HXD3C电力机车波纹管鼓包现象分析

□ 麻岳敏 □ 杜 鹏 □ 聂 敏 □ 陈 君

中车大同电力机车有限公司 山西大同 037038

1 存在的问题

HXD3C电力机车主变压器安装过程中需要安装油管管道,油管管道有一部分由金属波纹管组成,具有良好的挠性,可抵御油管因热胀冷缩和振动而产生的位移,用于补偿油管的轴向长度[1],同时还可以吸收振动、降低噪声[2]。但是，波纹管在安装油管管道完成后容易产生鼓包现象。

由于波纹管还要传输油液,机车运行过程中油液在高速、高温下不断对管壁冲刷,在管道某些地方还会形成涡流,造成波纹管与管内环连接处产生泄漏。另外，在高压下，鼓包处外部的不锈钢缠绕层被破坏,也会导致泄漏,影响产品的质量。针对HXD3C电力机车波纹管容易鼓包的现象,笔者进行了原因分析,提出解决问题的方法。

2 油管管道结构

HXD3C电力机车主变压器油管管道由五根油管组成,管道安装错综复杂。一根油管两端有波纹管，中间是优质合金钢,其结构如图1所示。

油管内径为106 m,外径为122 mm。油管两端通过法兰连接至主变压器的法兰盘上,法兰通过螺栓进行连接。油管合金钢部分用管支架和U形卡子固定连接至机车车体上。

由于波纹管具有柔韧性和弯曲性等特点,容易产生变形,因此给安装过程造成很大麻烦。

▲图1 油管结构

3 原因分析

波纹管作为弹性补偿元件,在工作中要承受轴向或角向位移。由于补偿的需要,会产生伸缩变形,而且这类变形往往是交替变化的,相应地在波纹管处产生交变应力。在交变应力的作用下,波纹管有可能产生膨胀。

波纹管的可靠性通过设计、制造、安装、运行管理等多个环节来保证,任何一个环节失控，都会导致寿命降低甚至失效[3-6]。波纹管鼓包原因总体可以分为两类：制造质量误差和安装过程不合理。

3.1 制造质量误差

波纹管成形是塑性加工过程,成形后存在一定的残余应力。在加工过程中，管材强度不足、壁厚不均匀、刚度值大、韧性不佳都会使波纹管产生鼓包。

油管和主变压器通过法兰连接,若主变压器的法兰存在制造质量误差,则会产生与图纸不符的尺寸偏差,使法兰不在垂直状态,即与垂直方向有一定偏差角度，与之连接的油管会产生相应偏差,导致波纹管发生扭曲,从而造成鼓包。

3.2 安装过程不合理

固定油管的管支架根据设计提前焊接至机车车体上,并使用管夹以提高管道排布的稳定性。当油管安装完毕后，通过管支架和U形卡子固定。由于管支架是提前焊接的,为了固定油管,不得不调整油管的位置,因此使波纹管受到外力作用。当波纹管两端受力而产生大于静力状态下的变形,就会产生扭曲或者鼓包。若安装工人通过调整波纹管的轴向、横向、扭转变化等来调整管系位置的安装误差,则虽然波纹管本身可传递扭矩,但是当两端固定没有余量时,调整波纹管安装角度，使受到的力矩大于自身可承受的范围,从而也会产生变形甚至鼓包。

电力机车运行过程中会产生振动,波纹管既要承受机械振动和管道内介质流动时所引发的振动,又要承受弯道和介质自重作用引起的弯矩,因此波纹管在工作时的应力状态十分复杂。机车振动会使油管产生振动位移,位移量会传递至波纹管上。当波纹管安装后的状态恰好达到临界状态时,若产生更大的位移量超出负荷，则就会使波纹管产生变形甚至鼓包。

4 三维建模

有限元分析是一种非常实用的分析方法，许多学者对波纹管已做了大量的有限元分析研究[7-11]。由于波纹管的结构不同,工作环境不同,受力情况也不尽相同，因此笔者根据实际情况对波纹管进行有限元分析。

波纹管一端连接法兰,另一端连接合金钢管,法兰和合金钢管都不容易变形。因此根据结构特点和实际尺寸,应用CATIA软件绘制波纹管三维模型,如图2所示。波纹管结构中，两边为法兰,中间为一段合金管,主要尺寸见表1。

▲图2 波纹管三维模型

表1 波纹管主要尺寸 mm

通过ANSYS软件与三维软件之间的图形接口,将由CATIA软件建立的波纹管三维模型导入ANSYS Workbench软件，进行模态分析和静力分析。

5 网格划分

网格划分与计算目标的匹配程度，以及网格质量优劣,决定了有限元分析的结果。笔者仅研究结构的变形情况，并计算低阶模态,因此选择适应性强的四面体网格进行波纹管有限元模型网格划分。网格划分后得到99 118个单元和55 684个节点，如图3所示。

▲图3 波纹管有限元模型网格划分

6 模态分析

固定两端法兰,进行波纹管模态分析,得到前六阶频率和振型。因为结构对称,所以二阶、四阶、六阶模态依次对应一阶、三阶、五阶模态的重根,每对重根具有相同的振型和固有频率,区别在于振型存在相位差。波纹管前六阶频率见表2,一阶、三阶、五阶振型如图4所示。因为波纹管的长度较短,因此在模态分析中主要变形是拉压变形,受力变形最大位置产生于波纹管的中间部分。

表2 波纹管前六阶频率 Hz

7 静力学分析

对波纹管施加轴向力、扭矩，得到变形云图,如图5所示。由图5可以看出,当波纹管只受轴向力作用时,变形较大,出现S形变形。当波纹管只受扭矩作用时,变形最大位置在中间,会产生凸起。当波纹管受轴向力和扭矩共同作用时,变形情况与只受扭矩作用时相差不大。上述静力学分析可以为波纹管实际变形研究提供参考。

▲图4 波纹管振型

8 改进措施

基于上述分析,为了使波纹管不产生鼓包现象,应在设计上优化结构尺寸和材料性能，保证制造质量误差尽可能小。同时要求在安装时,尽量保证波纹管在自由状态下的变形,对管道恰当地加以导向和固定。另外，管支架的安装位置需要根据现场情况进行确定。当油管安装完成后,在工艺和设计的允许范围内,现场配焊管支架,消除为了配合管支架而调整油管位置造成的外力。

▲图5 波纹管变形云图

为了使波纹管不产生鼓包现象，还应注意五点。

(1) 严禁波纹管产生扭转现象。管道安装时,应使油管在工作状态时经过自身重力调节，使各个位置的拉应力消除，不产生安装应力。

(2) 应按波纹管自然状态安装,保证波纹管有一定的松弛度和余量,以便油管在受压时可自我调节。

(3) 使用管夹,提高管道排布的稳定性。管夹的使用不应影响波纹管在受压和运动时的灵活性。

(4) 除设计时要求预先施加于管道的弹性预变形量外,不能通过波纹管轴向变形、横向变形、扭转变形来调整管系位置的安装误差。

(5) 波纹管出厂时，压力试验条件应与现场安装条件一致,避免背离安装条件。

9 结束语

笔者对HXD3C电力机车波纹管鼓包现象进行原因分析,建立波纹管三维模型，应用ANSYS Workbench软件进行模态分析和静力学分析,得到了波纹管的变形云图,为避免外界激振力频率与波纹管固有频率相同或相近而引发共振现象提供了理论依据。经过改进安装方法，提出安装时的注意事项,后续HXD3C电力机车未出现波纹管鼓包现象,提高了HXD3C电力机车产品的质量。