电力机车真空断路器电磁操动机构可靠性研究

冯　赛，马少华

(沈阳工业大学 电气工程学院，辽宁 沈阳 110870)



电力机车真空断路器电磁操动机构可靠性研究

冯赛，马少华

(沈阳工业大学 电气工程学院，辽宁 沈阳 110870)

摘要：断路器是电气化铁路中作为保护和控制的最重要元件，断路器的安全可靠性直接影响到行车安全。为此对电力机车真空断路器电磁操动机构的关键部件——驱动杆进行可靠性研究，验证在断路器合闸过程中，驱动杆在受到电磁力和反力的作用下，该真空断路器是否能够保证电力机车行车的安全性和可靠性。通过有限元分析软件ANSYS对该电磁机构进行建模仿真。结果表明：驱动杆在合闸过程中可能会发生故障，在采用高强度真空浸渍环氧玻璃布管材料进行改进后，该真空断路器的可靠性有明显的提高。

关键词：真空断路器；电磁操动机构；可靠性

1.驱动杆；2.动铁心；3.合闸线圈；4.保持线圈图1　新型电磁操动机构图

主断路器主要用于电力机车主电路的断开和接通，同时还可以用于过载保护和短路保护。随着国内电力机车的高速发展，作为电力机车高压电路的核心部件，对于主断路器的小型化、高性能及高可靠性等方面提出了越来越高的要求。目前在国内广泛运用的主断路器主要有横装式的BVAC.N99真空断路器和22CB直立式真空断路器，但这两种真空断路器无法同时满足小型化和高性能要求，TDV10型直立式真空断路器正是基于这种现状而研制出来的新型电力机车用真空主断路器[1]。然而，TDV10型直立式真空断路器使用的是气动操动机构，该操动机构体积大、噪声强、可靠性相对较差，一旦出现故障整个系统很容易崩溃，具有较大的安全隐患。由于铁路专用断路器要求操动机构在非常恶劣的自然环境、各种复杂线路条件下都能可靠地开断、闭合电路，同时还要求真空断路器具有一定的电气寿命和机械寿命，而机械故障在断路器工作的各种故障中排在首位。因此，本文对新型电磁操动机构的关键部件——驱动杆进行可靠性研究，首先对其受到的动铁心电磁力和断路器反力特性进行分析，进而应用有限元分析软件ANSYS对其进行结构仿真，最后应用应力-强度干涉理论对可靠性进行研究。

1新型电磁操动机构

为了提高机构在合闸过程中的稳定性，在单稳态电磁机构的基础上，设计了一种新型电磁机构，该机构结构简单、体积较小、安全性与稳定性也达到了最佳[2-3]。新型电磁操动机构如图1所示。

该电磁机构的静铁心总高为170 mm(其中下半部分为95 mm)、壁厚为15 mm、长度为170 mm、宽为140 mm。其动铁心半径为41 mm，高度为94 mm，合闸线圈为250匝，线径为2.1 mm，连接电磁机构和传动机构的驱动杆半径为5 mm、长约60 mm，材料为不锈钢。动铁心受到的电磁力变化如图2所示。

该断路器动铁心在合闸过程中的行程为45 mm、合闸时间为30 ms，随着动铁心对弹簧的压缩，反力值在不断变化，驱动机构反力主要包括肘节机构弹簧力、操纵杆弹簧力、触头弹簧力以及真空开关管自闭力等[4]。由于真空断路器驱动机构合闸过程复杂，三种弹簧在水平方向上的分力难以仿真。故采取离散法对合闸行程中的关键点进行计算分析，求解驱动结构水平方向上的分力，从而描绘出驱动机构的反力特性曲线，作为电磁式驱动装置提供电磁驱动力取值的依据。描绘出的驱动机构反力特性曲线如图3所示。

图2　电磁力变化图

图3　真空断路器反力特性曲线图

2关键部件应力分析

断路器的主要故障为操动机构故障。断路器的操动机构在开断过程中的高速运动，会引起其中各构件的应力急剧变化[5]。如果承受的应力达到材料的屈服强度时，构件就会影响机构的正常工作直至开断失败，从而造成严重的事故[6]。在断路器电磁操动机构中，有限元分析技术主要用于电磁场的研究，而对于操动机构的应力分析研究不足，因而，应加强对电器的机械部分的分析研究。本文应用ANSYS软件对电磁机构的连接部分——驱动杆进行应力分析，并建立了电磁机构三维有限元模型(见图4)。

