HXD3C電力機車波紋管鼓包現象分析

□ 麻岳敏 □ 杜 鵬 □ 聶 敏 □ 陳 君

中車大同電力機車有限公司 山西大同 037038

1 存在的問題

HXD3C電力機車主變壓器安裝過程中需要安裝油管管道,油管管道有一部分由金屬波紋管組成,具有良好的撓性,可抵御油管因熱脹冷縮和振動而產生的位移,用于補償油管的軸向長度[1],同時還可以吸收振動、降低噪聲[2]。但是，波紋管在安裝油管管道完成后容易產生鼓包現象。

由于波紋管還要傳輸油液,機車運行過程中油液在高速、高溫下不斷對管壁沖刷,在管道某些地方還會形成渦流,造成波紋管與管內環連接處產生泄漏。另外，在高壓下，鼓包處外部的不銹鋼纏繞層被破壞,也會導致泄漏,影響產品的質量。針對HXD3C電力機車波紋管容易鼓包的現象,筆者進行了原因分析,提出解決問題的方法。

2 油管管道結構

HXD3C電力機車主變壓器油管管道由五根油管組成,管道安裝錯綜復雜。一根油管兩端有波紋管，中間是優質合金鋼,其結構如圖1所示。

油管內徑為106 m,外徑為122 mm。油管兩端通過法蘭連接至主變壓器的法蘭盤上,法蘭通過螺栓進行連接。油管合金鋼部分用管支架和U形卡子固定連接至機車車體上。

由于波紋管具有柔韌性和彎曲性等特點,容易產生變形,因此給安裝過程造成很大麻煩。

▲圖1 油管結構

3 原因分析

波紋管作為彈性補償元件,在工作中要承受軸向或角向位移。由于補償的需要,會產生伸縮變形,而且這類變形往往是交替變化的,相應地在波紋管處產生交變應力。在交變應力的作用下,波紋管有可能產生膨脹。

波紋管的可靠性通過設計、制造、安裝、運行管理等多個環節來保證,任何一個環節失控，都會導致壽命降低甚至失效[3-6]。波紋管鼓包原因總體可以分為兩類：制造質量誤差和安裝過程不合理。

3.1 制造質量誤差

波紋管成形是塑性加工過程,成形后存在一定的殘余應力。在加工過程中，管材強度不足、壁厚不均勻、剛度值大、韌性不佳都會使波紋管產生鼓包。

油管和主變壓器通過法蘭連接,若主變壓器的法蘭存在制造質量誤差,則會產生與圖紙不符的尺寸偏差,使法蘭不在垂直狀態,即與垂直方向有一定偏差角度，與之連接的油管會產生相應偏差,導致波紋管發生扭曲,從而造成鼓包。

3.2 安裝過程不合理

固定油管的管支架根據設計提前焊接至機車車體上,并使用管夾以提高管道排布的穩定性。當油管安裝完畢后，通過管支架和U形卡子固定。由于管支架是提前焊接的,為了固定油管,不得不調整油管的位置,因此使波紋管受到外力作用。當波紋管兩端受力而產生大于靜力狀態下的變形,就會產生扭曲或者鼓包。若安裝工人通過調整波紋管的軸向、橫向、扭轉變化等來調整管系位置的安裝誤差,則雖然波紋管本身可傳遞扭矩,但是當兩端固定沒有余量時,調整波紋管安裝角度，使受到的力矩大于自身可承受的范圍,從而也會產生變形甚至鼓包。

電力機車運行過程中會產生振動,波紋管既要承受機械振動和管道內介質流動時所引發的振動,又要承受彎道和介質自重作用引起的彎矩,因此波紋管在工作時的應力狀態十分復雜。機車振動會使油管產生振動位移,位移量會傳遞至波紋管上。當波紋管安裝后的狀態恰好達到臨界狀態時,若產生更大的位移量超出負荷，則就會使波紋管產生變形甚至鼓包。

