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[摘要] 详细分析了SS3型机车主断路器主要故障现象及其原因，并从材料结构、制造工艺、力学性能及检修保养方面提出了防治措施。
[关键词] 电力机车 主断路器 故障 措施
1 问题提出
随着机务生产力布局的调整，福州机务段由原福州、邵武、永安、漳平4个机务段重新组建。配属我段的SS3型电力机车有TDZ1-200/25，TDZ1A-10/25等多种型号的主断路器，是安装于车顶的一个重要高压部件，直接担负着机车与接触网之间高压电的引入、退出及机车保护等重要作用。自投入使用以来，主断路器发生了主阀卡位、漏风，瓷瓶炸裂以及传动机构失效等各种各样的故障，常常引起较为严重的后果，甚至导致机破，影响正常的运输安全生产。根据这一情况，我段在多年来主断路器的运用、检修过程中不断摸索，尝试过一些技术改造，积累了一定的经验，并制定了专门的检修要点和使用保养措施，取得了良好的效果。
2 故障分析
2.1 主阀卡位、漏风
主要是指由于主阀活塞发生膨胀、偏磨、扭曲、变形或异物等原因，使主阀活塞卡在主阀体内某一位置，主阀不能正常关闭主断路器储风缸通往灭弧室的压缩空气，导致漏风。其主要原因是：
2.1.1活塞强度和刚性偏小、热膨胀系数较大。对卡位的活塞进行认真细致地测量，并与厂家提供的尺寸和未使用过的活塞进行对比，发现活塞有不同程度的扭曲、变形，因此说明活塞强度和刚性偏小。活塞采用黄铜加工，热膨胀系数较大，在反复交变推力的作用下易发热膨胀，造成卡位。
2.1.2活塞与主阀体配合尺寸不当。对料库备品未使用过的主阀体、活塞进行测量、统计、分析，将主阀体、活塞按公差范围分为A、B两组。A组：主阀体Ф70 mm +0.015+0 ，活塞Ф70 mm -0.095-0.11，间隙max=0.015-(-0.11)=0.125mm，间隙min=0-(-0.095)=0.095mm。B组：主阀体Ф70 mm +0.03+0.015 ，活塞Ф70 mm -0.08-0.095，间隙max=0.03-(-0.095)=0.125mm，间隙min=0.015-(-0.08)=0.095mm。在A、B组内选配，能使活塞与主阀体间隙保证在0.095-0.125mm之间，比较合适。同时对部分机车上的主阀体、活塞进行测量，发现有A、B组混合装配现象，则间隙min=0-(-0.08)=0.08mm，比标准小0.015mm，间隙max=0.03-(-0.11)=0.14mm，比标准大0.015mm。这将导致主阀体与活塞间隙过小或过大。间隙过小时，主阀体对活塞的磨擦阻力过大，易造成分断时阀杆动作的卡滞。间隙过大时，易造成活塞的回风。
2.1.3 O形橡胶密封圈失效或组装不当漏风。O形橡胶密封圈主要是防止压缩空气与外界相通，一旦由于组装不当或受交变推力反复移动造成磨损，使得密封不良，压缩空气便通过O形圈从主阀体上的透气孔排出大气，严重时沟通主风道，压缩空气吹开动触头从灭弧瓷瓶外罩处漏出。
2.2 瓷瓶炸裂
主断路器瓷瓶炸裂是多发故障，部位较广，主要有灭弧室瓷瓶、非线性电阻瓷瓶及支持瓷瓶等。该故障发生的主要原因有：
2.2.1瓷瓶材质不良。材质不良包括瓷瓶具有冷脆性、热胀性、表面易发生爬电和机械强度低。在冬天气温低或夏天太阳曝晒的情况下更为明显。当主断路器动静触头开断时，灭弧室瓷瓶在压缩空气机械力和动触头装置重力共同作用下，极易造成断损。
2.2.2瓷瓶外部脏污。主断路器瓷瓶主要起到主断路器与车体间25kV高压的绝缘作用，若主断路器瓷瓶表面脏污，特别是在潮湿天气，易发生瓷瓶表面对车体放电、爬电闪络，从而烧损瓷瓶表面釉层，降低甚至破坏瓷瓶的绝缘性能。
