BVAC.N99型真空主断路器电磁阀先导筒裂故障分析

贾密生，黎建渠

(1 太原轨道交通装备有限责任公司，山西太原030009; 2 株洲庆云轨道牵引装备有限公司，湖南株洲412000)

BVAC.N99型真空主断路器电磁阀先导筒裂故障分析

贾密生1，黎建渠2

(1 太原轨道交通装备有限责任公司，山西太原030009; 2 株洲庆云轨道牵引装备有限公司，湖南株洲412000)

针对机车运用过程中反映出现的BVAC.N99型真空主断路器电磁阀先导筒裂故障，从故障状态入手，重点通过受力分析对安装方案进行优化，介绍了改造前的故障现象和改进后的使用情况。

BVAC.N99型真空主断路器;先导筒;受力分析

BVAC.N99型真空主断路器是中国南车株洲电力机车有限公司引进瑞士赛雪龙公司真空断路器技术制造，广泛应用在电力机车和高速动车组列车上。BVAC.N99型真空主断路器在国内以运用超过10年，经过了中修、轻大修、大修等修程。经过十来年的运用，我们发现BVAC.N99型真空主断路器有一常见故障即断路器的电磁阀先导筒断裂。电磁阀先导筒断裂故障会引起真空主断不能合闸，机车主电路无电源而出现机破，给机车运行安全造成了很大影响。该故障全国各地的机务段都有出现，故障现象比较集中的有如下3个机务段:

(1)兰州机务段SS7E型机车的经常出现BVAC.N99型真空主断电磁阀先导裂故障，机务段在机车进行全部电磁阀先导更新后，还是出现过几次电磁阀先导裂故障。

(2)北京机务段SS9型机车相继出现BVAC.N99型真空主断电磁阀先导筒裂故障。

(3)贵阳机务段的SS3B型机车2013年来出现8次电磁阀先导筒裂故障。

1 故障分析

BVAC.N99型真空主断电磁阀先导为水平安装，先导上装有电磁线圈，机车运行时产生的振动，使先导的根部由于线圈的重力作用冲击，长时间的冲击引起先导筒受力位置的材料出现疲劳，产生裂痕见图1。

电磁阀先导筒裂是BVAC.N99型真空断路器常见故障之一，电磁阀先导筒裂会引起电磁阀不能正常工作。兰州机务段针对SS7E型机车发生的先导筒裂问题，从新造厂采购一批从国外公司进口的先导，对机务段的BVAC.N99型真空主断先导全部更新，但更换新先导后再次出现先导筒裂故障。

针对BVAC.N99型真空主断先导筒裂的故障，对其产生的原因进行分析。

图1 先导筒裂痕

(1)先导筒壁薄

先导筒为保证通磁性能，管壁做得比较薄，只有0.7 mm，为不锈钢材质。

(2)分体焊接材料性能有变化

先导结构是分体焊接而成，法兰与筒之间采用了保护氩弧焊，焊后进行了机加工以保证尺寸要求。焊接的高温会使不锈钢管材质性能发生变化。

(3)电磁阀安装方式不合理

BVAC.N99型真空主断电磁阀先导安装方式见图2。

电磁阀横向安装，先导上装电磁线圈，机车运用时产生的振动，使先导的根部受到线圈的重力冲击，长时间的冲击引起先导筒受力位置的材料出现疲劳，产生裂痕。

图2 先导安装位置

2 受力分析及解决措施

(1)受力分析

2.1 模型建立

根据三维模型与实物照片，对电磁阀的先导筒进行有限元分析，建立模型如图3、图4。

图3 几何模型

图4 有限元模型

2.2 载荷工况

计算时分别模拟先导筒横向安装时和垂向安装时受冲击载荷的承载情况，根据EN 12663-1—2010《铁路应用—铁路车辆车体的结构要求》中6.5.2条"附属设备的标准载荷情况"中的规定，确定先导筒受到表1所示的冲击载荷(其中g为重力加速度，数值为9.81 m/s2):

