□ 麻岳敏 □ 杜 鵬 □ 聶 敏 □ 陳 君

中車大同電力機(jī)車有限公司 山西大同 037038

1 存在的問題

HXD3C電力機(jī)車主變壓器安裝過程中需要安裝油管管道,油管管道有一部分由金屬波紋管組成,具有良好的撓性,可抵御油管因熱脹冷縮和振動而產(chǎn)生的位移,用于補(bǔ)償油管的軸向長度[1],同時還可以吸收振動、降低噪聲[2]。但是，波紋管在安裝油管管道完成后容易產(chǎn)生鼓包現(xiàn)象。

由于波紋管還要傳輸油液,機(jī)車運(yùn)行過程中油液在高速、高溫下不斷對管壁沖刷,在管道某些地方還會形成渦流,造成波紋管與管內(nèi)環(huán)連接處產(chǎn)生泄漏。另外，在高壓下，鼓包處外部的不銹鋼纏繞層被破壞,也會導(dǎo)致泄漏,影響產(chǎn)品的質(zhì)量。針對HXD3C電力機(jī)車波紋管容易鼓包的現(xiàn)象,筆者進(jìn)行了原因分析,提出解決問題的方法。

2 油管管道結(jié)構(gòu)

HXD3C電力機(jī)車主變壓器油管管道由五根油管組成,管道安裝錯綜復(fù)雜。一根油管兩端有波紋管，中間是優(yōu)質(zhì)合金鋼,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

油管內(nèi)徑為106 m,外徑為122 mm。油管兩端通過法蘭連接至主變壓器的法蘭盤上,法蘭通過螺栓進(jìn)行連接。油管合金鋼部分用管支架和U形卡子固定連接至機(jī)車車體上。

由于波紋管具有柔韌性和彎曲性等特點(diǎn),容易產(chǎn)生變形,因此給安裝過程造成很大麻煩。

▲圖1 油管結(jié)構(gòu)

3 原因分析

波紋管作為彈性補(bǔ)償元件,在工作中要承受軸向或角向位移。由于補(bǔ)償?shù)男枰?會產(chǎn)生伸縮變形,而且這類變形往往是交替變化的,相應(yīng)地在波紋管處產(chǎn)生交變應(yīng)力。在交變應(yīng)力的作用下,波紋管有可能產(chǎn)生膨脹。

波紋管的可靠性通過設(shè)計、制造、安裝、運(yùn)行管理等多個環(huán)節(jié)來保證,任何一個環(huán)節(jié)失控，都會導(dǎo)致壽命降低甚至失效[3-6]。波紋管鼓包原因總體可以分為兩類：制造質(zhì)量誤差和安裝過程不合理。

3.1 制造質(zhì)量誤差

波紋管成形是塑性加工過程,成形后存在一定的殘余應(yīng)力。在加工過程中，管材強(qiáng)度不足、壁厚不均勻、剛度值大、韌性不佳都會使波紋管產(chǎn)生鼓包。

油管和主變壓器通過法蘭連接,若主變壓器的法蘭存在制造質(zhì)量誤差,則會產(chǎn)生與圖紙不符的尺寸偏差,使法蘭不在垂直狀態(tài),即與垂直方向有一定偏差角度，與之連接的油管會產(chǎn)生相應(yīng)偏差,導(dǎo)致波紋管發(fā)生扭曲,從而造成鼓包。

3.2 安裝過程不合理

固定油管的管支架根據(jù)設(shè)計提前焊接至機(jī)車車體上,并使用管夾以提高管道排布的穩(wěn)定性。當(dāng)油管安裝完畢后，通過管支架和U形卡子固定。由于管支架是提前焊接的,為了固定油管,不得不調(diào)整油管的位置,因此使波紋管受到外力作用。當(dāng)波紋管兩端受力而產(chǎn)生大于靜力狀態(tài)下的變形,就會產(chǎn)生扭曲或者鼓包。若安裝工人通過調(diào)整波紋管的軸向、橫向、扭轉(zhuǎn)變化等來調(diào)整管系位置的安裝誤差,則雖然波紋管本身可傳遞扭矩,但是當(dāng)兩端固定沒有余量時,調(diào)整波紋管安裝角度，使受到的力矩大于自身可承受的范圍,從而也會產(chǎn)生變形甚至鼓包。

電力機(jī)車運(yùn)行過程中會產(chǎn)生振動,波紋管既要承受機(jī)械振動和管道內(nèi)介質(zhì)流動時所引發(fā)的振動,又要承受彎道和介質(zhì)自重作用引起的彎矩,因此波紋管在工作時的應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜。機(jī)車振動會使油管產(chǎn)生振動位移,位移量會傳遞至波紋管上。當(dāng)波紋管安裝后的狀態(tài)恰好達(dá)到臨界狀態(tài)時,若產(chǎn)生更大的位移量超出負(fù)荷，則就會使波紋管產(chǎn)生變形甚至鼓包。