2.2.3压缩空气干燥度、清洁度低。当主断路器分断时，在灭弧室触头喷口处形成一股高速压缩空气流，使动、静触头分离，同时对产生的电弧进行强烈的气吹和冷却，迫使电弧在电流过零时熄灭，从而实现电路的可靠分断。如果机车空气干燥器不良，储风缸内经塞门进入灭弧室的压缩空气量不够，或未对主断路器及时排水，均会造成压缩空气潮湿或脏污，而潮湿脏污的压缩空气又会造成灭弧室瓷瓶和支持瓷瓶内部绝缘强度降低，特别是动、静触头断口处，电弧熄灭困难或重击穿，沿瓷瓶内壁面拉弧放电，长时间燃弧使得压缩空气中的水分分解成氢、氧等气体，体积迅速膨胀，造成灭弧室瓷瓶和支持瓷瓶的炸裂。
2.2.4动触头复原弹簧卡滞、折断或动触头与动触头座分离。由于主断路器频繁开合动作，动触头复原弹簧和动触头花键过盈配合在高温与常温相交替的恶劣环境中承受着频繁的冲击载荷，复原弹簧极易产生疲劳变形卡滞甚至折断，花键过盈配合容易受到破坏使得动触头与动触头座分离，从而使动、静触头之间的接触压力减小，分断开距减小，灭弧困难，燃弧时间延长造成主触头烧损，严重时会引起灭弧室瓷瓶炸裂。
2.2.5非线性电阻性能变化。非线性电阻能够抑制截流过电压和降低恢复电压的上升速度及幅值，如果非线性电阻因吸潮或某种原因长时间承受电压，通过电流，其性能极易发生变化，导致高压大电流流经非线性电阻，电阻严重过热而爆炸。其性能变化还会降低主断路器的分断能力，产生大电弧，严重时会造成瓷瓶炸裂。
2.3 传动机构失效
当主断路器得到分断或闭合信号，压缩空气进入传动气缸，主活塞推动传动杠杆转动，控制轴在切向力的作用下转动，从而带动隔离开关进行分断或闭合。当隔离开关分断或闭合即将到位时，缓冲风缸空气受到压缩产生阻力减缓主活塞运动速度，使隔离开关缓慢运行到位，减小冲击力。造成传动机构失效的主要原因有：
2.3.1隔离开关触指超程。在隔离开关动作过程中，由于隔离开关和转动瓷瓶均有一定质量，在瞬间制停到位时，必然产生很大的惯性冲击，这种惯性冲击依靠传动气缸的缓冲性能得到有效控制。在长期交变切向力的作用下，转动瓷瓶安装螺丝逐渐松动，控制轴的键与轴、销与轴及传动气缸连杆销和十字头销的磨耗也逐渐加快加大，传动气缸的缓冲性能不良进一步恶化了这种松动和磨耗，轴与瓷瓶等配合处开始出现间隙，产生相对运动，最终导致隔离开关触指超程。
2.3.2控制轴松旷、断裂。传动气缸缓冲不良必将造成隔离开关动作时产生很大的冲击，使控制轴的键与轴、销与轴之间磨耗加快，最终导致控制轴的松旷甚至断裂，隔离开关触指超程就是断裂的前奏。对断裂的控制轴分解检查发现都是断在φ25 mm与φ28 mm的阶梯过渡处，刚好是应力集中的地方。主要原因有：
（1）控制轴未按设计工艺加工。设计图纸在φ25 mm与φ28 mm阶梯处有R＝1 mm的过渡圆弧，而实际上没有加工或没有加工好，导致应力集中。
（2）传动气缸缓冲不良。隔离开关在动作时产生非正常冲击力导致控制轴应力集中，加剧了疲劳断裂。
（3）隔离开关触指超程后会冲击凸台，而冲击凸台又会加剧传动机构配合零件的磨耗，形成恶性循环，最终导致控制轴断裂。
2.3.3传动机构卡滞。如果传动风缸活塞与缸体的间隙偏小和滑动面润滑不良等，将会造成传动气缸内活塞与缸体间滑动不灵活，活塞行程偏小，使得隔离开关无法闭合到位。
3 防治措施
3.1 主阀卡位、漏风的防治
① 将活塞材料由黄铜改为合金，增加强度和刚性，减少热膨胀。② 更改活塞结构设计。将活塞底部厚度加大到5mm，并采用圆弧过渡，减少应力集中，从而增加刚性。③ 对活塞与主阀体在A、B组内进行重新选配，保证间隙符合0.095～0.125mm标准。④ 定期更换O形橡胶密封圈，并控制好O形圈的夹紧力。
3.2 瓷瓶炸裂的防治
