BVAC.N99型真空主斷路器電磁閥先導筒裂故障分析

賈密生，黎建渠

(1 太原軌道交通裝備有限責任公司，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)

針對機車運用過程中反映出現的BVAC.N99型真空主斷路器電磁閥先導筒裂故障，從故障狀態入手，重點通過受力分析對安裝方案進行優化，介紹了改造前的故障現象和改進后的使用情況。

BVAC.N99型真空主斷路器;先導筒;受力分析

BVAC.N99型真空主斷路器是中國南車株洲電力機車有限公司引進瑞士賽雪龍公司真空斷路器技術制造，廣泛應用在電力機車和高速動車組列車上。BVAC.N99型真空主斷路器在國內以運用超過10年，經過了中修、輕大修、大修等修程。經過十來年的運用，我們發現BVAC.N99型真空主斷路器有一常見故障即斷路器的電磁閥先導筒斷裂。電磁閥先導筒斷裂故障會引起真空主斷不能合閘，機車主電路無電源而出現機破，給機車運行安全造成了很大影響。該故障全國各地的機務段都有出現，故障現象比較集中的有如下3個機務段:

(1)蘭州機務段SS7E型機車的經常出現BVAC.N99型真空主斷電磁閥先導裂故障，機務段在機車進行全部電磁閥先導更新后，還是出現過幾次電磁閥先導裂故障。

(2)北京機務段SS9型機車相繼出現BVAC.N99型真空主斷電磁閥先導筒裂故障。

(3)貴陽機務段的SS3B型機車2013年來出現8次電磁閥先導筒裂故障。

1 故障分析

BVAC.N99型真空主斷電磁閥先導為水平安裝，先導上裝有電磁線圈，機車運行時產生的振動，使先導的根部由于線圈的重力作用沖擊，長時間的沖擊引起先導筒受力位置的材料出現疲勞，產生裂痕見圖1。

電磁閥先導筒裂是BVAC.N99型真空斷路器常見故障之一，電磁閥先導筒裂會引起電磁閥不能正常工作。蘭州機務段針對SS7E型機車發生的先導筒裂問題，從新造廠采購一批從國外公司進口的先導，對機務段的BVAC.N99型真空主斷先導全部更新，但更換新先導后再次出現先導筒裂故障。

針對BVAC.N99型真空主斷先導筒裂的故障，對其產生的原因進行分析。

圖1 先導筒裂痕

(1)先導筒壁薄

先導筒為保證通磁性能，管壁做得比較薄，只有0.7 mm，為不銹鋼材質。

(2)分體焊接材料性能有變化

先導結構是分體焊接而成，法蘭與筒之間采用了保護氬弧焊，焊后進行了機加工以保證尺寸要求。焊接的高溫會使不銹鋼管材質性能發生變化。

(3)電磁閥安裝方式不合理

BVAC.N99型真空主斷電磁閥先導安裝方式見圖2。

電磁閥橫向安裝，先導上裝電磁線圈，機車運用時產生的振動，使先導的根部受到線圈的重力沖擊，長時間的沖擊引起先導筒受力位置的材料出現疲勞，產生裂痕。

圖2 先導安裝位置

2 受力分析及解決措施

(1)受力分析

2.1 模型建立

根據三維模型與實物照片，對電磁閥的先導筒進行有限元分析，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

計算時分別模擬先導筒橫向安裝時和垂向安裝時受沖擊載荷的承載情況，根據EN 12663-1—2010《鐵路應用—鐵路車輛車體的結構要求》中6.5.2條"附屬設備的標準載荷情況"中的規定，確定先導筒受到表1所示的沖擊載荷(其中g為重力加速度，數值為9.81 m/s2):

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

表1 沖擊載荷表

先導筒橫向載荷為:

先導筒垂向載荷為:

電磁閥的質量見表2。

表2 電磁閥質量表

2.3 計算結果

(1)電磁閥橫裝時的沖擊載荷

在先導筒的筒體與電磁閥接觸區域施加縱向與垂向載荷，在先導筒的端面施加橫向載荷，并對先導筒本身施加縱向5g、橫向1g、垂向3g的加速度載荷，計算結果見圖5。圖中最大應力為34.921 MPa，出現在先導筒圓筒根部，與螺母連接處。

圖5 橫裝時先導筒的受力云圖

(2)電磁閥豎裝時的沖擊載荷

在先導筒的筒體與電磁閥接觸區域施加縱向與橫向載荷，在先導筒的端面施加垂向載荷，并對先導筒本身施加縱向5g、橫向1g、垂向3g的加速度載荷，計算結果見圖6。圖中最大應力為30.397 MPa，同樣出現在先導筒圓筒根部，與螺母連接處。

2.4 結果分析

通過對先導筒橫裝、豎裝時受沖擊載荷的有限元模擬，從計算結果可以發現:

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

通過對比橫裝與豎裝情況下先導筒的受力情況，發現豎裝結構的受力情況比橫裝要好，優化效果顯著(優化率為(34.921－30.397)/34.921=12.955%)。

圖6 豎裝時先導筒的受力云圖

圖7為只施加縱向與橫向載荷時豎裝情況下的先導筒受力情況，圖8為只施加垂向載荷時豎裝情況下的先導筒受力情況。可以發現，去除端部的載荷(3g沖擊載荷=21.93 N)后，應力的影響為(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，應力的影響為(30.397－2.918)/30.397=90.4%。可見端面載荷對結構的強度影響比較小，主要是圓筒表面的影響。

圖7 去除端部垂向3g載荷后的豎裝先導筒的受力云圖

圖8 只加載端部垂向3g載荷后的豎裝先導筒的受力云圖

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比 N

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

(2)解決措施

以上分析結果是從先導整個受力進行的，但實際先導受到的縱向和橫向沖擊不是很頻繁，而垂向振動頻率高，從以往斷裂情況可以發現，先導根部裂紋都是高頻振動使材質疲勞產生，因此垂向的振動沖擊是產生先導裂的主要因素.從表3可以看出，豎裝與橫裝先導垂向受力情況，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量通過先導法蘭傳到電磁閥上，先導筒沒有受到力，因此先導就不會出現疲勞開裂的故障。

3 結束語

對BVAC.N99型真空主斷電磁閥直立安裝方案進行了出廠的例型試驗和動作壽命試驗。應用該方案在蘭州機務段BVAC.N99型真空主斷上進行了裝車運行試驗，2013年4月在SS7E型機車上裝用，運行良好，8月份對全部安裝該型號真空主斷的機車進行全面改造。目前改造后的BVAC.N99型真空主斷運行可靠，狀態良好。

［1］ 余衛斌.韶山9型電力機車［M］.北京:中國鐵道出版社，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，教授級高級工程師(

2014－12－17)