断路器弹簧操动机构分析范文

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《电气制造杂志》2014年第七期

1故障现象及原因分析

某电站断路器在进行出厂试验时，断路器的B相动静触头没有分断，发生了拒分现象。经检查，弹簧操动机构分闸电磁铁信号已经给出，电磁铁已动作；主拐臂销轴和保持掣子没有分开，对机构检查发现，分闸弹簧储存能量没有释放，且没有卡滞现象，主拐臂销轴工作面已经变形，磨损严重，如图2所示。根据弹簧操动机构拒分故障现象的分析和调查，可以排除电磁铁脱扣力不足造成的拒分和分闸弹簧储能力小或摩擦卡滞情况造成的拒分。下面重点分析主拐臂和分闸保持掣子自身平衡形成的拒分，其分析的力学模型如图3所示。分闸弹簧给主拐臂的力通过主拐臂销轴作用给分闸保持掣子（见图1）。从图3中可以看出，当分闸电磁铁动作后，保持掣子受到主拐臂销轴的压力F主垂直于接触面，受到主拐臂销轴的摩擦力F摩垂直于F主且与保持掣子的转动方向相反，受到复位弹簧的恢复力F复。要想使保持掣子逆断路器弹簧操动机构分析时针旋转，机构必须能形成一个力臂不是太小且大于F复及各种摩擦力作用下形成的顺时针力矩。当保持掣子受到主拐臂的压力和摩擦力作用产生的力臂过小（见图3a）时，其力矩不能克服F复及其他系统摩擦力产生的顺时针力矩，保持掣子将不能脱开，形成拒分；当保持掣子受到主拐臂的压力和摩擦力作用产生动态顺时针力臂（见图3b）时，主拐臂销轴将和保持掣子接触产生F推力，保持掣子就会在合力矩的作用下紧紧扣住主拐臂销轴，产生自平衡，致使产品拒分。为了验证分析的正确性，采用表面光洁、没有磨损的主拐臂销轴在拒分样机上做200次合闸、分闸操作试验，试验结果是没有发生拒分现象，但是销轴的表面仍然出现了磨损迹象。为了找出机构拒分故障的本质原因，继续做200次合分试验，在试验做到315次分闸操作时，机构没有实现分闸操作，产生了拒分故障。对试验拒分故障的机构进行检查，分析：机构电磁铁提供的电磁力和分闸弹簧力输出的分闸力都达到设计要求，只是主拐臂销轴的磨损更加严重，由此可判断出造成拒分故障的主要原因是销轴表面疲劳磨损。

2试验验证及解决措施

根据故障的现象描述及原因分析，主拐臂销轴的疲劳磨损是导致拒分故障的主要原因。下面从多个角度进行分析、试验、仿真和改进，志在解决销轴疲劳磨损，消除机构拒分故障。

（1）保持掣子的加工工艺优化通过比对拒分保持掣子的设计图样，发现保持掣子的关键部位尺寸合格，但是保持掣子的“钩子”R圆弧处与工作平面不相切，有过渡棱台，如图4所示。在分闸过程中，主拐臂销轴从保持掣子中滚动出来，经过棱台过渡位置时，就会产生一个很大的局部冲击力，对主拐臂销轴和保持掣子的表面产生破坏。为了验证有棱台过渡的保持掣子在分闸时对主拐臂销轴产生的影响，运用了运动仿真软件进行运动学[4]分析，建立“钩子”有棱台的保持掣子和相切过渡的保持掣子分别与主拐臂销轴配合，模拟分闸运动，其仿真模型及其力学分析结果如图5、图6所示。从分析图6中销轴的受力曲线图可以看出，持掣子有棱台时，销轴运动到棱台位置处产生明显增大的冲击力作用，这种突然增大的冲击力会对主拐臂销轴表面产生破坏，多次冲击造成销轴表面冲击磨损严重。解决措施：保持掣子受力部位要求必须圆滑过渡。

（2）保持掣子和主拐臂销轴的表面粗糙度由机械理论可知，表面粗糙度大的零部件容易产生磨损，通过对拒分保持掣子和主拐臂销轴表面粗糙度的测量，发现两者配合的工作面的表面粗糙度值较高。但是由于主拐臂销轴的疲劳磨损是导致机构产生拒分的主要原因，所以应尽可能地减小摩擦力，改善销轴磨损状况，避免产生拒分故障。解决措施：由于保持掣子和主拐臂销轴的配合工作面是机构分闸脱扣的主要工作面，为了减小保持掣子对主拐臂销轴的磨损，减小保持掣子对主拐臂销轴的工作面的表面粗糙度值。

（3）提高主拐臂销轴的强度根据故障现象描述，拒分的主拐臂销轴产生了疲劳磨损或破坏，如图7所示。由材料的力学特性可知，材料的组成成分、热处理工艺和表面硬度等都会影响零部件的机械强度，而零部件的强度越低，越容易产生磨损变形破坏。首先利用光谱仪对主拐臂销轴材料进行成分测定，其测定结果为：拒分的主拐臂销轴材料不满足技术要求。其中C含量偏低，这将导致零部件硬度降低，而硬度与零部件的机械强度成正比；Si含量偏高，将起到脱氧、脱硫的作用，但是过量促δ－Fe生成；Mo的含量偏高，将导致材料的加工性能不好，脆性增强。这些成分的不符合标准都会加快零部件产生疲劳破坏。对主拐臂销轴的热处理工艺进行检测，通过金相试验得到如图8所示的在500倍下的主拐臂销轴金相组织图。从金相图可看出，此主拐臂销轴的热处理工艺也比较差，组织粗大，容易产生疲劳磨损，没有达到性能要求。解决措施：严格检测主拐臂销轴的材料元素量，提高热处理工艺要求，并通过渗碳等工艺增大销轴工作面硬度，以提高其机械强度裕度。

最终改进方案：经过对本次故障的分析、试验、仿真、改进和验证等一系列步骤，确定的改进方案是：保持掣子与主拐臂销轴的配合面必须圆滑过渡；将保持掣子和主拐臂销轴的配合工作面表面粗糙度值降低；将主拐臂销轴硬度提高。最后加工出修改的保持掣子和主拐臂销轴，装配到试验样机上，进行2000次分合闸操作试验，试验后的主拐臂销轴如图9所示。对比图2发现，销轴工作状况得到大幅度改善，实验没有出现拒分现象，销轴和保持掣子完好无损，达到了断路器机构的使用性能，成功解决拒分故障。

3结束语

前文所提到的拒分故障本质是保持掣子和主拐臂销轴相对运动产生的摩擦力增大，导致保持掣子所受的合力（摩擦力和销轴作用给保持掣子的正压力形成的合力）方向改变，逆时针力臂减小或形成顺时针力臂（见图3），使保持掣子在合力作用下形成自平衡，进而拒分。通过对弹簧操动机构拒分故障的分析、试验、仿真等方法，找出拒分问题产生的根本原因是主拐臂销轴磨损严重所致，并提出了一系列的优化改进方法，成功解决拒分故障。为断路器弹簧操动机构拒分问题提供了有效的排查方法，具有很好的指导意义。

作者：杨秋蓉刘宇宋广民单位：平高集团有限公司