確定采用一模兩腔結構設計，鍛模如圖8所示。

圖8 鍛模及模擬分析

鍛模塊設計完成后，利用FORGE鍛造成型分析軟件[6]對鍛模塊進行鍛造模擬成型分析，如圖8所示，設定CuNi2Si鍛件加熱溫度為840 ℃，滑塊行程160 mm，模具預熱溫度為250 ℃。通過鍛模成型結果可知：鍛模成型飽滿，沒有缺肉、折疊等缺陷，鍛后平均溫度為720 ℃，滿足工藝要求。

依據銅合金鍛造工藝規范，結合產品性能指標要求，設計定位線夾本體加工工藝流程：下料感應爐加熱終鍛成形快速水冷時效強化熱處理切飛邊表面拋丸處理機加工拋丸表面光飾攻絲加工螺紋孔表面干燥組裝裝配檢驗入庫。

2.2.4 試驗驗證

依照上述生產工藝流程組織產品小批量生產，在廠內進行試驗驗證，試驗結果符合技術要求，見表4。

表4 定位線夾廠內指標驗證

技術指標驗證合格后送第三方接觸網產品設備檢測中心，按照歐標MSZ EN 50119、BS EN 10293、TB/T 2073—2020《電氣化鐵路接觸網零部件技術條件》、TB/T 2074—2020《電氣化鐵路接觸網零部件試驗方法》等行業標準進行性能試驗檢測，取得了合格型式試驗報告。

3 結語

在無法變更原型產品結構尺寸的前提下，通過變更產品原材料、改進產品生產工藝，提升了產品整體性能，既滿足了線路運營速度升級的要求，又滿足了國內對工業產品生產綠色、環保、低碳的要求。按照上述思路，先后完成了匈塞鐵路47種接觸網產品的試制，試制樣品得到了匈牙利國家鐵路公司的認可。

國產化產品在制造質量、性能指標、可靠性等方面均優于原型產品，符合歐盟互聯互通的基本要求，為國內接觸網產品進入歐盟市場打通了最后一道壁壘，提供了一套經濟、可行的技術方案。