王秋珍

(湖北第二师范学院 物理与机电工程学院，武汉 430205)



高铁车载弓网运行状态检测装置护罩结构及工艺改进的探讨

王秋珍

(湖北第二师范学院 物理与机电工程学院，武汉 430205)

车载弓网运行状态检测系统是保证高速铁路安全正常运行的诸多监控系统的组成部分之一。本文根据高铁车顶的高速、动态、强冲击、强电磁、温差大等恶劣的特殊运行环境，对安装在高铁车顶的车载弓网运行状态检测装置护罩的结构及加工工艺提出了应当注意的问题和改进的建议。

高铁; 护罩; 结构; 工艺

高速铁路是行车速度在200km/h～350 km/h的电气化铁路。具有载客量高、输送能力大、舒适方便、安全性好、速度快、正点率高、能源消耗低、环境影响小等特点。在高铁的诸多特点中，安全性好是重中之重。

车载弓网运行状态检测系统，是全天候自动完成受电弓和接触网的接触状态及参数监控检测和车上转存的重要装置。保证受电弓和接触网接触状态的实时监控和信号的正常实时传输，实时定量地对弓网接触状态进行测试分析，及时排除弓网故障、改善受电弓和接触网的接触质量，对于保障高铁机车的正常运转，保证高速铁路安全正常运行至关重要。

弓网运行状态监测系统包括车顶电气测控部分，光纤隔离传输部分和车内数据分析部分。车顶电气测控系统主要实现监测数据的采集，处理与发送以及运行状态的报告；光纤隔离部分则是实现数据的光电转化和传输，以达到抗电磁干扰目的；车内数据分析部分主要实现对弓网检测数据和TAX箱数据的接收、处理。

弓网运行状态检测装置是弓网监测系统的车顶电气测控部分，是以检测接触压力为核心的多功能动态监测系统，实现对受电弓和接触网的拉出值、悬挂硬点、离线(拉弧)等项目的实时检测监控和信号的正常实时传输。

车载弓网运行状态检测装置护罩，则是车载弓网运行状态检测装置能够安全完整准确工作的前提保证。检测装置护罩的设计方案及所选择的安全防护等级，是车载弓网运行状态检测装置在集成的过程中必须认真考虑的问题。因此，车载弓网运行状态检测装置护罩在设计方案的选择和安全防护等级方面可以从以下几点考虑：

1 弓网运行状态检测装置护罩必须具备的特点

弓网运行状态检测装置由全数字高速动态红外热像仪、高分辨率高速可见光摄像机、夜间补光灯等系统有机的集成在同一流线型车顶防护罩内。由于高铁车顶的高速、动态、强冲击、强电磁、温差大等恶劣的特殊运行环境，以及系统要求具有高的数据采集和数据传输速率和全数字高速动态红外热像仪、高分辨率高速可见光摄像机的高精密度拍摄条件要求，使得弓网运行状态检测装置护罩必须要有IP66[1]以上防护设计、抗电磁干扰和防震设计，其结构应有以下特点：

1.1 要牢固。弓网运行状态检测装置长期在高速、动态、强冲击、强电磁、温差大等恶劣环境下运行的高铁车顶，高分辨率高速可见光摄像机、全数字高速动态热成像仪、夜间补光灯及其配套装置，如镜头、防护面罩、支架等，均安装在装置护罩内，因此装置护罩的安装必须牢固可靠。进出缆线必须锁紧并在车顶牢固固定。

1.2 要防潮湿。弓网运行状态检测装置长期在恶劣环境下运行，风雨雷电时常发生，且在高速运行状态下，风雨冲刷力特别巨大，密封系统稍有疏忽，就会发生渗漏，使检测装置失效。故装置护罩在防护等级上必须要有最高的选择和最严密的防潮措施，特别是在护罩的结合面的互扣配合，垫圈形式及材料的选择上，必须要有慎重的考虑。

