BVAC.N99型真空主断路器传动机构双头螺杆故障分析

摘  要：针对机车行驶过程中出现的BVAC.N99型真空主断路器传动机构双头螺杆故障，首先对断路器进行外观检查和动作性能检测，再对低压部分和高压部分进行检测，判断出传动机构双头螺杆断裂故障。之后对传动机构双头螺杆工作状态、材质和受力进行分析，推断其故障形成原因，并提出了处置措施。

关键词： BVAC.N99型真空主断路器；双头螺杆；受力分析

Fault Analysis of Double-head Screw of Transmission Mechanism

 of BVAC.N99 Line Vacuum Circuit-breaker

Abstract: In view of the double-head screw failure of the transmission mechanism of BVAC.N99 line vacuum circuit-breaker occurring in the process of locomotive running, first, the appearance and operation performance of the circuit breaker are checked, then the low-voltage part and high -voltage part are tested, the fault of double-head screw of transmission mechanism is determined. After that, the working condition, material and force of the double-head screw of the transmission mechanism are analyzed, the cause of its failure is deduced, and the disposal measures are put forward.

1.概述

我国电力机车在过去几十年的迅速发展中，高压电气部件也经历了更新迭代，主断路器由TDZ1型空气断路器逐渐升级为BVAC.N99型真空断路器（以下简称真空断路器）。中车株洲电力机车有限公司生产的真空断路器是单级交流真空断路器，主要用于主电路的开断和接通，同时还可以用于过载保护和短路保护。它主要使用一个真空开关管（VST）和一个电控控制机构来完成动作。经过近年来的运用，我们发现真空断路器有一个常见故障即传动机构双头螺杆形变或断裂，导致断路器无法正常运用，机车主电路无电源而出现机破，从而给机车运行安全和经济效益造成巨大影响。

2.真空断路器工作原理

真空断路器的组成如图1所示，由三个主要部分组成：①上部是高压电路部分；②中部是与地隔离的绝缘支持部分；③下部是电空机械动作机构和低压控制电路部分。断路器闭合与断开由110V控制单元进行控制，当机车控制系统送出 110 V 信号，电磁阀线圈得电，保持线圈得电，电磁阀打开气路，压缩空气由储风缸进入传动气缸，推动活塞及活塞杆，压缩恢复弹簧、触头压力弹簧使主触头闭合，实现断路器闭合，保持线圈失电，传动气缸活塞在触头压力弹簧和恢复弹簧作用下迅速断开，主触头打开，活塞缓冲，真空灭弧室灭弧，实现断路器断开。

1-高压输入；2-真空开关管；3-高压输出；4-触头弹簧机构；5-回复弹簧；6-底板；7-储风缸；8-调压阀；9-电磁阀；10-压力气缸；11-保持线圈；12-辅助触头；13-控制单元；14-电连接器；15-车体安装平面；16-肘节机构。

图1：BVAC．N99真空断路器示意图

断路器传动机构主要由图1中4-触头弹簧机构、5-回复弹簧、16-肘节机构和操纵杆组成。通过传动机构，传动气缸最终把空气压力转化为机械作用力，通过调压阀调定的气流量来保证合适的合闸速度，驱动系统的运动速度取决于该气流量；当保持线圈电流被切断（控制电源失电），断路器分闸，快速脱扣通过稳定机构和触头压力弹簧来实现，通过此系统，在失电和停气时保证主断路器的可靠分闸。

3.传动机构双头螺杆故障、材质和受力分析

针对我单位和谐型电力机车断路器频繁出现的传动机构双头螺杆故障进行分析：

3.1故障分析

对断路器进行外观检查，发现正常（图2）。将断路器连接试验台进行动作性能试验，电压110V，输入气压为1000kPa，调压阀整定值为415kPa（标准值为360-450kPa），断路器分合闸异常。

