電力機車用輔助變壓器鐵芯變形控制研究

劉海彬，廖保華

(南車株洲電機有限公司，湖南株洲412001)

0 引言

牽引電力機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車輔助設備提供電源，其特點是具有高阻抗電壓、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。工藝特點是工序繁多、生產周期長，制作過程中存在影響產品質量的不確定因素較多。在輔助變壓器制造過程中，工程技術人員發現輔助變壓器鐵芯因受力發生變形，本文對鐵芯變形產生的原因及預防措施進行了分析。

1 電力機車輔助變壓器簡介

電力機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，其結構示意圖見圖1。鐵芯為心式結構，由主鐵芯、旁鐵芯、上夾件、下夾件組成。線圈為層式線圈，靠近鐵芯一側線圈為低壓線圈，外側為高壓線圈。線圈使用的導線有薄膜燒結線，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度得到加強，同時機械強度更好。

圖1 變壓器結構示意圖

2 輔助變壓器鐵芯變形產生的原因

輔助變壓器套裝過程中，鐵芯受力為拉螺桿的緊固力，通過上下夾件傳達到鐵芯。套裝完成后需翻身再轉運至下工序，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證分析輔助變壓器鐵芯產品發生變形的原因。

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緊力為F，M16 公稱直徑為d，擰緊力矩系數為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緊力［2］計算公式見(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算公式見(2):

為驗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，將驗證的130 kVA 輔助變壓器緊固到驗證的扭力值。

4)翻身后將輔助變壓器吊運至平臺上，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 拉螺桿扭矩值驗證記錄數據

表2 工藝驗證參數變化

由表1、表2 記錄的驗證數據分析可以得出: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計值，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、下夾件間距離與設計值之間的差值越大;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

本文驗證通過增加無緯帶包扎范圍提高鐵芯強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)驗證過程見表3。

由以上驗證可知，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定性分析，根據歐拉公式計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，l 為硅鋼片長度。

表3 驗證過程

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量為488 片，不考慮主鐵芯柱側面外力作用時，單根主鐵芯柱受力為:

F=nFcr=488 ×0.96 =468.48 N

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

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

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

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

通過工藝驗證及理論計算可知，通過增加鐵芯無緯帶包扎的范圍可以增大鐵芯強度，避免鐵芯變形。

4 結語

通過本文涉及的驗證數據及驗證過程可以得出以下結論:

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計值。

2)通過增加輔助變壓器無緯帶包扎范圍可以增加鐵芯強度，避免鐵芯發生變形。

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

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

［3］羅迎社，喻小明. 工程力學［M］. 北京:北京大學出版社，2006.