3.2.1 在主断路器各瓷瓶上涂防闪络涂料，定期擦拭清洗并注意保持清洁。
3.2.2 规定乘务员每班须对主断路器储风缸排水。分、合主断时，按主断分、合按钮时间不少于2秒。
3.2.3 定期检查机车空气干燥器状态，干燥剂变色达1/2更换，必要时对机车空气管路进行吹扫，保证压缩空气干燥、清洁。
3.2.4 定期打开灭弧室检查复原弹簧、通风滤网、动静触头及其花键连接等内部零件状态，测量有关参数，必要时更换。主断路器下车检修时应严格执行检修工艺，确保各项性能符合技术要求。
3.2.5 定期测量非线性电阻阻值，检查其状态，必要时对非线性电阻干燥剂进行烘干处理，变色达1/2更换，组装时保证密封。
3.3 传动机构失效的防治
3.3.1 定期检查隔离开关触指是否有超程，一旦有超程就要引起足够的重视并进行记录跟踪。并规定闭合到位后，动触头距静触头凸台距离必须大于15mm。
3.3.2 定期检查传动机构各轴、销等零件的状态，及时润滑给油，减少非正常磨耗，发现不良处所及时处理，磨耗到限的均要更换。
3.3.3 对控制轴进行寿命管理，在新更换的控制轴上打上年月标记，3年后必须更换。建议制作控制轴探伤试块，对隔离开关触指超程的控制轴进行超声波探伤。
3.3.4 定期分解传动气缸，检查连杆销、十字头销、活塞、缸体、M8孔等，保证其缓冲性能良好。
4 防治效果
通过采取以上一系列技术改造、改进检修工艺和规范使用保养等有效的防治措施，我段SS3型机车主断路器频发的各类故障得到有效的控制，故障率明显降低。我段在主断路器修、管、用方面已总结了一些成功的经验和好的做法，取得了良好的效果。以上防治措施中的建议正在逐步实施，期待我段主断路器质量进一步有序可控。
参考文献：
[1] 刘友梅. 韶山3型4000系电力机车[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2000.
[2] 张有松, 朱龙驹. 韶山4型电力机车[M]. 北京: 中国铁道出版社, 1998.
[关键词] 电力机车 主断路器 故障 措施
1 问题提出
随着机务生产力布局的调整，福州机务段由原福州、邵武、永安、漳平4个机务段重新组建。配属我段的SS3型电力机车有TDZ1-200/25，TDZ1A-10/25等多种型号的主断路器，是安装于车顶的一个重要高压部件，直接担负着机车与接触网之间高压电的引入、退出及机车保护等重要作用。自投入使用以来，主断路器发生了主阀卡位、漏风，瓷瓶炸裂以及传动机构失效等各种各样的故障，常常引起较为严重的后果，甚至导致机破，影响正常的运输安全生产。根据这一情况，我段在多年来主断路器的运用、检修过程中不断摸索，尝试过一些技术改造，积累了一定的经验，并制定了专门的检修要点和使用保养措施，取得了良好的效果。
2 故障分析
2.1 主阀卡位、漏风
主要是指由于主阀活塞发生膨胀、偏磨、扭曲、变形或异物等原因，使主阀活塞卡在主阀体内某一位置，主阀不能正常关闭主断路器储风缸通往灭弧室的压缩空气，导致漏风。其主要原因是：
2.1.1活塞强度和刚性偏小、热膨胀系数较大。对卡位的活塞进行认真细致地测量，并与厂家提供的尺寸和未使用过的活塞进行对比，发现活塞有不同程度的扭曲、变形，因此说明活塞强度和刚性偏小。活塞采用黄铜加工，热膨胀系数较大，在反复交变推力的作用下易发热膨胀，造成卡位。
