馮　賽，馬少華

(沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

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電力機車真空斷路器電磁操動機構(gòu)可靠性研究

馮賽，馬少華

(沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

摘要：斷路器是電氣化鐵路中作為保護和控制的最重要元件，斷路器的安全可靠性直接影響到行車安全。為此對電力機車真空斷路器電磁操動機構(gòu)的關(guān)鍵部件——驅(qū)動桿進行可靠性研究，驗證在斷路器合閘過程中，驅(qū)動桿在受到電磁力和反力的作用下，該真空斷路器是否能夠保證電力機車行車的安全性和可靠性。通過有限元分析軟件ANSYS對該電磁機構(gòu)進行建模仿真。結(jié)果表明：驅(qū)動桿在合閘過程中可能會發(fā)生故障，在采用高強度真空浸漬環(huán)氧玻璃布管材料進行改進后，該真空斷路器的可靠性有明顯的提高。

關(guān)鍵詞：真空斷路器；電磁操動機構(gòu)；可靠性

1.驅(qū)動桿；2.動鐵心；3.合閘線圈；4.保持線圈圖1　新型電磁操動機構(gòu)圖

主斷路器主要用于電力機車主電路的斷開和接通，同時還可以用于過載保護和短路保護。隨著國內(nèi)電力機車的高速發(fā)展，作為電力機車高壓電路的核心部件，對于主斷路器的小型化、高性能及高可靠性等方面提出了越來越高的要求。目前在國內(nèi)廣泛運用的主斷路器主要有橫裝式的BVAC.N99真空斷路器和22CB直立式真空斷路器，但這兩種真空斷路器無法同時滿足小型化和高性能要求，TDV10型直立式真空斷路器正是基于這種現(xiàn)狀而研制出來的新型電力機車用真空主斷路器[1]。然而，TDV10型直立式真空斷路器使用的是氣動操動機構(gòu)，該操動機構(gòu)體積大、噪聲強、可靠性相對較差，一旦出現(xiàn)故障整個系統(tǒng)很容易崩潰，具有較大的安全隱患。由于鐵路專用斷路器要求操動機構(gòu)在非常惡劣的自然環(huán)境、各種復(fù)雜線路條件下都能可靠地開斷、閉合電路，同時還要求真空斷路器具有一定的電氣壽命和機械壽命，而機械故障在斷路器工作的各種故障中排在首位。因此，本文對新型電磁操動機構(gòu)的關(guān)鍵部件——驅(qū)動桿進行可靠性研究，首先對其受到的動鐵心電磁力和斷路器反力特性進行分析，進而應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對其進行結(jié)構(gòu)仿真，最后應(yīng)用應(yīng)力-強度干涉理論對可靠性進行研究。

1新型電磁操動機構(gòu)

為了提高機構(gòu)在合閘過程中的穩(wěn)定性，在單穩(wěn)態(tài)電磁機構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新型電磁機構(gòu)，該機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、體積較小、安全性與穩(wěn)定性也達到了最佳[2-3]。新型電磁操動機構(gòu)如圖1所示。

該電磁機構(gòu)的靜鐵心總高為170 mm(其中下半部分為95 mm)、壁厚為15 mm、長度為170 mm、寬為140 mm。其動鐵心半徑為41 mm，高度為94 mm，合閘線圈為250匝，線徑為2.1 mm，連接電磁機構(gòu)和傳動機構(gòu)的驅(qū)動桿半徑為5 mm、長約60 mm，材料為不銹鋼。動鐵心受到的電磁力變化如圖2所示。

該斷路器動鐵心在合閘過程中的行程為45 mm、合閘時間為30 ms，隨著動鐵心對彈簧的壓縮，反力值在不斷變化，驅(qū)動機構(gòu)反力主要包括肘節(jié)機構(gòu)彈簧力、操縱桿彈簧力、觸頭彈簧力以及真空開關(guān)管自閉力等[4]。由于真空斷路器驅(qū)動機構(gòu)合閘過程復(fù)雜，三種彈簧在水平方向上的分力難以仿真。故采取離散法對合閘行程中的關(guān)鍵點進行計算分析，求解驅(qū)動結(jié)構(gòu)水平方向上的分力，從而描繪出驅(qū)動機構(gòu)的反力特性曲線，作為電磁式驅(qū)動裝置提供電磁驅(qū)動力取值的依據(jù)。描繪出的驅(qū)動機構(gòu)反力特性曲線如圖3所示。

圖2　電磁力變化圖

圖3　真空斷路器反力特性曲線圖

2關(guān)鍵部件應(yīng)力分析

斷路器的主要故障為操動機構(gòu)故障。斷路器的操動機構(gòu)在開斷過程中的高速運動，會引起其中各構(gòu)件的應(yīng)力急劇變化[5]。如果承受的應(yīng)力達到材料的屈服強度時，構(gòu)件就會影響機構(gòu)的正常工作直至開斷失敗，從而造成嚴重的事故[6]。在斷路器電磁操動機構(gòu)中，有限元分析技術(shù)主要用于電磁場的研究，而對于操動機構(gòu)的應(yīng)力分析研究不足，因而，應(yīng)加強對電器的機械部分的分析研究。本文應(yīng)用ANSYS軟件對電磁機構(gòu)的連接部分——驅(qū)動桿進行應(yīng)力分析，并建立了電磁機構(gòu)三維有限元模型(見圖4)。