4 三維建模

有限元分析是一種非常實用的分析方法，許多學(xué)者對波紋管已做了大量的有限元分析研究[7-11]。由于波紋管的結(jié)構(gòu)不同,工作環(huán)境不同,受力情況也不盡相同，因此筆者根據(jù)實際情況對波紋管進(jìn)行有限元分析。

波紋管一端連接法蘭,另一端連接合金鋼管,法蘭和合金鋼管都不容易變形。因此根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實際尺寸,應(yīng)用CATIA軟件繪制波紋管三維模型,如圖2所示。波紋管結(jié)構(gòu)中，兩邊為法蘭,中間為一段合金管,主要尺寸見表1。

▲圖2 波紋管三維模型

表1 波紋管主要尺寸 mm

通過ANSYS軟件與三維軟件之間的圖形接口,將由CATIA軟件建立的波紋管三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件，進(jìn)行模態(tài)分析和靜力分析。

5 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分與計算目標(biāo)的匹配程度，以及網(wǎng)格質(zhì)量優(yōu)劣,決定了有限元分析的結(jié)果。筆者僅研究結(jié)構(gòu)的變形情況，并計算低階模態(tài),因此選擇適應(yīng)性強(qiáng)的四面體網(wǎng)格進(jìn)行波紋管有限元模型網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分后得到99 118個單元和55 684個節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。

▲圖3 波紋管有限元模型網(wǎng)格劃分

6 模態(tài)分析

固定兩端法蘭,進(jìn)行波紋管模態(tài)分析,得到前六階頻率和振型。因為結(jié)構(gòu)對稱,所以二階、四階、六階模態(tài)依次對應(yīng)一階、三階、五階模態(tài)的重根,每對重根具有相同的振型和固有頻率,區(qū)別在于振型存在相位差。波紋管前六階頻率見表2,一階、三階、五階振型如圖4所示。因為波紋管的長度較短,因此在模態(tài)分析中主要變形是拉壓變形,受力變形最大位置產(chǎn)生于波紋管的中間部分。

表2 波紋管前六階頻率 Hz

7 靜力學(xué)分析

對波紋管施加軸向力、扭矩，得到變形云圖,如圖5所示。由圖5可以看出,當(dāng)波紋管只受軸向力作用時,變形較大,出現(xiàn)S形變形。當(dāng)波紋管只受扭矩作用時,變形最大位置在中間,會產(chǎn)生凸起。當(dāng)波紋管受軸向力和扭矩共同作用時,變形情況與只受扭矩作用時相差不大。上述靜力學(xué)分析可以為波紋管實際變形研究提供參考。

▲圖4 波紋管振型

8 改進(jìn)措施

基于上述分析,為了使波紋管不產(chǎn)生鼓包現(xiàn)象,應(yīng)在設(shè)計上優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸和材料性能，保證制造質(zhì)量誤差盡可能小。同時要求在安裝時,盡量保證波紋管在自由狀態(tài)下的變形,對管道恰當(dāng)?shù)丶右詫?dǎo)向和固定。另外，管支架的安裝位置需要根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行確定。當(dāng)油管安裝完成后,在工藝和設(shè)計的允許范圍內(nèi),現(xiàn)場配焊管支架,消除為了配合管支架而調(diào)整油管位置造成的外力。

▲圖5 波紋管變形云圖

為了使波紋管不產(chǎn)生鼓包現(xiàn)象，還應(yīng)注意五點(diǎn)。

(1) 嚴(yán)禁波紋管產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。管道安裝時,應(yīng)使油管在工作狀態(tài)時經(jīng)過自身重力調(diào)節(jié)，使各個位置的拉應(yīng)力消除，不產(chǎn)生安裝應(yīng)力。

(2) 應(yīng)按波紋管自然狀態(tài)安裝,保證波紋管有一定的松弛度和余量,以便油管在受壓時可自我調(diào)節(jié)。

(3) 使用管夾,提高管道排布的穩(wěn)定性。管夾的使用不應(yīng)影響波紋管在受壓和運(yùn)動時的靈活性。

(4) 除設(shè)計時要求預(yù)先施加于管道的彈性預(yù)變形量外,不能通過波紋管軸向變形、橫向變形、扭轉(zhuǎn)變形來調(diào)整管系位置的安裝誤差。

(5) 波紋管出廠時，壓力試驗條件應(yīng)與現(xiàn)場安裝條件一致,避免背離安裝條件。

9 結(jié)束語

筆者對HXD3C電力機(jī)車波紋管鼓包現(xiàn)象進(jìn)行原因分析,建立波紋管三維模型，應(yīng)用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行模態(tài)分析和靜力學(xué)分析,得到了波紋管的變形云圖,為避免外界激振力頻率與波紋管固有頻率相同或相近而引發(fā)共振現(xiàn)象提供了理論依據(jù)。經(jīng)過改進(jìn)安裝方法，提出安裝時的注意事項,后續(xù)HXD3C電力機(jī)車未出現(xiàn)波紋管鼓包現(xiàn)象,提高了HXD3C電力機(jī)車產(chǎn)品的質(zhì)量。