2.1.2活塞与主阀体配合尺寸不当。对料库备品未使用过的主阀体、活塞进行测量、统计、分析，将主阀体、活塞按公差范围分为A、B两组。A组：主阀体Ф70 mm +0.015+0 ，活塞Ф70 mm -0.095-0.11，间隙max=0.015-(-0.11)=0.125mm，间隙min=0-(-0.095)=0.095mm。B组：主阀体Ф70 mm +0.03+0.015 ，活塞Ф70 mm -0.08-0.095，间隙max=0.03-(-0.095)=0.125mm，间隙min=0.015-(-0.08)=0.095mm。在A、B组内选配，能使活塞与主阀体间隙保证在0.095-0.125mm之间，比较合适。同时对部分机车上的主阀体、活塞进行测量，发现有A、B组混合装配现象，则间隙min=0-(-0.08)=0.08mm，比标准小0.015mm，间隙max=0.03-(-0.11)=0.14mm，比标准大0.015mm。这将导致主阀体与活塞间隙过小或过大。间隙过小时，主阀体对活塞的磨擦阻力过大，易造成分断时阀杆动作的卡滞。间隙过大时，易造成活塞的回风。
2.1.3 O形橡胶密封圈失效或组装不当漏风。O形橡胶密封圈主要是防止压缩空气与外界相通，一旦由于组装不当或受交变推力反复移动造成磨损，使得密封不良，压缩空气便通过O形圈从主阀体上的透气孔排出大气，严重时沟通主风道，压缩空气吹开动触头从灭弧瓷瓶外罩处漏出。
2.2 瓷瓶炸裂
主断路器瓷瓶炸裂是多发故障，部位较广，主要有灭弧室瓷瓶、非线性电阻瓷瓶及支持瓷瓶等。该故障发生的主要原因有：
2.2.1瓷瓶材质不良。材质不良包括瓷瓶具有冷脆性、热胀性、表面易发生爬电和机械强度低。在冬天气温低或夏天太阳曝晒的情况下更为明显。当主断路器动静触头开断时，灭弧室瓷瓶在压缩空气机械力和动触头装置重力共同作用下，极易造成断损。
2.2.2瓷瓶外部脏污。主断路器瓷瓶主要起到主断路器与车体间25kV高压的绝缘作用，若主断路器瓷瓶表面脏污，特别是在潮湿天气，易发生瓷瓶表面对车体放电、爬电闪络，从而烧损瓷瓶表面釉层，降低甚至破坏瓷瓶的绝缘性能。
2.2.3压缩空气干燥度、清洁度低。当主断路器分断时，在灭弧室触头喷口处形成一股高速压缩空气流，使动、静触头分离，同时对产生的电弧进行强烈的气吹和冷却，迫使电弧在电流过零时熄灭，从而实现电路的可靠分断。如果机车空气干燥器不良，储风缸内经塞门进入灭弧室的压缩空气量不够，或未对主断路器及时排水，均会造成压缩空气潮湿或脏污，而潮湿脏污的压缩空气又会造成灭弧室瓷瓶和支持瓷瓶内部绝缘强度降低，特别是动、静触头断口处，电弧熄灭困难或重击穿，沿瓷瓶内壁面拉弧放电，长时间燃弧使得压缩空气中的水分分解成氢、氧等气体，体积迅速膨胀，造成灭弧室瓷瓶和支持瓷瓶的炸裂。
2.2.4动触头复原弹簧卡滞、折断或动触头与动触头座分离。由于主断路器频繁开合动作，动触头复原弹簧和动触头花键过盈配合在高温与常温相交替的恶劣环境中承受着频繁的冲击载荷，复原弹簧极易产生疲劳变形卡滞甚至折断，花键过盈配合容易受到破坏使得动触头与动触头座分离，从而使动、静触头之间的接触压力减小，分断开距减小，灭弧困难，燃弧时间延长造成主触头烧损，严重时会引起灭弧室瓷瓶炸裂。
2.2.5非线性电阻性能变化。非线性电阻能够抑制截流过电压和降低恢复电压的上升速度及幅值，如果非线性电阻因吸潮或某种原因长时间承受电压，通过电流，其性能极易发生变化，导致高压大电流流经非线性电阻，电阻严重过热而爆炸。其性能变化还会降低主断路器的分断能力，产生大电弧，严重时会造成瓷瓶炸裂。
2.3 传动机构失效
当主断路器得到分断或闭合信号，压缩空气进入传动气缸，主活塞推动传动杠杆转动，控制轴在切向力的作用下转动，从而带动隔离开关进行分断或闭合。当隔离开关分断或闭合即将到位时，缓冲风缸空气受到压缩产生阻力减缓主活塞运动速度，使隔离开关缓慢运行到位，减小冲击力。造成传动机构失效的主要原因有：
