电力机车用真空断路器电磁阀先导阀杆裂纹故障分析与改进

赵亮，彭鑫，李涛

（中车株洲电力机车有限公司 维保分公司，湖南 株洲 412001 ）

摘要：本文通过断口分析、试验验证，分析电力机车用真空断路器电磁阀先导阀杆裂纹故障机理，确定了故障原因并提出改进措施，最后通过实物验证进行了改进措施的有效性验证。

关键词：真空断路器；电磁阀；先导阀杆；裂纹故障

0 引言

电力机车与动车组采用真空断路器作为主断路器。当前运用的真空断路器，绝大部分采用电磁阀来打开压缩气体气路实现合闸。经过多年运用后，电磁阀先导阀杆出现了多起裂纹故障，导致真空断路器不能正常合闸，影响电力机车正常运行。本文分析了电磁阀先导阀杆的结构，结合故障件分析，找到先导阀杆产生裂纹的原因，改进了阀杆结构。

1 电磁阀结构及故障机理

故障电磁阀为二位三通电磁阀。安装在真空断路器储风缸与传动气缸之间，主要作用是控制压缩气体气路通断。气路打开时，在压缩气体驱动下，真空断路器实现合闸。

电磁阀由电磁阀线圈、先导阀壳体组件（简称先导阀杆）、先导阀芯组件、阀芯组件及壳体组件构成，如图1所示。

图1 电磁阀结构示意图

当电磁阀线圈得电时，先导阀芯组件受电磁力的作用，与导磁体吸合，打开先导阀气路，压缩气体进入先导阀杆，使活塞在压力差作用下打开主气路，并压缩活塞弹簧；线圈失电时，先导阀芯组件在其内部弹簧作用下返回初始状态，关闭先导阀气路，活塞在弹簧力作用下返回，关闭主气路，并将通向真空断路器压力气缸的压缩气体排向大气。

先导阀杆如图2所示，由导磁体、隔磁套及先导阀座焊接而成。

先导阀杆外部安装电磁阀，主要用于约束先导阀芯组件运动，提供用于控制活塞运动的先导压缩气体通路，并安装电磁阀线圈。

图2 电磁阀先导阀杆结构示意图

当先导阀杆出现裂纹后，如图3所示，压缩空气通过裂纹缝隙排向大气。先导压力差无法建立。电磁阀主活塞因为压力差不足而不能动作或动作到位，气路未打开或打开不到位，最终导致真空断路器不能正常合闸。

图3 故障件照片

2 故障原因分析

对故障电磁阀先导阀杆进行断面分析，结果显示先导阀杆材质符合技术要求，未发现焊接缺陷；但裂纹具有典型的疲劳裂纹特征，裂纹由外部向内部扩展，裂纹起始位置靠近焊缝根部。

先导阀杆疲劳断裂有两种可能原因：

一是受力过大。先导阀杆除自身重力外，还受内部气压、电磁阀线圈重力、螺母的拧紧预紧力作用。经核实，上述作用力没有发现异常。结合裂纹为疲劳裂纹，导致发生裂纹的作用力应与振动冲击作用相关。结合已有大批量电磁阀进入四级修，且之前没有发生过该类问题，也没有突然增大的振动冲击作用。故障主断更换电磁阀后，进行全寿命周期动作试验，故障未再发生，可排除受力过大的原因。

二是先导阀杆强度不足。检测故障件，排除了受外物击打、撞伤等意外损伤原因。检测发现先导阀杆根部有焊后打磨，正是裂纹的起始位置。通过断面进行分析：裂纹部位为焊后环向加工刀痕处，裂纹位置厚度仅为600μm，而无裂纹处厚度为840μm。强度降低30%。检测裂纹处硬度远高于基体，裂纹处脆性增加，相对应的韧性降低。若焊后打磨工序控制不力，那么有可能出现部分产品的阀杆壁厚不均匀，即偏心或直径超差的问题。对库内新品的先导阀杆外部尺寸进行检测。检测点如图4所示，检测结果如表1所示，A为未打磨位置尺寸，B为焊后打磨后尺寸。

图4 先导阀杆尺寸检测位置

表1 库存新品先导阀杆外部直径检测结果

电磁阀 序号	测量 位置	1	2	3	4	5	6	7	8	平均值
10212#	A	14.59	14.55	14.52	14.52	14.50	14.52	14.52	14.50	14.53
	B	14.37	14.38	14.38	14.38	14.37	14.38	14.37	14.39	14.38
10460#	A	14.55	14.52	14.49	14.51	14.53	14.55	14.54	14.55	14.53
	B	14.32	14.33	14.34	14.33	14.33	14.34	14.34	14.32	14.33
10251#	A	14.50	14.49	14.50	14.53	14.54	14.53	14.54	14.54	14.52
	B	14.34	14.35	14.33	14.34	14.34	14.35	14.35	14.35	14.34
10366#	A	14.53	14.53	14.52	14.52	14.51	14.51	14.52	14.52	14.52
	B	14.30	14.32	14.30	14.30	14.30	14.29	14.29	14.28	14.30
9708#	A	14.50	14.50	14.49	14.50	14.50	14.51	14.51	14.50	14.50
	B	14.38	14.39	14.39	14.40	14.38	14.39	14.38	14.38	14.39

检测结果显示，根部打磨使先导阀杆外部直径尺寸变小。打磨前直径为14.50mm-14.53mm；打磨后直径为14.30mm-14.39mm。由此，说明焊后打磨尺寸比打磨前变小了0.11mm-0.23mm,且偏差的离散性较大，会降低先导阀杆的受力截面积，强度降低。

综合分析，故障原因为先导阀杆焊后打磨后尺寸超差强度不足，且有刀痕损伤。该损伤在真空断路器分合闸动作和随车冲击振动的共同作用下，产生裂纹并逐步发展，直至漏气导致电磁阀不能打开主断气路，造成主断不能正常合闸。

3 改进方案

在尽可能少的改动前提下，对先导阀杆焊接部分进行改进，如图5所示。

一方面隔磁套增加T型防脱落台阶，增加结构强度。

另一方面采用先导阀座与隔磁套采用电子束焊焊接，不再需要焊后打磨。

改进后先导阀杆接口及外形尺寸与原结构一致，具备互换性，不影响产品性能、使用和可维护性。

图5 先导阀杆（左：改进前；右：改进后）

对先导阀杆进行强度计算，在极端工况下，改进后先导阀杆最大应力为114.5MPa,位于根部，许用抗剪切强度为234MPa,安全系数为2.04，安全。

对改进前后先导阀杆进行抗扭强度研究性试验，改进后先导阀杆能承受22.7kN拉力，而改进前只能承受13.6kN拉力，改进效果明显。

5 结束语

本文介绍了真空断路器电磁阀的基本结构与工作原理，通过分析电磁阀先导阀杆裂纹产生的原因，对其结构进行了优化设计，改进后效果明显，且装车运用未再发生同类问题。在电力机车和动车组的运用过程中，最大限度减少真空断路器故障，保证车辆运行安全。

参考文献：

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[4]成大先.机械设计手册[M].5版.北京:化学工业出版社.2011.

[5]喻小如，张彦林.BVAC.N99系列真空断路器的的常见故障及其处理方法[J].电力机车与城轨车辆，2012(01):76-77.

作者简介：赵亮，2012年毕业于大连交通大学电气工程及其自动化专业，先后从事轨道交通车辆工艺管理、高压电器研发、市场营销工作。

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