BVAC.N99型真空主斷路器電磁閥先導(dǎo)筒裂故障分析

賈密生，黎建渠

(1 太原軌道交通裝備有限責(zé)任公司，山西太原030009; 2 株洲慶云軌道牽引裝備有限公司，湖南株洲412000)

BVAC.N99型真空主斷路器電磁閥先導(dǎo)筒裂故障分析

賈密生1，黎建渠2

(1 太原軌道交通裝備有限責(zé)任公司，山西太原030009; 2 株洲慶云軌道牽引裝備有限公司，湖南株洲412000)

針對(duì)機(jī)車運(yùn)用過(guò)程中反映出現(xiàn)的BVAC.N99型真空主斷路器電磁閥先導(dǎo)筒裂故障，從故障狀態(tài)入手，重點(diǎn)通過(guò)受力分析對(duì)安裝方案進(jìn)行優(yōu)化，介紹了改造前的故障現(xiàn)象和改進(jìn)后的使用情況。

BVAC.N99型真空主斷路器;先導(dǎo)筒;受力分析

BVAC.N99型真空主斷路器是中國(guó)南車株洲電力機(jī)車有限公司引進(jìn)瑞士賽雪龍公司真空斷路器技術(shù)制造，廣泛應(yīng)用在電力機(jī)車和高速動(dòng)車組列車上。BVAC.N99型真空主斷路器在國(guó)內(nèi)以運(yùn)用超過(guò)10年，經(jīng)過(guò)了中修、輕大修、大修等修程。經(jīng)過(guò)十來(lái)年的運(yùn)用，我們發(fā)現(xiàn)BVAC.N99型真空主斷路器有一常見(jiàn)故障即斷路器的電磁閥先導(dǎo)筒斷裂。電磁閥先導(dǎo)筒斷裂故障會(huì)引起真空主斷不能合閘，機(jī)車主電路無(wú)電源而出現(xiàn)機(jī)破，給機(jī)車運(yùn)行安全造成了很大影響。該故障全國(guó)各地的機(jī)務(wù)段都有出現(xiàn)，故障現(xiàn)象比較集中的有如下3個(gè)機(jī)務(wù)段:

(1)蘭州機(jī)務(wù)段SS7E型機(jī)車的經(jīng)常出現(xiàn)BVAC.N99型真空主斷電磁閥先導(dǎo)裂故障，機(jī)務(wù)段在機(jī)車進(jìn)行全部電磁閥先導(dǎo)更新后，還是出現(xiàn)過(guò)幾次電磁閥先導(dǎo)裂故障。

(2)北京機(jī)務(wù)段SS9型機(jī)車相繼出現(xiàn)BVAC.N99型真空主斷電磁閥先導(dǎo)筒裂故障。

(3)貴陽(yáng)機(jī)務(wù)段的SS3B型機(jī)車2013年來(lái)出現(xiàn)8次電磁閥先導(dǎo)筒裂故障。

1 故障分析

BVAC.N99型真空主斷電磁閥先導(dǎo)為水平安裝，先導(dǎo)上裝有電磁線圈，機(jī)車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，使先導(dǎo)的根部由于線圈的重力作用沖擊，長(zhǎng)時(shí)間的沖擊引起先導(dǎo)筒受力位置的材料出現(xiàn)疲勞，產(chǎn)生裂痕見(jiàn)圖1。

電磁閥先導(dǎo)筒裂是BVAC.N99型真空斷路器常見(jiàn)故障之一，電磁閥先導(dǎo)筒裂會(huì)引起電磁閥不能正常工作。蘭州機(jī)務(wù)段針對(duì)SS7E型機(jī)車發(fā)生的先導(dǎo)筒裂問(wèn)題，從新造廠采購(gòu)一批從國(guó)外公司進(jìn)口的先導(dǎo)，對(duì)機(jī)務(wù)段的BVAC.N99型真空主斷先導(dǎo)全部更新，但更換新先導(dǎo)后再次出現(xiàn)先導(dǎo)筒裂故障。

針對(duì)BVAC.N99型真空主斷先導(dǎo)筒裂的故障，對(duì)其產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。