2.3.1隔离开关触指超程。在隔离开关动作过程中，由于隔离开关和转动瓷瓶均有一定质量，在瞬间制停到位时，必然产生很大的惯性冲击，这种惯性冲击依靠传动气缸的缓冲性能得到有效控制。在长期交变切向力的作用下，转动瓷瓶安装螺丝逐渐松动，控制轴的键与轴、销与轴及传动气缸连杆销和十字头销的磨耗也逐渐加快加大，传动气缸的缓冲性能不良进一步恶化了这种松动和磨耗，轴与瓷瓶等配合处开始出现间隙，产生相对运动，最终导致隔离开关触指超程。
2.3.2控制轴松旷、断裂。传动气缸缓冲不良必将造成隔离开关动作时产生很大的冲击，使控制轴的键与轴、销与轴之间磨耗加快，最终导致控制轴的松旷甚至断裂，隔离开关触指超程就是断裂的前奏。对断裂的控制轴分解检查发现都是断在φ25 mm与φ28 mm的阶梯过渡处，刚好是应力集中的地方。主要原因有：
（1）控制轴未按设计工艺加工。设计图纸在φ25 mm与φ28 mm阶梯处有R＝1 mm的过渡圆弧，而实际上没有加工或没有加工好，导致应力集中。
（2）传动气缸缓冲不良。隔离开关在动作时产生非正常冲击力导致控制轴应力集中，加剧了疲劳断裂。
（3）隔离开关触指超程后会冲击凸台，而冲击凸台又会加剧传动机构配合零件的磨耗，形成恶性循环，最终导致控制轴断裂。
2.3.3传动机构卡滞。如果传动风缸活塞与缸体的间隙偏小和滑动面润滑不良等，将会造成传动气缸内活塞与缸体间滑动不灵活，活塞行程偏小，使得隔离开关无法闭合到位。
3 防治措施
3.1 主阀卡位、漏风的防治
① 将活塞材料由黄铜改为合金，增加强度和刚性，减少热膨胀。② 更改活塞结构设计。将活塞底部厚度加大到5mm，并采用圆弧过渡，减少应力集中，从而增加刚性。③ 对活塞与主阀体在A、B组内进行重新选配，保证间隙符合0.095～0.125mm标准。④ 定期更换O形橡胶密封圈，并控制好O形圈的夹紧力。
3.2 瓷瓶炸裂的防治
3.2.1 在主断路器各瓷瓶上涂防闪络涂料，定期擦拭清洗并注意保持清洁。
3.2.2 规定乘务员每班须对主断路器储风缸排水。分、合主断时，按主断分、合按钮时间不少于2秒。
3.2.3 定期检查机车空气干燥器状态，干燥剂变色达1/2更换，必要时对机车空气管路进行吹扫，保证压缩空气干燥、清洁。
3.2.4 定期打开灭弧室检查复原弹簧、通风滤网、动静触头及其花键连接等内部零件状态，测量有关参数，必要时更换。主断路器下车检修时应严格执行检修工艺，确保各项性能符合技术要求。
3.2.5 定期测量非线性电阻阻值，检查其状态，必要时对非线性电阻干燥剂进行烘干处理，变色达1/2更换，组装时保证密封。
3.3 传动机构失效的防治
3.3.1 定期检查隔离开关触指是否有超程，一旦有超程就要引起足够的重视并进行记录跟踪。并规定闭合到位后，动触头距静触头凸台距离必须大于15mm。
3.3.2 定期检查传动机构各轴、销等零件的状态，及时润滑给油，减少非正常磨耗，发现不良处所及时处理，磨耗到限的均要更换。
3.3.3 对控制轴进行寿命管理，在新更换的控制轴上打上年月标记，3年后必须更换。建议制作控制轴探伤试块，对隔离开关触指超程的控制轴进行超声波探伤。
3.3.4 定期分解传动气缸，检查连杆销、十字头销、活塞、缸体、M8孔等，保证其缓冲性能良好。
4 防治效果
通过采取以上一系列技术改造、改进检修工艺和规范使用保养等有效的防治措施，我段SS3型机车主断路器频发的各类故障得到有效的控制，故障率明显降低。我段在主断路器修、管、用方面已总结了一些成功的经验和好的做法，取得了良好的效果。以上防治措施中的建议正在逐步实施，期待我段主断路器质量进一步有序可控。
参考文献：
[1] 刘友梅. 韶山3型4000系电力机车[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2000.
[2] 张有松, 朱龙驹. 韶山4型电力机车[M]. 北京: 中国铁道出版社, 1998.