4 三維建模

有限元分析是一種非常實用的分析方法，許多學者對波紋管已做了大量的有限元分析研究[7-11]。由于波紋管的結構不同,工作環境不同,受力情況也不盡相同，因此筆者根據實際情況對波紋管進行有限元分析。

波紋管一端連接法蘭,另一端連接合金鋼管,法蘭和合金鋼管都不容易變形。因此根據結構特點和實際尺寸,應用CATIA軟件繪制波紋管三維模型,如圖2所示。波紋管結構中，兩邊為法蘭,中間為一段合金管,主要尺寸見表1。

▲圖2 波紋管三維模型

表1 波紋管主要尺寸 mm

通過ANSYS軟件與三維軟件之間的圖形接口,將由CATIA軟件建立的波紋管三維模型導入ANSYS Workbench軟件，進行模態分析和靜力分析。

5 網格劃分

網格劃分與計算目標的匹配程度，以及網格質量優劣,決定了有限元分析的結果。筆者僅研究結構的變形情況，并計算低階模態,因此選擇適應性強的四面體網格進行波紋管有限元模型網格劃分。網格劃分后得到99 118個單元和55 684個節點，如圖3所示。

▲圖3 波紋管有限元模型網格劃分

6 模態分析

固定兩端法蘭,進行波紋管模態分析,得到前六階頻率和振型。因為結構對稱,所以二階、四階、六階模態依次對應一階、三階、五階模態的重根,每對重根具有相同的振型和固有頻率,區別在于振型存在相位差。波紋管前六階頻率見表2,一階、三階、五階振型如圖4所示。因為波紋管的長度較短,因此在模態分析中主要變形是拉壓變形,受力變形最大位置產生于波紋管的中間部分。

表2 波紋管前六階頻率 Hz

7 靜力學分析

對波紋管施加軸向力、扭矩，得到變形云圖,如圖5所示。由圖5可以看出,當波紋管只受軸向力作用時,變形較大,出現S形變形。當波紋管只受扭矩作用時,變形最大位置在中間,會產生凸起。當波紋管受軸向力和扭矩共同作用時,變形情況與只受扭矩作用時相差不大。上述靜力學分析可以為波紋管實際變形研究提供參考。

▲圖4 波紋管振型

8 改進措施

基于上述分析,為了使波紋管不產生鼓包現象,應在設計上優化結構尺寸和材料性能，保證制造質量誤差盡可能小。同時要求在安裝時,盡量保證波紋管在自由狀態下的變形,對管道恰當地加以導向和固定。另外，管支架的安裝位置需要根據現場情況進行確定。當油管安裝完成后,在工藝和設計的允許范圍內,現場配焊管支架,消除為了配合管支架而調整油管位置造成的外力。

▲圖5 波紋管變形云圖

為了使波紋管不產生鼓包現象，還應注意五點。

(1) 嚴禁波紋管產生扭轉現象。管道安裝時,應使油管在工作狀態時經過自身重力調節，使各個位置的拉應力消除，不產生安裝應力。

(2) 應按波紋管自然狀態安裝,保證波紋管有一定的松弛度和余量,以便油管在受壓時可自我調節。

(3) 使用管夾,提高管道排布的穩定性。管夾的使用不應影響波紋管在受壓和運動時的靈活性。

(4) 除設計時要求預先施加于管道的彈性預變形量外,不能通過波紋管軸向變形、橫向變形、扭轉變形來調整管系位置的安裝誤差。

(5) 波紋管出廠時，壓力試驗條件應與現場安裝條件一致,避免背離安裝條件。

9 結束語

筆者對HXD3C電力機車波紋管鼓包現象進行原因分析,建立波紋管三維模型，應用ANSYS Workbench軟件進行模態分析和靜力學分析,得到了波紋管的變形云圖,為避免外界激振力頻率與波紋管固有頻率相同或相近而引發共振現象提供了理論依據。經過改進安裝方法，提出安裝時的注意事項,后續HXD3C電力機車未出現波紋管鼓包現象,提高了HXD3C電力機車產品的質量。