CN113061822B - 一种制备铁路接触网导线表面细晶耐磨层的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种制备铁路接触网导线表面细晶耐磨层的装置和方法，包括：腔体外壳和接触网导线；腔体外壳内壁周向开设有第一环形槽；腔体外壳内设置有腔体内壳；腔体外壳与腔体内壳之间形成滚动腔；腔体内壳外壁周向开设有第二环形槽；第一环形槽与第二环形槽之间等间距设置有若干滚柱；若干滚柱外套设有保持架；腔体外壳外壁对称连通有进油管和出油管；进油管和出油管均与滚动腔连通；腔体内壳内壁设置有若干伸缩滚压刀具；伸缩滚压刀具与腔体内壳内壁连接端连通滚动腔；伸缩滚压刀具的另一端设置有滚压头；滚压头与接触网导线外壁抵接，能够解决现有铁路接触网导线强度不足和耐磨性能较差的问题，大大延长接触网导线服役寿命。

Description

一种制备铁路接触网导线表面细晶耐磨层的装置和方法

技术领域

本发明涉及电气化铁路零部件材料加工及表面强化技术领域，特别是涉及一种制备铁路接触网导线表面细晶耐磨层的装置和方法。

背景技术

随着铁路高速化、重载化和电气化进程不断加快，电气化列车服役过程中的弓网关系问题愈加凸显，接触网导线所面临的磨耗与损伤现象也日益严重，接触网导线服役寿命大大降低，而频繁更换接触网导线对铁路运营造成极大的经济负担。

同时，作为电气化铁路接触网用导线，性能要求包括导电性，抗拉强度，热软化性，抗疲劳性、耐磨损性以及耐腐蚀性等，而现有的接触网导线的改性技术多以改变材料组分的方式(如添加纤维，陶瓷颗粒，稀土元素，石墨，铜合金化等)为主流，这些改性技术虽显著提高了接触网导线的强度但也带来了导线电导率大幅下降和制备与研发成本大幅增加的问题。因此，为应对不断提出的铁路技术问题，面对我国铁路电气零部件强化领域的挑战，研究人员不断研发针对接触网导线的新材料和新加工技术。

表面细晶耐磨层强化工艺是近几年发展的新型表面处理加工技术，它通过对金属表面施加强烈应力来诱导表层晶粒细化并形成一层具有一定厚度的残余压应力耐磨细晶层，同时具备加工硬化和细晶强化效应。而表面滚压加工处理(SMRT)更是该工艺技术的新技术突破，结合了喷丸喷砂、表面机械研磨(SMAT)等对表面施加冲击载荷及表面机械碾压(SMGT)对表面施加碾压载荷等技术优点开发而成，具备了更高的可控性和细化层更厚、细化程度更高的纳米晶层，可更大地提高材料表面性能，也是最新表面纳米化工艺突破热点。而且，由于电气化铁路接触网导线材料热加工会导致内部组织发生显著变化，由此可见表面滚压加工技术作为冷加工强化技术，尤其适合作为一道加工强化工艺加入到接触网导线加工生产线中。因此，基于接触网导线材料较高的塑性和优异的冷加工性能，通过表面滚压机械设备对导线进行纳米化加工强化，在导线表面构筑一层高强耐磨的细晶结构层，可以延长导线使用寿命，优化铁路运营成本，具有良好的工业化前景。

但现有的滚压加工设备(如专利CN201610546175.1和豪克能滚压加工装置等)多数采用单一滚压头和简单结构的加工设备对棒状加工试样进行单道表面滚压工序，加工效率仍有较大的提升空间，因此，如何在棒状材料表面滚压加工时实现外周多道次同时加工，提升加工效率并降低加工成本，使其适用于工厂加工生产线上，是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备铁路接触网导线表面细晶耐磨层的装置和方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够解决现有铁路接触网导线强度不足和耐磨性能较差的问题，大大延长接触网导线服役寿命。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种制备铁路接触网导线表面细晶耐磨层的装置，包括：腔体外壳和接触网导线；所述腔体外壳内壁周向开设有第一环形槽；所述腔体外壳内设置有腔体内壳；所述腔体外壳与所述腔体内壳之间形成滚动腔；所述腔体内壳外壁周向开设有第二环形槽；所述第一环形槽与所述第二环形槽之间等间距设置有若干滚柱；若干所述滚柱外套设有保持架；所述腔体外壳外壁对称连通有进油管和出油管；所述进油管和所述出油管均与所述滚动腔连通；所述腔体内壳内壁设置有若干伸缩滚压刀具；所述伸缩滚压刀具与所述腔体内壳内壁连接端连通所述滚动腔；所述伸缩滚压刀具的另一端设置有滚压头；所述滚压头与所述接触网导线外壁抵接。

