電力機(jī)車用輔助變壓器鐵芯變形控制研究

劉海彬，廖保華

(南車株洲電機(jī)有限公司，湖南株洲412001)

0 引言

牽引電力機(jī)車用輔助變壓器將由牽引變壓器傳遞的電壓再次變壓后為機(jī)車輔助設(shè)備提供電源，其特點(diǎn)是具有高阻抗電壓、大空載電流特性、H 級的高等級絕緣、防水性好［1］。制作過程包括硅鋼片剪切、鐵芯制作、線圈繞制、器身套裝、引線制作、烘焙浸漆等工序。工藝特點(diǎn)是工序繁多、生產(chǎn)周期長，制作過程中存在影響產(chǎn)品質(zhì)量的不確定因素較多。在輔助變壓器制造過程中，工程技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)輔助變壓器鐵芯因受力發(fā)生變形，本文對鐵芯變形產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施進(jìn)行了分析。

1 電力機(jī)車輔助變壓器簡介

電力機(jī)車用輔助變壓器為交流三相變壓器，容量通常為350 kVA 以下，屬于小型變壓器，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。鐵芯為心式結(jié)構(gòu)，由主鐵芯、旁鐵芯、上夾件、下夾件組成。線圈為層式線圈，靠近鐵芯一側(cè)線圈為低壓線圈，外側(cè)為高壓線圈。線圈使用的導(dǎo)線有薄膜燒結(jié)線，也有裸銅線。引線連接方式為Dyn5，低壓引線為△型連接，高壓引線為Y 型連接。線圈套裝后，通過緊固4 根M16 穿心螺桿、2 根M10 穿心螺桿(本文簡稱拉螺桿)上的螺母，將鐵芯上夾件與鐵芯本身連接成一體，后通過浸漆烘焙使輔助變壓器絕緣強(qiáng)度得到加強(qiáng)，同時機(jī)械強(qiáng)度更好。

圖1 變壓器結(jié)構(gòu)示意圖

2 輔助變壓器鐵芯變形產(chǎn)生的原因

輔助變壓器套裝過程中，鐵芯受力為拉螺桿的緊固力，通過上下夾件傳達(dá)到鐵芯。套裝完成后需翻身再轉(zhuǎn)運(yùn)至下工序，在烘焙浸漆前鐵芯受到線圈的重力作用。本文通過拉螺桿緊固扭矩值驗(yàn)證分析輔助變壓器鐵芯產(chǎn)品發(fā)生變形的原因。

M16 拉螺桿扭矩T，對拉螺桿施加的扭矩克服摩擦力傳遞給上鐵軛的預(yù)緊力為F，M16 公稱直徑為d，擰緊力矩系數(shù)為K，主鐵芯柱截面積為A1，旁鐵芯截面積為A2。拉螺桿對上鐵軛的預(yù)緊力［2］計(jì)算公式見(1):

緊固M16 拉螺桿過程中，上鐵軛重力與拉螺桿螺紋摩擦力抵消，未作用于鐵芯柱上，則單根輔助變壓器主鐵芯柱受力計(jì)算公式見(2):

為驗(yàn)證輔助變壓器拉螺桿不同扭矩值情況下對輔助變壓器套裝的影響，本文選擇了6 臺130 kVA 輔助變壓器鐵芯，分別編號1#～6#。在鐵芯套裝線圈前，緊固鐵芯M16 拉螺桿，驗(yàn)證過程中每兩臺130 kVA 輔助變壓器M16 拉螺桿緊固扭矩值分別為110 N·m、130 N·m、150 N·m。驗(yàn)證過程如下:

1)按照正常工藝將線圈套裝到鐵芯上，打入線圈與鐵芯間撐條，確認(rèn)撐條無松動后，安裝上夾件。

圖2 線圈下平面到地面距離

2)使用游標(biāo)卡尺測量輔助變壓器上夾件與下夾件之間的距離，并做好記錄。

3)使用扭矩扳手，將驗(yàn)證的130 kVA 輔助變壓器緊固到驗(yàn)證的扭力值。

4)翻身后將輔助變壓器吊運(yùn)至平臺上，測量線圈下平面端部到平臺間距離d(見圖2)，并做好記錄。

5)輔助變壓器在靜放12 h 后，觀察測量輔助變壓器上夾件與下夾件之間的距離、線圈下平面到地面之間的距離。

表1 拉螺桿扭矩值驗(yàn)證記錄數(shù)據(jù)