1.3 要抗缩胀。弓网运行状态检测装置固定在动车车顶，有烈日暴晒，有冰雪冲刷，且高速列车行车纬度跨度大，昼夜温差大、纬度温差也大，所以弓网运行状态检测装置护罩必须能抵抗外在环境温度的考验，能抵抗冷热急剧变化引起的材料急剧收缩或膨胀。

1.4 要抗振动。弓网运行状态检测装置护罩一般固定在列车车顶，列车在运行的过程中，难免会有振动。由于车顶与铁轨之间有近4米的高度和近3.3米的宽度，在列车的行进中，列车车轮的振动以及车厢在高速前行中产生的晃动，在车顶会产生振摆效应而得到放大，使弓网运行状态检测装置护罩必须在预防振动上有一个周全的考虑。

1.5 要抗干扰。弓网运行状态检测装置在前期的集成设计中，已经采用了光纤和RS232光纤转换器等光纤隔离技术，用光纤传输数据解决了电磁干扰、地环干扰和雷电破坏的难题，大大提高了数据通讯的可靠性、安全性。但是，弓网运行状态检测装置在设计中还是要考虑列车在行进中，车轮的振动以及车厢在高速前行中产生的晃动使受电弓滑板与接触导线脱离接触形成离线而产生电弧和火花对通信产生电磁干扰，必须对通信集成部分采用全封闭金属屏蔽盒形式。

1.6 要防雷击。虽然高铁列车在整体系统中已经采用了极高的防雷电措施，但是弓网运行状态检测装置护罩对于防止雷击还是需要认真对待，绝对不能有雨水渗漏或其他可能使护罩出现潮湿的现象，绝对要避免因潮湿诱发雷击的现象发生。

1.7 要便于检修。弓网运行状态检测装置中的摄像机、热成像仪、夜间补光灯及其配套装置，在满足监视目标现场范围要求的条件下，如镜头、防护罩、支架等，须集成安装牢固，同时还须要使弓网运行状态检测装置护罩的设计便于安装、维护和检修。

2 现役弓网运行状态检测装置护罩结构上的缺陷及其对监测系统的影响

2.1 密封。弓网运行状态检测装置护罩，要做到防潮湿、抗伸缩、抗振动，密封方式的选择是关键。

现役弓网运行状态检测装置护罩的密封结构如图1所示，是采用全平面法兰螺钉压紧方式密封的。橡胶垫片覆盖了整个法兰密封平面，由于橡胶垫片与法兰的接触面积较大，给定的螺钉载荷下垫片上的压缩应力较低，在不间断地振动和剧烈的外在风雨沙尘的冲击下，很难达到绝对防渗防潮的作用。同时，由于采用平面密封时接触面积过大，硅橡胶密封垫较软，放大了机车运行的振动功能而降低了弓网状态检测的精度。

图1 现役护罩底座

2.2 定位。由于使用高分辨率高速可见光摄像机和全数字高速动态热成像仪，所以对弓网运行状态检测装置护罩的定位精度要求较高。如图1和图2所示，现役弓网运行状态检测装置护罩的上下盒罩的定位，是由图示中十个凸出的中间穿孔的凸台来定位的。不难看出，如若在平面上加装上橡胶垫圈后，这十个不高的凸台是难以定位的。特别是在运行环境十分恶劣的高速列车的顶上，各种振动不断，风沙在高速运行中向护罩上下盒罩间隙楔入，难以想象这种护罩能够达到国标《外壳防护等级》IP66的防护标准。

图2 现役护罩的密封和定位示意图

2.3 加工。如图3所示，现役弓网运行状态检测装置护罩的机加工面广而复杂。要铣凹平面、铣止口平面，铣多处小平面、弧面、台阶，还要钻大孔钻小孔，加工工序多且复杂，费工费料。而机加工的工序越多越复杂，机加工所产生的应力越多，特别是在机加工后的拐角处，容易形成应力集中。在持续振动和外力强劲冲击下，可能会有应力损毁发生。