将阀体、线圈和插座的质量加速度冲击换算成力加载在先导筒上，取加速度最大的情况叠加，计算最大冲击载荷。先导筒纵向受到的载荷为:

表1 冲击载荷表

先导筒横向载荷为:

先导筒垂向载荷为:

电磁阀的质量见表2。

表2 电磁阀质量表

2.3 计算结果

(1)电磁阀横装时的冲击载荷

在先导筒的筒体与电磁阀接触区域施加纵向与垂向载荷，在先导筒的端面施加横向载荷，并对先导筒本身施加纵向5g、横向1g、垂向3g的加速度载荷，计算结果见图5。图中最大应力为34.921 MPa，出现在先导筒圆筒根部，与螺母连接处。

图5 横装时先导筒的受力云图

(2)电磁阀竖装时的冲击载荷

在先导筒的筒体与电磁阀接触区域施加纵向与横向载荷，在先导筒的端面施加垂向载荷，并对先导筒本身施加纵向5g、横向1g、垂向3g的加速度载荷，计算结果见图6。图中最大应力为30.397 MPa，同样出现在先导筒圆筒根部，与螺母连接处。

2.4 结果分析

通过对先导筒横装、竖装时受冲击载荷的有限元模拟，从计算结果可以发现:

两种工况下的最大应力出现位置都在先导筒圆筒根部，与螺母连接处，此处也是先导筒易断处。先导圆筒的外径为14.6 mm，而此处由于有焊接后去焊圆弧槽，外径只有14.3 mm，所以成为结构的最薄弱部位。

通过对比横装与竖装情况下先导筒的受力情况，发现竖装结构的受力情况比横装要好，优化效果显著(优化率为(34.921－30.397)/34.921=12.955%)。

图6 竖装时先导筒的受力云图

图7为只施加纵向与横向载荷时竖装情况下的先导筒受力情况，图8为只施加垂向载荷时竖装情况下的先导筒受力情况。可以发现，去除端部的载荷(3g冲击载荷=21.93 N)后，应力的影响为(30.397－28.411)/30.397=6.53%;而去除圆筒面载荷( 槡52+12×0.745×9.81= 37.273)后，应力的影响为(30.397－2.918)/30.397=90.4%。可见端面载荷对结构的强度影响比较小，主要是圆筒表面的影响。

图7 去除端部垂向3g载荷后的竖装先导筒的受力云图

图8 只加载端部垂向3g载荷后的竖装先导筒的受力云图

两种工况下圆筒表面的受力情况如表3:

表3 两种载荷工况下圆筒表面的受力对比 N

竖装工况下圆筒表面的受力优化比:(42.615 6－37.273)/42.615 6=12.54%，与应力优化结果(34.921－30.397)/34.921=12.955%比较接近，可以近似认为应力变化与圆筒表面受力变化成比例。分析结果显示竖装比横装效果优化比大于12%。

(2)解决措施

以上分析结果是从先导整个受力进行的，但实际先导受到的纵向和横向冲击不是很频繁，而垂向振动频率高，从以往断裂情况可以发现，先导根部裂纹都是高频振动使材质疲劳产生，因此垂向的振动冲击是产生先导裂的主要因素.从表3可以看出，竖装与横装先导垂向受力情况，竖装比横装效果要好得多。

图9是为电磁阀立式安装方案。

图9 电磁阀立装

立式安装后电磁阀线圈的质量通过先导法兰传到电磁阀上，先导筒没有受到力，因此先导就不会出现疲劳开裂的故障。

3 结束语

对BVAC.N99型真空主断电磁阀直立安装方案进行了出厂的例型试验和动作寿命试验。应用该方案在兰州机务段BVAC.N99型真空主断上进行了装车运行试验，2013年4月在SS7E型机车上装用，运行良好，8月份对全部安装该型号真空主断的机车进行全面改造。目前改造后的BVAC.N99型真空主断运行可靠，状态良好。

［1］ 余卫斌.韶山9型电力机车［M］.北京:中国铁道出版社，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，教授级高级工程师(

2014－12－17)