斷路器彈簧操動機構分析范文

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《電氣制造雜志》2014年第七期

1故障現象及原因分析

某電站斷路器在進行出廠試驗時，斷路器的B相動靜觸頭沒有分斷，發生了拒分現象。經檢查，彈簧操動機構分閘電磁鐵信號已經給出，電磁鐵已動作；主拐臂銷軸和保持掣子沒有分開，對機構檢查發現，分閘彈簧儲存能量沒有釋放，且沒有卡滯現象，主拐臂銷軸工作面已經變形，磨損嚴重，如圖2所示。根據彈簧操動機構拒分故障現象的分析和調查，可以排除電磁鐵脫扣力不足造成的拒分和分閘彈簧儲能力小或摩擦卡滯情況造成的拒分。下面重點分析主拐臂和分閘保持掣子自身平衡形成的拒分，其分析的力學模型如圖3所示。分閘彈簧給主拐臂的力通過主拐臂銷軸作用給分閘保持掣子（見圖1）。從圖3中可以看出，當分閘電磁鐵動作后，保持掣子受到主拐臂銷軸的壓力F主垂直于接觸面，受到主拐臂銷軸的摩擦力F摩垂直于F主且與保持掣子的轉動方向相反，受到復位彈簧的恢復力F復。要想使保持掣子逆斷路器彈簧操動機構分析時針旋轉，機構必須能形成一個力臂不是太小且大于F復及各種摩擦力作用下形成的順時針力矩。當保持掣子受到主拐臂的壓力和摩擦力作用產生的力臂過小（見圖3a）時，其力矩不能克服F復及其他系統摩擦力產生的順時針力矩，保持掣子將不能脫開，形成拒分；當保持掣子受到主拐臂的壓力和摩擦力作用產生動態順時針力臂（見圖3b）時，主拐臂銷軸將和保持掣子接觸產生F推力，保持掣子就會在合力矩的作用下緊緊扣住主拐臂銷軸，產生自平衡，致使產品拒分。為了驗證分析的正確性，采用表面光潔、沒有磨損的主拐臂銷軸在拒分樣機上做200次合閘、分閘操作試驗，試驗結果是沒有發生拒分現象，但是銷軸的表面仍然出現了磨損跡象。為了找出機構拒分故障的本質原因，繼續做200次合分試驗，在試驗做到315次分閘操作時，機構沒有實現分閘操作，產生了拒分故障。對試驗拒分故障的機構進行檢查，分析：機構電磁鐵提供的電磁力和分閘彈簧力輸出的分閘力都達到設計要求，只是主拐臂銷軸的磨損更加嚴重，由此可判斷出造成拒分故障的主要原因是銷軸表面疲勞磨損。

2試驗驗證及解決措施

根據故障的現象描述及原因分析，主拐臂銷軸的疲勞磨損是導致拒分故障的主要原因。下面從多個角度進行分析、試驗、仿真和改進，志在解決銷軸疲勞磨損，消除機構拒分故障。

（1）保持掣子的加工工藝優化通過比對拒分保持掣子的設計圖樣，發現保持掣子的關鍵部位尺寸合格，但是保持掣子的“鉤子”R圓弧處與工作平面不相切，有過渡棱臺，如圖4所示。在分閘過程中，主拐臂銷軸從保持掣子中滾動出來，經過棱臺過渡位置時，就會產生一個很大的局部沖擊力，對主拐臂銷軸和保持掣子的表面產生破壞。為了驗證有棱臺過渡的保持掣子在分閘時對主拐臂銷軸產生的影響，運用了運動仿真軟件進行運動學[4]分析，建立“鉤子”有棱臺的保持掣子和相切過渡的保持掣子分別與主拐臂銷軸配合，模擬分閘運動，其仿真模型及其力學分析結果如圖5、圖6所示。從分析圖6中銷軸的受力曲線圖可以看出，持掣子有棱臺時，銷軸運動到棱臺位置處產生明顯增大的沖擊力作用，這種突然增大的沖擊力會對主拐臂銷軸表面產生破壞，多次沖擊造成銷軸表面沖擊磨損嚴重。解決措施：保持掣子受力部位要求必須圓滑過渡。

（2）保持掣子和主拐臂銷軸的表面粗糙度由機械理論可知，表面粗糙度大的零部件容易產生磨損，通過對拒分保持掣子和主拐臂銷軸表面粗糙度的測量，發現兩者配合的工作面的表面粗糙度值較高。但是由于主拐臂銷軸的疲勞磨損是導致機構產生拒分的主要原因，所以應盡可能地減小摩擦力，改善銷軸磨損狀況，避免產生拒分故障。解決措施：由于保持掣子和主拐臂銷軸的配合工作面是機構分閘脫扣的主要工作面，為了減小保持掣子對主拐臂銷軸的磨損，減小保持掣子對主拐臂銷軸的工作面的表面粗糙度值。

（3）提高主拐臂銷軸的強度根據故障現象描述，拒分的主拐臂銷軸產生了疲勞磨損或破壞，如圖7所示。由材料的力學特性可知，材料的組成成分、熱處理工藝和表面硬度等都會影響零部件的機械強度，而零部件的強度越低，越容易產生磨損變形破壞。首先利用光譜儀對主拐臂銷軸材料進行成分測定，其測定結果為：拒分的主拐臂銷軸材料不滿足技術要求。其中C含量偏低，這將導致零部件硬度降低，而硬度與零部件的機械強度成正比；Si含量偏高，將起到脫氧、脫硫的作用，但是過量促δ－Fe生成；Mo的含量偏高，將導致材料的加工性能不好，脆性增強。這些成分的不符合標準都會加快零部件產生疲勞破壞。對主拐臂銷軸的熱處理工藝進行檢測，通過金相試驗得到如圖8所示的在500倍下的主拐臂銷軸金相組織圖。從金相圖可看出，此主拐臂銷軸的熱處理工藝也比較差，組織粗大，容易產生疲勞磨損，沒有達到性能要求。解決措施：嚴格檢測主拐臂銷軸的材料元素量，提高熱處理工藝要求，并通過滲碳等工藝增大銷軸工作面硬度，以提高其機械強度裕度。

最終改進方案：經過對本次故障的分析、試驗、仿真、改進和驗證等一系列步驟，確定的改進方案是：保持掣子與主拐臂銷軸的配合面必須圓滑過渡；將保持掣子和主拐臂銷軸的配合工作面表面粗糙度值降低；將主拐臂銷軸硬度提高。最后加工出修改的保持掣子和主拐臂銷軸，裝配到試驗樣機上，進行2000次分合閘操作試驗，試驗后的主拐臂銷軸如圖9所示。對比圖2發現，銷軸工作狀況得到大幅度改善，實驗沒有出現拒分現象，銷軸和保持掣子完好無損，達到了斷路器機構的使用性能，成功解決拒分故障。

3結束語

前文所提到的拒分故障本質是保持掣子和主拐臂銷軸相對運動產生的摩擦力增大，導致保持掣子所受的合力（摩擦力和銷軸作用給保持掣子的正壓力形成的合力）方向改變，逆時針力臂減小或形成順時針力臂（見圖3），使保持掣子在合力作用下形成自平衡，進而拒分。通過對彈簧操動機構拒分故障的分析、試驗、仿真等方法，找出拒分問題產生的根本原因是主拐臂銷軸磨損嚴重所致，并提出了一系列的優化改進方法，成功解決拒分故障。為斷路器彈簧操動機構拒分問題提供了有效的排查方法，具有很好的指導意義。

作者：楊秋蓉劉宇宋廣民單位：平高集團有限公司