表2 工藝驗(yàn)證參數(shù)變化

由表1、表2 記錄的驗(yàn)證數(shù)據(jù)分析可以得出:①輔助變壓器套裝后緊固M16 拉螺桿會使上下夾件間距小于設(shè)計(jì)值，在此過程中上下夾件會擠壓鐵芯。②緊固M16 的拉螺桿扭矩值越大，上、下夾件間距離與設(shè)計(jì)值之間的差值越大;換鎖緊螺母之后，輔助變壓器上下夾件間距離進(jìn)一步變小。③套裝完成后，在輔助變壓器存放過程中，因受重力作用，線圈下沉導(dǎo)致其下平面距離地面的距離呈減小趨勢，M16 拉螺桿扭矩值越大，對鐵芯的壓力越大，上鐵軛與鐵芯之間的摩擦力越大，則線圈下平面到地面的距離變化越小。

3 輔助變壓器鐵芯變形控制措施分析

本文驗(yàn)證通過增加無緯帶包扎范圍提高鐵芯強(qiáng)度來減小鐵芯變形的措施的可行性。

1)選擇2 臺130 kVA 輔助變壓器，在主鐵芯上使用記號筆分別標(biāo)記為1#、2#。

2)將1#輔助變壓器主鐵芯、旁鐵芯整體包扎無緯帶，包扎完成后將鐵芯送入烘爐烘焙固化。

3)驗(yàn)證過程見表3。

由以上驗(yàn)證可知，輔助變壓器緊固M16 拉螺桿時，主鐵芯先受力變形。1#輔助變壓器鐵芯整體包扎后可承受的拉螺桿緊固扭矩值可達(dá)150 N·m;2#正常工藝制造的輔助變壓器承受最大扭矩值為90 N·m。

由圖3、圖4 鐵芯截面尺寸示意圖，單張硅鋼片受力壓桿穩(wěn)定性分析，根據(jù)歐拉公式計(jì)算單張硅鋼片臨界力［3］:

其中E 為硅鋼片彈性模量，I 為慣性矩，μ 為長度因數(shù)，l 為硅鋼片長度。

表3 驗(yàn)證過程

圖3 主鐵芯截面示意圖

圖4 旁鐵芯截面示意圖

單根主鐵芯柱硅鋼片數(shù)量為488 片，不考慮主鐵芯柱側(cè)面外力作用時，單根主鐵芯柱受力為:

F=nFcr=488 ×0.96 =468.48 N

根據(jù)上文提及的輔助變壓器鐵芯壓力計(jì)算公式(2)可知，驗(yàn)證過程中1#、2#輔助變壓器主鐵芯實(shí)際承受的壓力分別為:

由式(4)可知，鐵芯整體包扎0.2 ×25H 級網(wǎng)狀無緯帶，包扎厚度為三層時，主鐵芯柱所承受壓力可達(dá)41 886.03 N，未發(fā)生明顯變形。

由式(5)可知，鐵芯包扎三處0.2 ×25 H 級網(wǎng)狀無緯帶，每處包扎三層時，主鐵芯在承受13 955.34 N 時，開始發(fā)生變形。

由式(6)可知，鐵芯包扎三處0.2 ×25 H 級網(wǎng)狀無緯帶，每處包扎三層時，主鐵芯在承受25 119.62 N 壓力時，已發(fā)生嚴(yán)重變形。

通過工藝驗(yàn)證及理論計(jì)算可知，通過增加鐵芯無緯帶包扎的范圍可以增大鐵芯強(qiáng)度，避免鐵芯變形。

4 結(jié)語

通過本文涉及的驗(yàn)證數(shù)據(jù)及驗(yàn)證過程可以得出以下結(jié)論:

1)輔助變壓器 M16 的拉螺桿在 110 N·m、130 N·m、150 N·m不同扭矩值下，拉螺桿緊固扭矩越大，輔助變壓器上、下夾件間距離越小，拉螺桿的力通過上、下夾件傳遞到主體芯、旁鐵芯上，則輔助變壓器主鐵芯與旁鐵芯變形量越大，110 N·m時上、下夾件間距離最接近設(shè)計(jì)值。

2)通過增加輔助變壓器無緯帶包扎范圍可以增加鐵芯強(qiáng)度，避免鐵芯發(fā)生變形。

［1］廖保華. HXD1B 電力機(jī)車用300 kVA 輔助變壓器研制［J］. 機(jī)車電傳動，2011(4).

［2］張振華，應(yīng)秉斌，矯明. 螺栓擰緊力矩的確定方法及相關(guān)探討［J］.化學(xué)工程與裝備，2009(8).

［3］羅迎社，喻小明. 工程力學(xué)［M］. 北京:北京大學(xué)出版社，2006.