圖1 先導(dǎo)筒裂痕

(1)先導(dǎo)筒壁薄

先導(dǎo)筒為保證通磁性能，管壁做得比較薄，只有0.7 mm，為不銹鋼材質(zhì)。

(2)分體焊接材料性能有變化

先導(dǎo)結(jié)構(gòu)是分體焊接而成，法蘭與筒之間采用了保護(hù)氬弧焊，焊后進(jìn)行了機(jī)加工以保證尺寸要求。焊接的高溫會(huì)使不銹鋼管材質(zhì)性能發(fā)生變化。

(3)電磁閥安裝方式不合理

BVAC.N99型真空主斷電磁閥先導(dǎo)安裝方式見(jiàn)圖2。

電磁閥橫向安裝，先導(dǎo)上裝電磁線圈，機(jī)車運(yùn)用時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，使先導(dǎo)的根部受到線圈的重力沖擊，長(zhǎng)時(shí)間的沖擊引起先導(dǎo)筒受力位置的材料出現(xiàn)疲勞，產(chǎn)生裂痕。

圖2 先導(dǎo)安裝位置

2 受力分析及解決措施

(1)受力分析

2.1 模型建立

根據(jù)三維模型與實(shí)物照片，對(duì)電磁閥的先導(dǎo)筒進(jìn)行有限元分析，建立模型如圖3、圖4。

圖3 幾何模型

圖4 有限元模型

2.2 載荷工況

計(jì)算時(shí)分別模擬先導(dǎo)筒橫向安裝時(shí)和垂向安裝時(shí)受沖擊載荷的承載情況，根據(jù)EN 12663-1—2010《鐵路應(yīng)用—鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》中6.5.2條"附屬設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)載荷情況"中的規(guī)定，確定先導(dǎo)筒受到表1所示的沖擊載荷(其中g(shù)為重力加速度，數(shù)值為9.81 m/s2):

將閥體、線圈和插座的質(zhì)量加速度沖擊換算成力加載在先導(dǎo)筒上，取加速度最大的情況疊加，計(jì)算最大沖擊載荷。先導(dǎo)筒縱向受到的載荷為:

表1 沖擊載荷表

先導(dǎo)筒橫向載荷為:

先導(dǎo)筒垂向載荷為:

電磁閥的質(zhì)量見(jiàn)表2。

表2 電磁閥質(zhì)量表

2.3 計(jì)算結(jié)果

(1)電磁閥橫裝時(shí)的沖擊載荷

在先導(dǎo)筒的筒體與電磁閥接觸區(qū)域施加縱向與垂向載荷，在先導(dǎo)筒的端面施加橫向載荷，并對(duì)先導(dǎo)筒本身施加縱向5g、橫向1g、垂向3g的加速度載荷，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。圖中最大應(yīng)力為34.921 MPa，出現(xiàn)在先導(dǎo)筒圓筒根部，與螺母連接處。

圖5 橫裝時(shí)先導(dǎo)筒的受力云圖

(2)電磁閥豎裝時(shí)的沖擊載荷

在先導(dǎo)筒的筒體與電磁閥接觸區(qū)域施加縱向與橫向載荷，在先導(dǎo)筒的端面施加垂向載荷，并對(duì)先導(dǎo)筒本身施加縱向5g、橫向1g、垂向3g的加速度載荷，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。圖中最大應(yīng)力為30.397 MPa，同樣出現(xiàn)在先導(dǎo)筒圓筒根部，與螺母連接處。

2.4 結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)先導(dǎo)筒橫裝、豎裝時(shí)受沖擊載荷的有限元模擬，從計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):

兩種工況下的最大應(yīng)力出現(xiàn)位置都在先導(dǎo)筒圓筒根部，與螺母連接處，此處也是先導(dǎo)筒易斷處。先導(dǎo)圓筒的外徑為14.6 mm，而此處由于有焊接后去焊圓弧槽，外徑只有14.3 mm，所以成為結(jié)構(gòu)的最薄弱部位。