图3 现役护罩上盖中易发生应力集中的位置

2.4 仪器精细调节。弓网运行状态检测装置，集成了全数字高速动态红外热像仪、高分辨率高速可见光摄像机、夜间补光灯等系统，由于列车高速行驶，各种振动不可避免，因此，弓网运行状态检测装置盖里的仪器必须随着振动调整，便于聚焦于受电弓和接触网的接触处。而图3所示，现役弓网运行状态检测装置护罩的面板结构复杂，缺少这方面的功能。如面的调整或方便进行这方面调整的结构。

3 针对现役弓网运行状态检测装置护罩结构上的缺陷提出的改进方案

针对现役弓网运行状态检测装置护罩在高速运行列车车顶的运行情况，拟提出以下几点改进方案：

3.1 针对密封。考虑到弓网运行状态检测装置护罩的恶劣工作环境，护罩的密封拟采用榫槽形密封面法兰方式。它是由一榫面和一槽面相配合而成的，橡胶O型条置于槽内，如图4所示。橡胶O型条6安装在护罩底座法兰5的精密压铸成型的榫槽内，当护罩上盖法兰2与护罩底座5被螺栓由孔1锁紧时，由于橡胶O型条压紧面积小，且因受到槽面的阻挡，橡胶O型条受到压紧面的紧密压紧，因而受外界介质冲刷和腐蚀的倾向少，安装时易于对中，橡胶O型条受力均匀，密封可靠稳定安全。榫槽形密封形式常用于密封要求极为严格的场合。橡胶O型条材料选用聚四氟乙烯(英文缩写为Teflon或PTFE、F4，由四氟乙烯经聚合而成的高分子化合物，具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、密封性、高润滑不粘性、电绝缘性和良好的抗老化性、耐温跨度大，能在+250℃至-180℃的温度下长期工作)[2]。

图4 新的密封和定位示意图

3.2 针对定位。如图4所示，在弓网运行状态检测装置护罩的装配定位上，护罩底座法兰5与护罩上盖法兰2之间的定位由精密压铸成型的榫槽内的下止口3和上止口4相互扣接而成。安装方便，使用可靠。

3.3 针对现有结构。在材料的选择上，使用高强度铝合金精密压铸。故护罩的底座及上盖的法兰面、榫型槽、上下止口等均由精密压铸直接成型，可以省去很多机加工工序。各拐角处均有不同弧度的过渡圆弧，可以避免不必要的应力集中。

4 如何在高强度铝合金精密压铸加工工艺上保证

高强度铝合金精密压铸在生产过程中会产生诸多不良，如：裂纹，流纹，沙眼，缺料，毛边，螺孔滑牙等。影响产品合格率的因素与产品设计的生产技术参数、原材料品质、生产人员素质有着直接的关系。除此之外产品的结构，模具材料，模具设计，压铸调机，后期加工，产品表面处理等，对产品优良率也有直接的影响。具体地讲就是：

4.1 产品工艺结构的调整。产品的工艺结构很关键，“结构问题属于先天性的问题”，好的产品工艺结构直接影响成型周期和模具寿命，首先是产品的壁厚要均匀、无细长筋骨，壁太厚会导致铸件缩水，且压铸周期长，产生气泡，铸孔会产生沙眼等。解决措施有：

4.1.1 产品工艺结构须评审：按照压铸周期短，壁厚均匀的原则，对结构进行优化，以局部加强来保证壁厚均匀；

4.1.2 特殊特征要避免。如：有侧孔，内侧有扣位，薄骨位，深筋位等均需改进。原因是：侧孔和内侧扣位在模具上很难直接成型，需二次(CNC)加工。深筋位不利于模具加工，生产中易粘模。