由于模型存在對稱性，所以對該電磁操動機構(gòu)的1/4的模型進行分析即可。圖4中藍色部分為動鐵心，紅色部分為驅(qū)動桿，紫色部分為靜鐵心，綠色部分為線圈。將電磁力與反力施加于驅(qū)動桿進行瞬態(tài)分析，得到的仿真圖形如圖5所示。

圖4　電磁機構(gòu)三維有限元模型

經(jīng)過仿真分析得知驅(qū)動桿在25 ms時的部分節(jié)點會受到最大應(yīng)力，應(yīng)力達到231 MPa，其材料的屈服強度為310 MPa。

圖5　驅(qū)動桿應(yīng)力分布圖

3可靠性分析

可靠性問題是一種綜合性的系統(tǒng)工程問題。應(yīng)力-強度干涉理論認為可靠性是產(chǎn)品在給定運行條件下對抗失效的能力，即應(yīng)力與強度相互作用的結(jié)果，當應(yīng)力大于強度時表示零部件或系統(tǒng)會失效。驅(qū)動桿在電磁力和反力的作用下產(chǎn)生應(yīng)變和變形，在計算截面上就會產(chǎn)生應(yīng)力，這種應(yīng)力和應(yīng)變及變形一樣，都是零件受載的反應(yīng)，這種反應(yīng)被稱為載荷效應(yīng)[7-8]。大量統(tǒng)計表明，載荷和零件尺寸偏差可用正態(tài)分布描述，因此，應(yīng)力通常也服從正態(tài)分布，即S～N(us，σs2)，通過近似計算可以確定應(yīng)力的分布參數(shù)，其計算公式為：

us=σ2

σs=Csus

式中：us、σs分別是驅(qū)動桿在計算截面上工作應(yīng)力的數(shù)學(xué)期望和標準差；σ2為根據(jù)最大載荷分析出的驅(qū)動桿計算截面上的最大工作應(yīng)力；Cs為應(yīng)力的變差系數(shù)，近似取值為0.08。經(jīng)過仿真分析，該驅(qū)動桿的最大應(yīng)力為231 MPa。

驅(qū)動桿承載能力呈正態(tài)分布，根據(jù)驅(qū)動桿材料的機械特性(例如：抗拉強度、屈服極限、疲勞強度、彈性模量等)和零件的載荷特性及制造工藝對驅(qū)動桿強度的影響，可確定分布參數(shù)的計算公式為：

σδ=0.1uδ

式中：uδ、σδ分別為驅(qū)動桿強度的數(shù)學(xué)期望和標準差；σb為強度極限，該材料的屈服強度為310MPa；ξ為影響系數(shù)。

應(yīng)力與強度均呈正態(tài)分布，根據(jù)方程可求出可靠性系數(shù)ZR，然后利用標準正態(tài)分布表求出可靠度。隨機變量概率密度函數(shù)的公式為：

可靠度方程為：

從而可靠度R可根據(jù)R=1-φ(z)并查表得出。

通過查詢不銹鋼驅(qū)動桿的機械特性，并結(jié)合仿真實驗和計算查表可得：驅(qū)動桿的可靠度為97.98%。這會對該電磁機構(gòu)的可靠性造成一定的威脅。采用高強度真空浸漬環(huán)氧玻璃布管材料對驅(qū)動桿進行改進，該材料具有高強度的特點，拉伸強度達到了450 MPa，通過有限元分析軟件，并運用應(yīng)力-強度干涉理論對可靠性進行分析，進行理論計算，得到可靠度為99.99%，其可靠性得到了明顯的改善。

4結(jié)束語

本文通過對電氣化鐵路真空斷路器新型電磁操動機構(gòu)的關(guān)鍵部件——驅(qū)動桿進行應(yīng)力可靠性分析，運用有限元分析軟件ANSYS得出驅(qū)動桿的應(yīng)力分布，進而進行可靠性分析計算。分析結(jié)果表明驅(qū)動桿在合閘過程中可能會發(fā)生故障，會對電磁機構(gòu)造成一定的威脅。采用高強度真空浸漬環(huán)氧玻璃布管材料代替不銹鋼材料后再進行分析，其可靠性有了明顯的提升。

參考文獻

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[8]芮延年，傅戈雁.現(xiàn)代可靠性設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

Research of electromagnetic actuator reliability for electric locomotives vacuum circuit breaker

FENG Sai，MA Shao-hua

(ShenyangUniversityofTechnology，Shenyang110870,China)

Abstract：Circuit breakers are the most important elements in the protection and control of electric railway,so the safety and reliability of the circuit breaker directly affect traffic safety.For this reason,the paper analyzes the key components for electric locomotives breaker electromagnetic actuator,verifies that the drive rod by electromagnetic force and the reaction force under the action of the vacuum circuit breaker can guarantee the electric locomotive driving safety and reliability.By finite element analysis software ANSYS simulation of the electromagnetic modeling agency,analysis results showed that the drive rod in the process of opening and closing failure may occur after the use of high-strength vacuum impregnated epoxy glass cloth tube material improvements,the results showed that the vacuum circuit breakers have been significantly improved reliable.

Key words：vacuum circuit breaker;electromagnetic mechanism;reliability

中圖分類號：TM574.2

文獻標識碼：A

DOI:10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.01.016

文章編號:1674-7046(2016)01-0089-04

作者簡介：馮賽(1990—)，男，河北保定人，碩士研究生。

收稿日期：2015-09-15