优选的，开设的半球槽和设置的支撑组件便于放置滚柱，实现腔体外壳固定和腔体内壳作圆周转动；腔体内壳内壁上设置的若干个伸缩滚压刀具，可极大提高加工效率；改变工件进给速度，滚压设备旋进速度、加压方式及压入深度等，可对不同材料的接触网导线工件加工并获得优异的表面纳米层。

所述保持架设置为环形结构；所述保持架周壁周向开设有若干定位孔；所述定位孔与滚柱相适配。

所述伸缩滚压刀具包括的螺柱；所述腔体内壳内壁开设有若干连接孔；所述螺柱一端与所述连接孔内壁通过螺纹连接；所述螺柱靠近所述腔体内壳内壁的外壁套接有刀具座；所述螺柱的另一端嵌设有所述滚压头，且所述螺柱外壁通过螺纹连接有锁紧螺母。

优选的，应用对象包括但不仅限于纯铜及其合金材料的接触网导线，对其他接触网导线材料如铝基等也同样具备相应的强化效能；导线工件加工处理后表层组织细化并形成一层高强耐磨的纳米晶细化层，沿深度方向的内部组织呈梯度变化，芯部保持原有粗晶状态。

所述螺柱中心开设有出油通孔；所述螺柱的一端与所述腔体内壳内壁固接；所述出油通孔与所述滚动腔连通。

优选的，滚压加工设备通过腔体内部油压增加的方式对加工工件施加接触载荷并压入表面一定深度，通过腔体内壳带动刀具旋转的方式实现对加工工件整周加工，整个加工过程稳定可控。

一种制备铁路接触网导线表面细晶耐磨层的方法，包括如下步骤：

步骤一，将所述接触网导线设置在制备铁路接触网导线表面细晶耐磨层的设备的中心处；

步骤二，通过控制所述滚动腔内油压，使所述滚压头对接触网导线表面施加一定接触载荷控制压入深度；

步骤三，所述腔体内壳进行旋转，使滚压头在所述接触网导线的表面自由滚动，并使接触网导线进行轴向进给；

步骤四，使所述接触网导线表面发生均匀且强烈塑性变形至表层形成一层高强耐磨的纳米晶层后，最后通过机加工方式在所述接触网导线两侧加工出用于悬吊的沟槽，完成所述接触网导线制备。

所述步骤一中，所述伸缩滚压刀具可根据所述接触网导线半径不同而进行调整；将所述接触网导线设置在制备若干所述伸缩滚压刀具围成圆的圆心。

所述步骤二中，所述伸缩滚压刀具内部的润滑油可实现所述滚压头的自由滚动及加压，从而实现对接触网导线表面的滚压加工，所述滚压头的尺寸和材质可根据所述接触网导线材料的不同来选择。

所述步骤三中，滚压加工过程中，所述接触网导线表面需要用流动的润滑油进行冷却。

优选的，避免加工过程中产生的热量导致组织变形，对所述接触网导线表面具有精抛光的效果。

所述步骤四中，通过机加工的方式在所述接触网导线上部两侧加工出左右对称的用于悬吊的沟槽并对边缘倒角进行打磨，即可直接应用于电气化铁路接触网。

本发明公开了以下技术效果：腔体内壳内壁上设置的若干个伸缩滚压刀具，可极大提高加工效率；改变工件进给速度V₂，滚压设备旋进速度V₁、加压方式及压入深度等，同时带动滚压头以V₃速度自转，可对不同材料的接触网导线工件加工并获得优异的表面纳米层；滚压加工设备通过腔体内部油压增加的方式对加工工件施加接触载荷并压入表面一定深度，通过腔体内壳带动滚压头以V₃速度旋转的方式实现对加工工件整周加工，整个加工过程稳定可控；能够解决现有铁路接触网导线强度不足和耐磨性能较差的问题，大大延长接触网导线服役寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明制备设备结构示意图。