通過(guò)對(duì)比橫裝與豎裝情況下先導(dǎo)筒的受力情況，發(fā)現(xiàn)豎裝結(jié)構(gòu)的受力情況比橫裝要好，優(yōu)化效果顯著(優(yōu)化率為(34.921－30.397)/34.921=12.955%)。

圖6 豎裝時(shí)先導(dǎo)筒的受力云圖

圖7為只施加縱向與橫向載荷時(shí)豎裝情況下的先導(dǎo)筒受力情況，圖8為只施加垂向載荷時(shí)豎裝情況下的先導(dǎo)筒受力情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，去除端部的載荷(3g沖擊載荷=21.93 N)后，應(yīng)力的影響為(30.397－28.411)/30.397=6.53%;而去除圓筒面載荷( 槡52+12×0.745×9.81= 37.273)后，應(yīng)力的影響為(30.397－2.918)/30.397=90.4%?？梢?jiàn)端面載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度影響比較小，主要是圓筒表面的影響。

圖7 去除端部垂向3g載荷后的豎裝先導(dǎo)筒的受力云圖

圖8 只加載端部垂向3g載荷后的豎裝先導(dǎo)筒的受力云圖

兩種工況下圓筒表面的受力情況如表3:

表3 兩種載荷工況下圓筒表面的受力對(duì)比 N

豎裝工況下圓筒表面的受力優(yōu)化比:(42.615 6－37.273)/42.615 6=12.54%，與應(yīng)力優(yōu)化結(jié)果(34.921－30.397)/34.921=12.955%比較接近，可以近似認(rèn)為應(yīng)力變化與圓筒表面受力變化成比例。分析結(jié)果顯示豎裝比橫裝效果優(yōu)化比大于12%。

(2)解決措施

以上分析結(jié)果是從先導(dǎo)整個(gè)受力進(jìn)行的，但實(shí)際先導(dǎo)受到的縱向和橫向沖擊不是很頻繁，而垂向振動(dòng)頻率高，從以往斷裂情況可以發(fā)現(xiàn)，先導(dǎo)根部裂紋都是高頻振動(dòng)使材質(zhì)疲勞產(chǎn)生，因此垂向的振動(dòng)沖擊是產(chǎn)生先導(dǎo)裂的主要因素.從表3可以看出，豎裝與橫裝先導(dǎo)垂向受力情況，豎裝比橫裝效果要好得多。

圖9是為電磁閥立式安裝方案。

圖9 電磁閥立裝

立式安裝后電磁閥線圈的質(zhì)量通過(guò)先導(dǎo)法蘭傳到電磁閥上，先導(dǎo)筒沒(méi)有受到力，因此先導(dǎo)就不會(huì)出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂的故障。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)BVAC.N99型真空主斷電磁閥直立安裝方案進(jìn)行了出廠的例型試驗(yàn)和動(dòng)作壽命試驗(yàn)。應(yīng)用該方案在蘭州機(jī)務(wù)段BVAC.N99型真空主斷上進(jìn)行了裝車運(yùn)行試驗(yàn)，2013年4月在SS7E型機(jī)車上裝用，運(yùn)行良好，8月份對(duì)全部安裝該型號(hào)真空主斷的機(jī)車進(jìn)行全面改造。目前改造后的BVAC.N99型真空主斷運(yùn)行可靠，狀態(tài)良好。

［1］ 余衛(wèi)斌.韶山9型電力機(jī)車［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

Failure Analysis on the Guide Tube of Electromagnetic Valve of BVAC.N99 Tvacuum Breaker

JIA Misheng1，LI Jianqu2
(1 Taiyuan Railway Transportation Equipment Limited Liability Company，Taiyuan 030009 Shanxi，China; 2 Qingyun Zhuzhou Railway Traction Equipment Co.，Zhuzhou 412000 Hunan，China)

The article discusses failures of unchanged guide tube of electromagnetic valve of BVAC.N99 vacuum breaker and its using situation after being improved by analyzing the failures and optimizing the installation scheme.

vacuum breaker;guide tube;stress analysis

U260

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.23

1008－7842(2015)02－0094－03

2—)男，教授級(jí)高級(jí)工程師(

2014－12－17)