受电弓快排阀改进分析

创新与实践　ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ　ＡＮＤ　Ｍ＿ＡＲＫＥＴ　受电弓快排阀改进分析　周　维，陈敏坚　（中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲４１２００１）　摘要：电力机车在运用过程中，出现停放后受电弓升弓不动作，快排阀持续排风的故障现象。深入分析快排阀机械结　构和工作原理，提出解决思路，并通过大量试验进行验证。　关键词：受电弓；快排阀；故障；改进　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—８５５４．２０１６．０５．００９　０引言　电力机车在运用过程中，出现恶劣天气下较长时间停放　后，升弓时受电弓不动作，车顶受电弓快排阀排气口持续排风，　重新拆装或更换快排阀膜片后恢复正常的故障。故障在冬季　和夏季均有发生。本文通过分析受电弓快排阀的工作原理找　到该故障的原因，并提供有效的整改措施，通过大量的试验验　证解决此类故障。　１　故障分析　１．１　受电弓快排阀工作原理　快排阀是受电弓实现自动降弓的关键部件。它是一种机　械气动控制转换元件，能够探测到碳滑板出现的损坏。在弓网　匹配异常，受电弓弓头损坏严重时，快排阀立即启动使受电弓　自动降下，避免破坏接触网。　快排阀分为上下两腔，通过膜片隔离，膜片上有导流小孔　用来平衡气压。上腔与受电弓自动降弓气路（又称ＡＤＤ气路，　包括滑板、弓头风管等）相通；下腔连接进气１：３，并由膜片与排　气口隔绝。快排阀结构如图１，快排阀原理如图２。　排气口　１．膜片；２．弹簧；３．下腔；４．上腔　图１快排阀结构图　受电弓升弓过程：压缩气体进入受电弓主气路及快排阀下　腔（３），此时由于上腔（４）压力比下腔（３）要小得多，膜片在下　腔（３）压力作用下将会向上凸起，快排阀瞬时处于开启位，下腔　与排气口相连。由于膜片上导流孔的存在，同时在弹簧辅助作　用下，上腔气压会迅速上升并与下腔达到平衡。膜片将恢复原　２４　状，快排阀处于关闭位（此过程较为迅速），此时气囊将持续充　气，受电弓升起。由于快排阀上腔（４）的压力接触面积（Ａ）比　下腔（３）的压力接触面积（Ａ—Ｂ）大，快排阀上腔（４）给膜片的　压力会比下腔（３）大。这样快排阀膜片就可以封住下腔（３）通　往排气口的通路，很好地保证下腔（３）的气密性，从而保证受电　弓的正常工作。　Ａ　Ｋ　一　一　一　广　－Ｊ　一　－　１．开启位；２．关闭－ＣＡ＿　图２快排阀原理图　受电弓自动降弓过程：当ＡＤＤ气路遭到损坏，泄漏量大于　导流孔的补给量时，快排阀上腔（４）压力开始下降。当上下腔　压力差达到设定值时，膜片凸起，快排阀处于开启位，受电弓主　气路和气囊的压缩气体通过排气口迅速排出，受电弓迅速　降下。　１．２受电弓快排阀力平衡分析　当压缩气体对快排阀膜片上下腔的作用力相等时，快排阀　处于临界开启状态（如图１），由此导出力平衡方程。　仃　。＋　＝仃（　）　Ｆ。　其中：Ｐ。：下腔压力（ＭＰａ）　Ｐ　：上腔压力（ＭＰａ）　：弹簧力、弹簧和膜片自重（Ｎ）　Ｆ　：膜片内应力（Ｎ）　Ａ、Ｂ：膜片相关尺寸（ｍｍ）　开启压差：△Ｐ：　—Ｐ　：　一￣＂（！　！）　Ｐ：ｏｉ＋Ｆｌ－Ｆｏ　仃　＝（　）　一　¨　技术与市场　创新与实践　２０１６年第２３卷第５期　由此可见，开启压差与下腔压力　、膜片内应力　、弹簧　零，可忽略不计，下腔压力Ｐｎ也处于较低数值，此时膜片的恢　力　有关。当上下腔压力差大于开启压差／ｋＰ时，膜片凸起，　复主要靠弹簧力Ｆ。作用。较大的弹簧力Ｆ　能够在此时闭合　快排阀处于开启位，无法升弓。反之，膜片在升弓时能否闭合　膜片，有利于上腔压力的上升。拆卸快排阀膜片后重新组装，　密封到位主要与上腔压力Ｐ　、弹簧力　、膜片内应力Ｆ。有关。　使得膜片的内应力释放，同时，人体的手温也会缓解膜片，使膜　膜片内应力，。越大，使膜片闭合则需要更大的上腔压力Ｐ　和　片恢复一点弹性，从而出现重新拆装后，快排阀故障消失。因　弹簧力　来克服。　此，解决膜片在极端温度下的急剧变形是消除此类故障的　１．３受电弓快排阀失效分析　关键。　在电力机车运用过程中，发生受电弓升弓过程快排阀排风　４）膜片受热变形。