图2为本发明制备设备的主视图。

图3为本发明滚柱的结构示意图。

图4为本发明伸缩滚压刀具的结构示意图。

图5为本发明A1的局部放大图。

图6为本发明所述加工方法所制备的接触网导线的整体横截面及其内部组织示意图。

图7为本发明所述加工方法所制备的接触网导线在光学显微镜下的上表层的显微组织图。

图8为本发明所述加工方法所制接触网导线的横截面沿深度方向的维氏硬度变化图。

其中，1-腔体外壳，2-接触网导线，3-腔体内壳，4-滚动腔，5-滚柱，6-保持架，7-进油管，8-出油管，9-滚压头，10-螺柱，11-连接孔，12-刀具座，13-锁紧螺母，14-出油通孔，15-沟槽，16-粗晶层，17-梯度转变层，18-纳米细晶层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种制备铁路接触网导线表面细晶耐磨层的装置，包括：腔体外壳1和接触网导线2；腔体外壳1内壁周向开设有第一环形槽；腔体外壳1内设置有腔体内壳3；腔体外壳1与腔体内壳3之间形成滚动腔4；腔体内壳3外壁周向开设有第二环形槽；第一环形槽与第二环形槽之间等间距设置有若干滚柱5；若干滚柱5外套设有保持架6；腔体外壳1外壁对称连通有进油管7和出油管8；进油管7和出油管8均与滚动腔4连通；腔体内壳3内壁设置有若干伸缩滚压刀具；伸缩滚压刀具与腔体内壳3内壁连接端连通滚动腔4；伸缩滚压刀具的另一端设置有滚压头9；滚压头9与接触网导线2外壁抵接。

保持架6设置为环形结构；保持架6周壁周向开设有若干定位孔；定位孔与滚柱5相适配。

伸缩滚压刀具包括的螺柱10；腔体内壳3内壁开设有若干连接孔11；螺柱10一端与连接孔11内壁通过螺纹连接；螺柱10靠近腔体内壳3内壁的外壁套接有刀具座12；螺柱10的另一端嵌设有滚压头9，且螺柱10外壁通过螺纹连接有锁紧螺母13。

螺柱10中心开设有出油通孔14；螺柱10的一端与腔体内壳3内壁固接；出油通孔14与滚动腔4连通。

一种制备铁路接触网导线表面细晶耐磨层的方法，包括如下步骤：

步骤一，将接触网导线2设置在制备铁路接触网导线2表面细晶耐磨层的设备的中心处；

步骤二，通过控制滚动腔4内油压，使滚压头9对接触网导线2表面施加一定接触载荷控制压入深度；

步骤三，腔体内壳3进行旋转，使滚压头9在接触网导线2的表面自由滚动，并使接触网导线2进行轴向进给；

步骤四，使接触网导线2表面发生均匀且强烈塑性变形至表层形成一层高强耐磨的纳米晶层后，最后通过机加工方式在接触网导线2两侧加工出用于悬吊的沟槽，完成接触网导线2制备。

步骤一中，伸缩滚压刀具可根据接触网导线2半径不同而进行调整；将接触网导线2设置在制备若干伸缩滚压刀具围成圆的圆心。

步骤二中，伸缩滚压刀具内部的润滑油可实现滚压头9的自由滚动及加压，从而实现对接触网导线2表面的滚压加工，滚压头9的尺寸和材质可根据接触网导线2材料的不同来选择。

步骤三中，滚压加工过程中，接触网导线2表面需要用流动的润滑油进行冷却。

步骤四中，通过机加工的方式在接触网导线2上部两侧加工出左右对称的用于悬吊的沟槽并对边缘倒角进行打磨，即可直接应用于电气化铁路接触网。

纯铜虽具备极高的电导率和优异的可加工性，电流传输效率最高，但由于其低强度和不耐磨性而仅应用于中低速电气化铁路的接触网导线2中。本发明实施例以纯铜接触网导线2为加工对象，在保证接触网导线2用纯铜材料不发生元素改变的前提下，对其进行表面纳米化加工，以提高其表层材料强度硬度且保证材料导电性不发生明显变化，从而极大扩宽纯铜接触网导线2的工业应用范围，对优化铁路运营成本具有重要意义。本发明适用范围应包括但不限于纯铜材料及其合金材料，纯铝材料及其铝合金材料，甚至三金属合金及复合材料。

在本发明的一个实施例中，以纯铜接触网导线2为加工对象，滚压加工参数包括：加工设备整周运动线速度560r/min、加工工件进给速度0.98mm/s、液压范围0.25MPa-1.0MPa，往复加工6次，滚压头9的尺寸和材质选用φ8mm的SiC陶瓷球，本实施例材质为纯铜，具体牌号为T2紫铜，包含99.95％.wt的铜，其余为杂质。