对主断路器低压部分进行初步检查，连接板塑料扣安装板已断裂，判断为检修时操作者错误作业，导致连接板偏斜与肘节机构发生碰撞，致使连接板塑料扣安装板断裂。对传动机构进行检查，连接板未回位，存在卡滞现象。

图2：外观检查                               图3：侧面盖检查

对主断路器高压部分进行检查，拆下传动头侧面盖，发现双头螺杆超出正常位置，侧面盖上有明显磨痕（图3）。旋转双头螺杆一端，另一端无反应，将双头螺杆拆下后，发现双头螺杆断裂，并且双头螺杆中间与操纵杆装配位置表面存在磨痕（图4）。

图4：双头螺杆检查

观察操纵杆与双头螺杆接触的安装孔，无异常裂纹（图5）。取出双头螺杆后，传动机构复位，由此判定双头螺杆断裂造成传动机构卡滞，报断路器故障。

图5：操纵杆检查

3.2材质分析

使用使用手持合金分析仪双头螺杆材质进行检测，双头螺杆材质为35CrMo（图6）。

图6：双头螺杆材质分析

3.3受力分析

对双头螺杆进行受力分析，首先受操纵杆推力 F1，克服回复弹簧力 F4，通过左右连接板 推动真空开管管动触头动作（F2 和 F3，F2=F3），还受重力作用G（图7）。

回复弹簧力 F4=540N，重力 G=0.13*10=1.3N。双头螺杆受合力:

F=F1-G-F4-F2-F3=m*a

图7：双头螺杆受力分析

因断路器即将合闸时，存在短时的压缩气体和保持线圈保持力双重作用，此时双头螺杆受力最大，运动速度最快。根据仿真分析结果，此时a=326m/s2。F=0.13*326=42.3N。双头螺杆最大静正应力为：

σ=M/W=54.37/1.7*10-7=319.8MPa，

双头螺杆材料抗拉强度为880MPa，σ许用=319.8MPa。

安全系数 S=735/319.8=2.8，双头螺杆在断路器分合闸过程中有足够的安全系数，满足使用要求（图8）。

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图8：动力学仿真（A 端推杆指操纵杆）

4.结果分析与处置措施

4.1结果分析

1、通过以上分析，导致断路器故障的原因为双头螺杆断裂，致使双头螺杆与侧面盖板发生接磨从而造成断路器发生机械结构卡滞。

2、结合断路器拆解情况、操纵杆安装方法及操纵杆工作原理分析，导致双头螺杆断裂

的原因可能是：

1）在检修过程中，由于操作者操作不当造成连接板偏斜与肘节机构发生碰撞，并使双头螺杆受到长期扭曲，导致运用过程中断裂；

2）调压阀设置气压偏大，造成冲击力增大（出厂整定值为 360-380kPa）。

4.2处置措施

1、对返回断路器进行检修整备，例行试验合格后交付。

2、保证充足售后备品、备件用于现场运行故障的处理，保持与段方的沟通，及时处理现场问题，保障机车在线安全、稳定运行。

5.结论

本文阐述了BVAC.N99型真空断路器工作原理，就传动机构双头螺杆故障进行了原因分析并提出处置措施。在断路器中，传动机构承受较大的应力，在安装过程中如果机械构件移位错位，极易造成断路器故障。在货运机车运行过程中，如果在下坡过程中断路器突然出现故障导致列车断电，使机车电制动失效，迫使机务人员采取空气制动措施，给列车带来较大安全隐患。针对断路器传动机构故障，分析其原因并提出合理应对措施，对于机车安全运行意义重大。

参考文献

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[3]贾密生,黎建渠.BVAC.N99型真空主断路器电磁阀先导筒裂故障分析[J].铁道机车车辆,2015,35(02)

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[4] 肖闻.BVAC.N99真空主断路器110V控制单元双备份优化设计[J].技术与市场,2019,26(05):92-93.

作者介绍:

单位:中国铁路青藏集团有限公司西宁机务段

姓名:张文选

身份证号:632122198112015012