由于模型存在对称性，所以对该电磁操动机构的1/4的模型进行分析即可。图4中蓝色部分为动铁心，红色部分为驱动杆，紫色部分为静铁心，绿色部分为线圈。将电磁力与反力施加于驱动杆进行瞬态分析，得到的仿真图形如图5所示。

图4　电磁机构三维有限元模型

经过仿真分析得知驱动杆在25 ms时的部分节点会受到最大应力，应力达到231 MPa，其材料的屈服强度为310 MPa。

图5　驱动杆应力分布图

3可靠性分析

可靠性问题是一种综合性的系统工程问题。应力-强度干涉理论认为可靠性是产品在给定运行条件下对抗失效的能力，即应力与强度相互作用的结果，当应力大于强度时表示零部件或系统会失效。驱动杆在电磁力和反力的作用下产生应变和变形，在计算截面上就会产生应力，这种应力和应变及变形一样，都是零件受载的反应，这种反应被称为载荷效应[7-8]。大量统计表明，载荷和零件尺寸偏差可用正态分布描述，因此，应力通常也服从正态分布，即S～N(us，σs2)，通过近似计算可以确定应力的分布参数，其计算公式为：

us=σ2

σs=Csus

式中：us、σs分别是驱动杆在计算截面上工作应力的数学期望和标准差；σ2为根据最大载荷分析出的驱动杆计算截面上的最大工作应力；Cs为应力的变差系数，近似取值为0.08。经过仿真分析，该驱动杆的最大应力为231 MPa。

驱动杆承载能力呈正态分布，根据驱动杆材料的机械特性(例如：抗拉强度、屈服极限、疲劳强度、弹性模量等)和零件的载荷特性及制造工艺对驱动杆强度的影响，可确定分布参数的计算公式为：

σδ=0.1uδ

式中：uδ、σδ分别为驱动杆强度的数学期望和标准差；σb为强度极限，该材料的屈服强度为310MPa；ξ为影响系数。

应力与强度均呈正态分布，根据方程可求出可靠性系数ZR，然后利用标准正态分布表求出可靠度。随机变量概率密度函数的公式为：

可靠度方程为：

从而可靠度R可根据R=1-φ(z)并查表得出。

通过查询不锈钢驱动杆的机械特性，并结合仿真实验和计算查表可得：驱动杆的可靠度为97.98%。这会对该电磁机构的可靠性造成一定的威胁。采用高强度真空浸渍环氧玻璃布管材料对驱动杆进行改进，该材料具有高强度的特点，拉伸强度达到了450 MPa，通过有限元分析软件，并运用应力-强度干涉理论对可靠性进行分析，进行理论计算，得到可靠度为99.99%，其可靠性得到了明显的改善。

4结束语

本文通过对电气化铁路真空断路器新型电磁操动机构的关键部件——驱动杆进行应力可靠性分析，运用有限元分析软件ANSYS得出驱动杆的应力分布，进而进行可靠性分析计算。分析结果表明驱动杆在合闸过程中可能会发生故障，会对电磁机构造成一定的威胁。采用高强度真空浸渍环氧玻璃布管材料代替不锈钢材料后再进行分析，其可靠性有了明显的提升。

参考文献

[1]王泰杰,廖乡萍,饶攀,等.TDV10型直立式真空断路器[J].电力机车与城轨车辆,2013,36(1):18-20.

[2]刘闯.电气化铁路断路器的电磁机构设计[D].沈阳：沈阳工业大学，2014.

[3]许闫.轨道交通断路器电磁操动机构控制系统的研究[D]. 沈阳：沈阳工业大学，2015.

[4]郎福成,徐建源,林莘.真空断路器机械特性的在线监测[J].东北电力技术,2005,26(1):12-15.

[5]胡红军，黄伟九，杨明波.ANSYS在材料工程中的应用[M].北京：机械工业出版社，2013.

[6]高鹏.真空断路器的可靠性研究[D].大连：大连理工大学，2013.

[7]刘惟信.机械可靠性设计[M].北京：清华大学出版社，2003.

[8]芮延年，傅戈雁.现代可靠性设计[M].北京：国防工业出版社，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

中图分类号：TM574.2

文献标识码：A

DOI:10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.01.016

文章编号:1674-7046(2016)01-0089-04

作者简介：冯赛(1990—)，男，河北保定人，硕士研究生。

收稿日期：2015-09-15