庞志宁，刘寅，王冬明，刘义勤，陈洋洋
中铁电气化局集团有限公司设计研究院
摘要：目前国内外高速铁路接触网专业采用BIM正向设计，并且将BIM模型直接进行CAE分析和CAM数控加工的做法相对较少，本文以接触网专业的棘轮为例，从棘轮的理论设计出发，然后进行建模、校核、加工等关键技术进行研究，为后期BIM和CAE、CAM技术的结合应用于接触网专业方面的零部件数字化制造和安装打下基础。
关键字：棘轮，BIM，CAE，CAM
Research on BIM/CAE/CAM catenary ratchet’s digital design, verification and manufacturing technology
Pang Zhining, Liu yiqin, Wang Dongming, Liu yin, Chen Yangyang
(Design & Research institute, China railway electrification Bureau (Group) Co.,LTD, Beijing, 100166, China)
Abstract: So far, It is used in BIM designing, and use BIM model directly for CAE analysis and CAM numerical manufacturing is relatively less in domestic and foreign high speed railway’s OCS(overhead contact system) major, based on OCS major’s ratchet as a example, starting from the theoretical design of ratchet wheel, then key technologies such as modeling, checking, and manufacturing, for later project status’s BIM and CAE, CAM technology is applied to combination of OCS part’s digital manufacture and construction installation according to this example.
Keywords: Ratchet, BIM, CAE, CAM
1前言
目前国内外针对BIM模型进行预制加工大多数用于暖通风水专业管线的预制加工，一般采用的是Fabrication或者莱福络软件，主要针对的是板材类的原材料机加工，而在铁路的接触网专业中异形构件较多，采用BIM模型进行异形件预制加工的技术路线尚未完全打通，以往大多都是利用CAD出详图深化设计然后进行零部件加工的方式对接触网腕臂、吊弦等重要零部件进行预配加工，迄今为止，高速铁路接触网专业采用BIM正向设计有上海锦申、铁科院等单位，但是并没有将接触网专业正向设计与数字化生产及施工安装、生产管控、施工管控系统地结合在一起，本文通过采用BIM（建筑信息模型）正向设计和CAE（计算机辅助工程）、CAM（计算机辅助制造）结合，并有效地将有限元计算和校核，数控加工技术结合在一起，形成设计、生产、施工一脉相承的全生命周期数字孪生路线。为后期其他项目继续深化树立典型。
2研究技术路线
BIM/CAE/CAM技术结合，实施在铁路项目实现接触网的数字孪生和相关施工管理应用中。既能满足正向设计的需求，同时校核验算的资料内容也能够反馈至正向设计当中，最后完善BIM模型后设备的零部件再进行拆分和预组装两个关键步骤，拆分的零部件直接进行CAM数字化加工，最终的目的是实现设备的安装落地，技术路线如图1所示：
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图1 BIM/CAE/CAM技术路线
3 研究内容
以接触网棘轮为例，一般地，棘轮轮体及轮盖、楔子及平衡轮体、楔子线夹采用的是铸造工艺进行加工[1][2]，棘轮轮体及轮盖按照GB/T1173-1995，采用代号为ZL114A的优质铸铝镁硅合金（ZAlSi7Mg），合金采用T5（固溶处理加不完全人工时效）处理，抗拉强度σb≥290MPa，延伸率δ≥2%。棘轮轴按GB/T699-1988，牌号为45#的优质碳素结构钢并进行调制处理[3]。棘轮支架、棘轮连接架等零部件采用的是碳素结构钢[4]，不锈钢补偿绳材质采用的是0Cr18Ni9的奥氏体不锈钢，补偿绳直径一般为8.75mm。
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图2 棘轮设计的主要尺寸参数
如图2所示，棘轮机构的设计一般从棘轮与棘爪的轴心位置、棘轮的齿面偏斜角α、棘轮齿数z、棘轮齿距p、棘轮模数m、齿顶圆直径da等。
齿数z和模数m确定后，棘轮机构的其他几何尺寸[5]，可由表1中公式算出。
表1 棘轮主要技术参数
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图3棘轮三维模型
对根据计算建立的棘轮三维模型进行CAE有限元计算，固定约束设定在棘轮支架上，坠砣张力T1=1000N，横向拉绳的张力T2=2000N，在棘轮机构工作时，棘爪给棘轮轮齿的作用力T3=500N，整体重力方向竖直向下。计算结果如图4所示，棘轮工作时最大应力值为σmax=13MPa≤σs=235MPa，最大变形量为3.97×10-2mm。
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图5 BIM模型转化成数控加工代码
4结论
BIM/CAE/CAM的技术路线，结合铁路项目实现接触网的数字孪生和相关设计、生产、施工方面应用。旨在实现正向设计，并且能够将实施过程中的校核验算反馈至正向设计、制造生产、施工安装当中。这使得设计和施工能够有机地协同并及时反馈部分相关信息，同时对异形件的数控机加工也有一定的指导作用。
参考文献
[1]蒋先国，电气化铁道接触网零部件设计与制造[M]，中国铁道出版社，2009.
[2]褚文平，高速铁路接触网铝合金零部件低压铸造技术研究，中国机械，107~108，2016年第1期.
[3]徐钦华，彭志贤，李明扬等，铁路棘轮补偿用不锈钢销轴开裂失效分析[J]，材料保护，154~159，2020，53(11).
[4] 马远征，高速铁路铝合金棘轮低压铸造工艺及性能研究[M]，23~55，哈尔滨工业大学，2015.
[5]王绍普，接触网棘轮补偿装置的使用问题分析及对策，铁道机车车辆，107~109，2014.10，第34卷第5期.
[6]庞志宁，连涛，王冬明，基于BIM技术的机电设备零部件参数化建模及分析方法[J]，港口装卸，21~25，2017年05期.