快排阀膜片由上阀盖的四个螺栓固定　不止的故障现象，重新拆解组装快排阀后，故障消失。造成快　边缘位置，通过上腔压力和弹簧力密封住下腔体的排气口实现　排阀失效有以下几种原因。　密封。在高温环境下，膜片受热出现膨胀变形后，导致与下腔　１）ＡＤＤ气路泄漏。当ＡＤＤ气路泄漏量大于膜片上导流　体的配合出现间隙，形成泄漏，造成无法升弓。膜片在环境温　孔的补给量时，快排阀上腔的气压就会小于下腔气压，这样快　度下变形量的大小也主要由其材料特性决定。　排阀膜片将向上凸起，压缩空气就会通过快排阀下腔排向大　２解决思路　气，导致受电弓的自动降弓。出现这种情况时，只要检查受电　１）增大弹簧刚度。利用增大的弹簧压力抵消膜片在极端　弓ＡＤＤ气路的泄漏情况。此类故障比较容易排查。　温度下的内应力，以避免充气瞬间低压时快排阀泄漏。但过大　２）气路中的杂质造成泄露。供给受电弓的压缩空气中含　的弹簧刚度，会使膜片长期处于关闭状态，即使出现ＡＤＤ气路　有杂质，容易堵塞快排阀膜片上的导流孔，或杂质存积于下腔　泄露，也无法实现自动降弓，丧失快排阀的保护功能。　体的密封端面，都会造快排阀泄露，无法保证其气密性。受电　２）加大导流孔径。导流孔直径的增大，使上腔进气速度更　弓快排阀导流孔是一个直径０．８　ｍｍ的小孔，当压缩空气中出　快，在较短的时间内，会有更多的空气进入上腔，缩短膜片关闭　现杂质时，小孔容易堵塞，快排阀下腔中的压缩空气无法通过　时间，使上腔瞬间建立压力。同样，在出现ＡＤＤ气路泄露时，　导流孔进入到快排阀上腔，这样快排阀下腔中的气压将大于上　其泄漏量需要大于导流孔的补给量才会触发快排阀动作，也会　腔气压，快排阀处于开启位，造成无法升弓。快排阀的下腔体　牺牲快排阀的保护性能。　与膜片间是以端面进行密封的，若杂质存积于快排阀下腔体与　３）阀体结构改进。快排阀的下腔体和上盖端面设计一圈　膜片的密封端面，导致膜片与下腔体的配合出现间隙，膜片将　凹槽，快排阀膜片周边增加一圈凸台。组装时，上下腔体的凹　无法与下腔完全闭合，使快排阀处于开启位，造成升弓故障。　槽与膜片凸台紧密配合，确保阀体的密封，减少快排阀泄露的　当出现此类故障时，拆解快排阀并检查快排阀腔体的清洁状况　可能性。　可能会发现有杂质残留。此类故障也比较容易排查。　４）膜片材料改进。不管在低温还是在高温的情况下，选择　３）膜片内应力增大。根据上述力平衡分析，在快排阀开启　适合的膜片材料是解决快排阀漏风故障的关键。在保证受电　后，膜片恢复闭合的受力需满足以下条件：　弓自动降弓保护功能可靠，快排阀开启压差、响应时间等参数　ｄ　２　，４Ｒ、２　一丌｝ＰＩ＋Ｆ０＞仃ｆ不能发生变化的前提下，选取合成塑料、硅橡胶、合成橡胶等材　－ｔ　＼　　，　ｌ　Ｐ　＋，１　质在极端环境进行性能测试。结果表明，合成橡胶材质的膜片　若膜片内应力　增大（尤其在极端气候条件下），其膜片　无论在低温还是高温环境下，密封性能非常好，且动作特性、开　恢复阻力越大，使膜片闭合则需要更大的上腔压力Ｐ　和弹簧　启压差及响应时间特性都满足要求。　力　来克服。上腔压力Ｐ　与导流孑Ｌ有关，导流孔直径大小直　３试验验证　接决定了上腔进气的速度。导流孔越大，上腔压力上升越快，　选用合成橡胶膜片，组装完成１００件快排阀，随机抽取５０　膜片恢复时间越短；反之，则可能出现膜片不能恢复，快排阀持　件进行低温气密性试验。试验完成后在该５Ｏ件内抽取２件进　续漏风故障。在快排阀开始充气的瞬间，上腔压力Ｐ。几乎为　行低温动作试验，另抽取１０件进行高温试验。　表１低温气密性试验　测试温度　一４８．５℃　一５９℃　一４７．６℃　一４８℃　一５０℃　一４５．６℃　一４６．１℃　一５６．５℃　输０．４　ＭＰａ　、／　、／　、／　、／　、／　、／　、／　入　０．６　ＭＰａ　、／　、／　、／　、／　、／　、／　、／　、／　压力　０．８　ＭＰａ　、／　、／　、／　、／　、／　、／　、／　、／　表２低温动作试验　试验温度　响应时间　开启压差　功能试验　（℃）　（ｍｓ）　（ＭＰａ）　Ｏ．２０　ＭＰａ　０．３８５　ＭＰａ　０．５５　ＭＰａ　０．８５　ＭＰａ　００１＃　一４８．５　４８０．合格　０．１９，合格　、／　、／　、／　、／　０ｏ２＃　一４７．６　４６０，合格　０．１７５，合格　、／　、／　、／　、／　（下转第２７页）　２ｌ５