4.2 模具材料要有严格的选择。 压铸生产过程中的模具温度在300度、料温在800度左右，因此对模具的要求极高，材料上通常使用进口8407，8418。

4.3 浇注工艺要严谨 淬火48小时，模具设计时要注意浇口位置的选择，流道的走向和厚度，入水口的厚度，排气的位置，垃圾包的分布。

4.4 压铸成型机在使用前须调机。 目前行业内的压铸机有国产和进口，都已实现自动化压铸，成型各参数也是产品质量关键因素，如在产品表面有冷纹：提高模温或料温都有明显改善[3]。

4.4.1 产品有裂纹。需调整开模时间，增加或延迟都有不错效果。

4.4.2 产品有气孔。在成型不良品上占的比重较高，克服它需要多方面下手，模腔内本就有气体，料筒内也有，包括离型剂也带有气体，可以选择对原料除渣除气，烤干，模内流道转弯圆滑，截面积渐減，这些对排气有很大帮助，可大大减少气孔的产生。

4.4.3 产品有缩水。改善方法就是增加压力，调整模温。

4.4.4 产品有脱层。模具长时间生产后模面有一层氧化物，可以切换高速，缩短充填时间，以及将模面做清理保养。

4.4.5 产品有毛边。可通过加强锁模力，适当调整填充压力。

4.4.6 产品有积碳。影响产品外观不良，可适当减少离型剂用量，升高模温。

4.5 产品压铸成型后须整形。 产品压铸出来后还要进行后期加工，如冲切、钻孔攻丝，机器整形等。

4.5.1 冲切的管控。 重点在于制程中的压伤，由于冲模没有及时的清理干净会导致产品冲切完后表面有压印。须严格按照作业指导书的要求定时清理冲模表面。

4.5.2 钻孔攻丝的管控。 重点在于控制牙孔的同心度，防止滑牙，牙孔须百分百的用牙规全检，此工段极费人力、效率极低，但非常关键；

4.5.3 机器整形。 是按照产品做一套整形治具，将治具加温，再将产品放进治具里热压，使其变得平平整整达到品质要求。此工段须由人工用塞尺百分百全检。

4.6 表面处理。 铝压铸产品在常规空气中会形成氧化，导致产品表面发黑，起霉，腐蚀等。因此需对产品表面进行钝化处理，钝化后的产品表面可以通过盐雾和人工汗液的测试。

5 结束语

弓网运行状态检测装置护罩在弓网运行状态检测系统中，处于十分重要的位置。同时，护罩结构的安全稳定也关系到高铁运行过程中的安全问题。必须高度重视。在高度重视弓网运行状态检测装置护罩的安全性和稳定性的同时，我们也必须充分考虑制造成本的节约和加工工艺的简单可行。

[1]GB4208—2008——IEC60529：2001《外壳防护等级(IP代码)》.

[2]黄志坚. 现在密封技术应用-使用维护方法[M]. 北京：机械工业出版社，2008.6.

[3]李平， 彭学周. 铝合金壳体的压铸工艺优化设计[J]. 铸造， 2015，(11).

Detection System Shield Structure and Manufacturing Processing Under the Vehicle-Mounted Pantograph Catenary Operate State

WANG Qiu-zhen

(School of Physics and Mechanical & Electrical Engineering, Hubei University of Education, Wuhan 430205, China)

Vehicle-mounted pantograph catenary detection system under operate state is an important component of many detect systems that could guarantee high-speed rail safe and normal operation. According to the special operating environment of high-speed roof such as high speed, dynamic condition, strong impact, strong electric, wide temperature differential, etc., This article proposes some problems that need to be pay attention to and be improved about the structure and manufacturing processing of detection system shield mounted on the high-speed rail roof.

high-speed rail; shield; structure; manufacturing processing

2016-06-21

王秋珍(1963-)，女，湖北武汉人，教授，研究方向为机械设计和机电一体化。

TH16

A

1674-344X(2016)08-0012-04