在本发明的另一个实施例中，以纯铜接触网导线2为加工对象，将加工好试样通过线切割，打磨抛光并通过腐蚀显示其组织形貌，在光学显微镜下观察如图7所示，其横截面整体组织形貌示意图如图7所示，由图可知加工工件芯部为20-50μm等轴晶组织，沿深度方向往上的晶粒逐渐沿着滚压处理方向发生形变，至表层晶粒破碎再结晶形成晶粒尺寸极小的细晶组织。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种制备铁路接触网导线表面细晶耐磨层的装置，其特征在于，包括：腔体外壳(1)和接触网导线(2)；所述腔体外壳(1)内壁周向开设有第一环形槽；所述腔体外壳(1)内设置有腔体内壳(3)；所述腔体外壳(1)与所述腔体内壳(3)之间形成滚动腔(4)；所述腔体内壳(3)外壁周向开设有第二环形槽；所述第一环形槽与所述第二环形槽之间等间距设置有若干滚柱(5)；若干所述滚柱(5)外套设有保持架(6)；所述腔体外壳(1)外壁对称连通有进油管(7)和出油管(8)；所述进油管(7)和所述出油管(8)均与所述滚动腔(4)连通；所述腔体内壳(3)内壁设置有若干伸缩滚压刀具；所述伸缩滚压刀具与所述腔体内壳(3)内壁连接端连通所述滚动腔(4)；所述伸缩滚压刀具的另一端设置有滚压头(9)；所述滚压头(9)与所述接触网导线(2)外壁抵接；

所述伸缩滚压刀具包括的螺柱(10)；所述腔体内壳(3)内壁开设有若干连接孔(11)；所述螺柱(10)一端与所述连接孔(11)内壁通过螺纹连接；所述螺柱(10)靠近所述腔体内壳(3)内壁的外壁套接有刀具座(12)；所述螺柱(10)的另一端嵌设有所述滚压头(9)，且所述螺柱(10)外壁通过螺纹连接有锁紧螺母(13)；所述螺柱(10)中心开设有出油通孔(14)；所述螺柱(10)的一端与所述腔体内壳(3)内壁固接；所述出油通孔(14)与所述滚动腔(4)连通。

2.根据权利要求1所述的一种制备铁路接触网导线表面细晶耐磨层的装置，其特征在于：所述保持架(6)设置为环形结构；所述保持架(6)周壁周向开设有若干定位孔；所述定位孔与滚柱(5)相适配。

3.一种制备铁路接触网导线表面细晶耐磨层的方法，基于权利要求1所述的一种制备铁路接触网导线表面细晶耐磨层的装置，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一，将所述接触网导线(2)设置在制备铁路接触网导线(2)表面细晶耐磨层的设备的中心处；

步骤二，通过控制所述滚动腔(4)内油压，使所述滚压头(9)对接触网导线(2)表面施加一定接触载荷控制压入深度；

步骤三，所述腔体内壳(3)进行旋转，使滚压头(9)在所述接触网导线(2)的表面自由滚动，并使接触网导线(2)进行轴向进给；

步骤四，使所述接触网导线(2)表面发生均匀且强烈塑性变形至表层形成一层高强耐磨的纳米晶层后，最后通过机加工方式在所述接触网导线(2)两侧加工出用于悬吊的沟槽，完成所述接触网导线(2)制备。

4.根据权利要求3所述的一种制备铁路接触网导线表面细晶耐磨层的方法，其特征在于：所述步骤一中，所述伸缩滚压刀具可根据所述接触网导线(2)半径不同而进行调整；将所述接触网导线(2)设置在制备若干所述伸缩滚压刀具围成圆的圆心。

5.根据权利要求3所述的一种制备铁路接触网导线表面细晶耐磨层的方法，其特征在于：所述步骤二中，所述伸缩滚压刀具内部的润滑油可实现所述滚压头(9)的自由滚动及加压，从而实现对接触网导线(2)表面的滚压加工，所述滚压头(9)的尺寸和材质可根据所述接触网导线(2)材料的不同来选择。

6.根据权利要求3所述的一种制备铁路接触网导线表面细晶耐磨层的方法，其特征在于：所述步骤三中，滚压加工过程中，所述接触网导线(2)表面需要用流动的润滑油进行冷却。

7.根据权利要求3所述的一种制备铁路接触网导线表面细晶耐磨层的方法，其特征在于：所述步骤四中，通过机加工的方式在所述接触网导线(2)上部两侧加工出左右对称的用于悬吊的沟槽并对边缘倒角进行打磨，即可直接应用于电气化铁路接触网。

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